期刊信息
曾用名:量子电子学
主办:中国光学学会基础光学专业委员会;中国科学院合肥物质科学家研究院
主管:中国科学院
ISSN:1007-5461
CN:34-1163/TN
语言:中文
周期:双月
影响因子:0.365217
数据库收录:
文摘杂志;北大核心期刊(2000版);北大核心期刊(2004版);北大核心期刊(2008版);北大核心期刊(2011版);北大核心期刊(2014版);北大核心期刊(2017版);化学文摘(网络版);中国科学引文数据库(2011-2012);中国科学引文数据库(2013-2014);中国科学引文数据库(2015-2016);中国科学引文数据库(2017-2018);中国科学引文数据库(2019-2020);日本科学技术振兴机构数据库;中国科技核心期刊;期刊分类:无线电电子学;物理学
期刊热词:
学术活动_第十三届全国光学前沿问题讨论会论文摘要集
两级独立预冷的液氦温区小型制冷系统热力学分(2)
【作者】网站采编
【关键词】
【摘要】式中:为实际换热量;为换热器最大可能换热量;h(Th,in,pl)表示温度为T,压力为p状态下4He的比焓,下标h表示高压侧,下标l表示低压侧;ε为间壁式换热器
式中:为实际换热量;为换热器最大可能换热量;h(Th,in,pl)表示温度为T,压力为p状态下4He的比焓,下标h表示高压侧,下标l表示低压侧;ε为间壁式换热器的效率。
高低压侧入口工质状态和间壁式换热器效率ε确定后,即可通过实际换热量与系统质量流量求得换热器的高低压侧出口状态。理想情况下ε=1时,换热器I、II、III的换热量分别为:
节流过程可视为等焓节流,即h8=h9。
1.2 预冷量与制冷量
根据绝热条件下预冷换热器与蒸发器的能量平衡方程可得各级预冷换热器的换热量为:
JT制冷机的制冷量为:
由式(3)~(8)可得制冷量的计算式(9):
式(9)直接表明最终获得的制冷量与预冷温度、高低压压力及一二级预冷量相关。基于以上模型结合已知条件,即可得到该JT节流循环各节点的状态参数、制冷量和预冷量。
2 系统工况参数计算
基于以上理想模型,假设一级预冷温度80 K,质量流量为9 mg/s,一、二级换热器换热效率为97%、三级换热器换热效率为100%(理想情况下),改变高压压力与二级预冷温度,研究其对冷端最大制冷量、二级预冷量的影响(制冷温度为4.5 K)。
图3所示为二级预冷温度分别为18 K、20 K和22 K时,冷端最大制冷量Q?随着高压压力的升高,呈现出先增加后减少的趋势,存在一个临界压力使得Q?达到最大值[17]。随着二级预冷温度升高,获取冷端最大制冷量所对应的高压压力随之增大,而制冷量随之减小。当二级预冷温度为20 K,最优的高压压力为1.5 MPa,此时获得的最大理论制冷量为0.057 W。
图3 不同的二级预冷温度时冷端最大制冷量随高压压力的变化情况Fig.3 Changes of maximum cooling capacity on differentphwithTpre2
当高压压力与二级预冷温度变化时,不仅影响冷端制冷量,同时会直接影响二级预冷氦气的预冷量及漏热量。图4为Tpre1为80 K,Tpre2分别为18 K、20 K和22 K时一、二级预冷氦气的预冷量随高压压力(0.6~1.8 MPa)的变化情况,计算中保持冷端温度为4.7 K、流量为9 mg/s。当高压压力由0.6 MPa增加至1.8 MPa时,一二级所需预冷量均增大。由于一级预冷温度为80 K,当高压压力为1.5 MPa,二级预冷温度变化时,理论计算一级预冷氦气的预冷量均为0.316 W,对一级预冷氦气预冷量的影响可忽略不计。当二级预冷温度给定时,二级预冷氦气的预冷量随压力的增大而增大,温度越低,二级预冷氦气预冷量的增加幅值越大。
图4Tpre1=80 K,Tpre2=18 K、20 K、22 K时一、二级预冷氦气预冷量随高压压力的变化情况Fig.4 Changes of precooling power(1thand 2nd)on differentphwithTpre2=18 K,20 K and 22 K
一级预冷量与二级预冷量分别包含预冷氦气的预冷量与漏热量(包括辐射漏热、导线漏热)。表1给出低温真空系统中各部件材料及表面反射率,计算中所采用的表面反射率数据为在课题组多年实测积累基础上的预估值。表2为Tpre1=80 K,Tpre2=18 K、20 K、22 K时一二级漏热量计算结果。
表1 低温真空系统中各部件材料及表面反射率Tab.1 Materials and surface refle ctance of components in cryogenic vacuum system编号1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 0 11名称节流部件冷端换热器一级外管一级旁通二级外管二级旁通三级外管三级旁通二级冷屏一级冷屏真空罐材料不锈钢无氧铜不锈钢无氧铜无氧铜无氧铜不锈钢不锈钢无氧铜(镀金)无氧铜(镀金)不锈钢表面反射率0.35 0.65 0.35 0.65 0.65 0.65 0.35 0.35 0.05 0.05 0.35
表2Tpre1=80 K时不同的二级预冷温度对应的一、二级漏热量Tab.2 Changes of heat leakages(1thand 2nd)withTpre2whileTpre1=80 K二级预冷温度/K 18级别 一级20 22二级一级二级一级二级辐射漏热量/W 1.774 0 0.009 4 1.774 0 0.009 3 1.774 0 0.009 3导热漏热量/mW 0.012 0 0.001 7 0.012 0 0.001 6 0.012 0 0.001 6总漏热量/W 1.786 0 0.011 1 1.786 0 0.010 9 1.786 0 0.010 9
表3给出了一级预冷温度为80 K,高压压力为1 MPa,质量流量为9 mg/s时不同的二级预冷温度对应的一、二级预冷量。
表3Tpre1=80 K、ph=1 MPa、m?=9 mg/s时不同的二级预冷温度对应的一、二级预冷量Tab.3 Changes of precooling powers(1thand 2nd)withTpre2whileTpre1=80 K,ph=1 MPa,m?=9 mg/s二级预冷温度/K 18 K级别一级20 K 22 K二级一级二级一级二级预冷氦气的冷量/W 0.311 0.150 0.311 0.139 0.311 0.130漏热量/W 1.786 0.011 1.786 0.011 1.786 0.011总预冷量/W 2.097 0.161 2.097 0.15 2.097 0.141
由表3可知,当一级预冷温度不变,二级预冷温度从18 K升高至22 K时,一、二级漏热量几乎不变。由于二级预冷氦气的预冷量不同,使二级总预冷量需求不同,温度越低,总预冷量需求越大。
文章来源:《量子电子学报》 网址: http://www.lzdzxbzz.cn/qikandaodu/2021/0301/514.html
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