氦制冷机的效率

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1、维普资讯http://www.cqvip.com2001年第6期低温工程No．62001总第124期CRYOGENICSSumNo．124氦制冷机的效率白红字毕延芳(中国科学院等离于{丰物理研究所古肥23003摘要随着超导技术发展和广泛应用，它对低温系统的容量要求也越来越庞大。对于大型超导磁体系统的氨制冷系统，其效率直接影响大型超导装置的运行费用论述了影响氦制冷机效率的各种因素，并指出了提高制冷机效率的各种基本途径。主题词氦制冷机效率超导磁体随着超导技术的发展，超导磁体在科研和工业中的应用越来越广泛，如核聚变工程、高能粒子加

2、速器、超导磁体储能系统、磁流体(MIlD)、强磁场研究、化学(NuclearMagneticresoilallCespeetlOscopv)、医学(MRI)、超导运输系统(磁悬浮列车)等方面，特别是在核聚变工程方面越来越重要。现在世界上所有在建的较大的磁约束装置，如德国的W一7X．韩国的KS'FMI，印度的SST-1，我国的HT．7U以及由欧、美、日、俄四方共建的正在设计中的ITER等无一不采用超导磁体技术，这是因为超导磁体相对于常规磁体能大大节约电能。建造大型超导磁约束装置已被认为是可控核聚变走向成功的必由之路。大型超导磁

3、体的超导材料主要采用NbTi和NbSn。N岍的临界温度为92K，Nb={Sn的临界温度为18K要使超导体工作于超导态，超导体的温度必须在其临界温度以下。这如此低的温度只能用氦作为制冷剂来制冷图1为超导磁体的冷却简图。氦制冷机在此的功能即是给超导磁体降温和在正常运行期间有效地维持超导磁体的工作温度。2提高氮制冷机效率的重要性我们以中科院等离子体物理研究所正在建造的超导托卡马克装置7为例来分析。HT-7U装置的制冷机在4．4K下的当量制冷量为2kW。若采用理想的卡诺制冷循环，其制冷系数为⋯==：_()_014885其中为制冷的温

4、度，为环境温度。这就是说每消耗1w的电能仅能制取0．014885率文于2001年3月l5【l收剑。白红宇，男，29岁．博士生维普资讯http://www.cqvip.com第6期复制冷机的效率43的冷量(或每制取1W／4．4K的冷量要消耗67．2w的电能)。若要制取2kW的冷量，电力的消耗为1344kW。事实上．理想卡诺循环的制冷系数是达不到的对世界上已制造出的2kW／4．4K的氦制冷机．其平均有效能效率一般为20％．即其制冷系数只有理想卡诺循环的20％。这样每制取1W／44K的冷量要消耗336W的电室能，即制冷量与电能消耗

5、的比为1：336犬型超导磁体的降温时间一般为一到两个星期．正常运行时间则每年一一般有6个月以f=。由表1可知，当有效能效率从20％提高到3O％时，能大大地节约电能消耗由于超导磁体的运行费用主要取决于低温系统的能量消耗．因而提高制冷机的效率对于降低超导磁体的运行费用极为关键。表1图1表2为世界上其它一些实验室的制冷系统除法国TORESUPRA外，其它装置的容量比7低温系统的容量大得多随着实验要求的提高，将来的低温系统会越来越庞大，因而提高低温系统的效率就显得更加重要表2装置及其所在国家胡玲机／液化器容量法睡TORESIRRA3

6、00W／I75K+745W／45K+56g／s十IlkW／80K13率国家聚变科学研究所LttD565kW／4．4K+65。L／hL+206kW，8OK俄斯Klarehta~,研究所lr_【527kW／44K或800L／hLHe+60kW一150kWZS0K日本JAERIIq'ERCSMC测试的装置5kw／45K或9∞L／h美国BNL的RHICf386km例周)25kW／38KCERN的IBD(24km圆周18个t8kW／44K的低温午问美国Fn证实验窒5[II]L／h3影响氮制冷机效率的因素氦制冷机主要由fE,N~、水冷却

7、器、油过滤系统、吸附器换热器、膨胀机、各种传输连接管道和阀门以及测量控制系统等组成，制冷机的效率定义【1为∑Ex⋯pay对于可逆制冷机，其有效能效率为100％而实际制冷机存在许多不可逆因素，它们都会影响制冷机效率，这些因素是：(1)压缩机的不可逆损失，它是影响制冷机效率的主要因素之一。由于氦制冷机要求长维普资讯http://www.cqvip.com低温工程2001妊期可靠运行，因而螺杆压缩机被广泛用于氦制冷系统中。螺杆压缩机总效率一般为O．5～0．6。若想减少压缩机部分的损失，要尽量使压缩过程接近等温压缩机，然而这受到压缩

8、机本身制造工艺的限制另外可用离心式压缩机代替螺杆压缩机，离一t3式压缩机的效率可达O．65一(2)膨胀机的绝热效率。理想的膨胀过程是可逆绝热膨胀．其绝热效率是100％实际于式膨胀机其绝热效率为07～08(3)膨胀机的外泄漏及轴承气损失(4)各种阻力损失，如换热器、啵附器、管道中的阻力损失．