Автореферат (Исследование и оптимизация нестационарных процессов гелиевого ожижителя-рефрижератора средней мощности)

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙУНИВЕРСИТЕТ ИМЕНИ Н. Э. БАУМАНАНа правах рукописиНагимов Руслан РафаэльевичИССЛЕДОВАНИЕ И ОПТИМИЗАЦИЯНЕСТАЦИОНАРНЫХ ПРОЦЕССОВГЕЛИЕВОГО ОЖИЖИТЕЛЯ/РЕФРИЖЕРАТОРАСРЕДНЕЙ МОЩНОСТИ05.04.03 – Машины и аппараты, процессы холодильной и криогеннойтехники, систем кондиционирования и жизнеобеспеченияАВТОРЕФЕРАТдиссертации на соискание ученой степеникандидата технических наукМосква – 2016Работа выполнена в ФГБОУ ВО «Московский государственный техническийуниверситет имени Н.

Э. Баумана (национальный исследовательскийуниверситет)» (МГТУ им. Н. Э. Баумана)Научный руководитель: доктор технических наук, профессорАрхаров Иван АлексеевичОфициальныеоппоненты:доктор технических наук, профессорПрилуцкий Игорь Кирович, профессор кафедрыкриогенной техники, Санкт-Петербургскийнациональный исследовательский университетинформационных технологий, механики и оптикикандидат технических наук, доцентКозлов Александр Валерьевич, начальник24 кафедры криогенной техники, системкондиционирования и метрологическогообеспечения, Военный учебно-научный центрВоенно-воздушных сил «Военно-воздушнаяакадемия им. Н. Е.

Жуковского и Ю. А. Гагарина»Ведущая организация:ОАО «Научно-производственное объединениеГелиймаш»Защита состоится «30» ноября 2016 г. в 16 ч. 30 мин. на заседанииДиссертационного совета Д 212.141.16 при Московском ГосударственномТехническом Университете им. Н. Э. Баумана, расположенном по адресу:г.

Москва, Лефортовская наб., д. 1, корпус «Энергомашиностроение»,ауд. 314-Э (конференц зал).С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГТУ им. Н. Э. Баумана ина сайте www.bmstu.ru.Отзывы и замечания по автореферату в двух экземплярах, заверенныепечатью, просьба высылать по адресу: 105005, г. Москва, ул. 2-ая Бауманская,д.

5 на имя ученого секретаря диссертационного совета Д 212.141.16.Автореферат разослан «___» _____________ 2016 г.Ученый секретарьДиссертационного совета Д 212.141.16,кандидат технических наук, доцентКолосов М. А.ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫАктуальность работыРазвитие физики высоких энергий неразрывно связано с внедрениемсовременных физических инструментов, использующих сверхпроводящеесостояние вещества. Основными объектами применения эффектасверхпроводимости в современных проектах ускорителей заряженных частицявляются сверхпроводящие магниты и сверхпроводящие резонаторныеструктуры. Сверхпроводящие магниты, используемые для достижениявысоких магнитных полей, являются основными элементами циклическихускорителей. Для повышения энергии заряженных частиц в циклическихускорителях необходимо увеличение напряженности магнитного поля дляфокусировки и возврата пучка на круговую траекторию, что обусловилопереход к сверхпроводящим магнитам для снижения затрат электрическоймощности и уменьшения поперечного сечения проводников в обмоткахмагнитов.

Сверхпроводящие высокочастотные резонаторы являютсяускорительными структурами как линейных, так и циклических ускорителей.Такие преимущества сверхпроводящих резонаторов, как более высокийускоряющий градиент, бо́льшая апертура резонатора и значительноменьшие тепловые потери на электрическое сопротивление определилиих использование во всех современных проектах линейных ускорителейзаряженных частиц.Для криостатирования сверхпроводящих элементов ускорителейиспользуются крупные криогенные системы с затратами электрическоймощности от сотен киловатт до десятков мегаватт.

Системы с подобнойпроизводительностью обусловлены большими размерами сверхпроводящихсистем и соответствующими им теплопритоками из окружающей среды,а также высокой динамической нагрузкой от диссипации энергии врезонаторных структурах.Повышениеобщейэнергетическойэффективностиподобныхкриогенных систем производится как с позиции понижения статическихи динамических тепловых нагрузок к криогенной системе, так исовершенствованием самих криогенных систем. Понижение статическихтепловых нагрузок, обусловленных теплопритоками из окружающей среды,осуществляется, главным образом, применением более совершенных методовтермической изоляции и имеет эффективные пределы применимости.Снижение динамического тепловыделения в ускорителях частиц,использующих сверхпроводящие ускоряющие резонаторы, достигаетсяповышением качества токонесущей поверхности сверхпроводников.Современные методы исследования поверхностного слоя, технологий1обработки и контроля качества поверхности ниобиевых резонаторовобеспечивают добротность на уровне 1010 , близкой к теоретическидостижимому пределу.

Ограниченная эффективность методов снижениястатических и динамических тепловых нагрузок к криогенным системамобуславливает важность другого направления повышения энергетическойэффективности — совершенствования самих криогенных систем, в том числеуже существующих гелиевых ожижительно-рефрижераторных комплексов.Современные методы математического моделирования криогенных системс использованием средств вычислительной техники позволяют значительноповысить энергетическую эффективность криогенных установок.Существующиегелиевыеожижительныеирефрижераторныесистемы спроектированы и построены с учетом особенностей работысверхпроводящих систем только для основных стационарных режимовработы и по этой причине не оптимизированы для функционирования во всемдиапазоне эксплуатационных параметров, что и определяет необходимостьнастоящей работы.

Обеспечение высокой энергетической эффективностии повышение ресурса систем криостатирования требует теоретического иэкспериментального исследования методов их оптимизации.Используемыевнастоящеевремяметодыпроектированиякриогенных систем используют математические модели стационарных иквазистационарных процессов в машинах и аппаратах, в то время какдля оптимизации рабочих параметров криогенных систем и снижениязатрат электрической мощности необходим переход к математическомумоделированию нестационарных процессов.Цель диссертационной работыЦелью настоящей научной работы является исследование методовоптимизации гелиевых криогенных систем для криостатированиясверхпроводящих элементов ускорителей заряженных частиц с цельюповышения их энергетической эффективности и снижения потребленияэлектрической мощности.Задачи работы:1.

Проанализировать методы математического моделирования криогенныхсистем с учетом нестационарности рабочих процессов, определитьструктурную схему математической модели исследуемой криогеннойсистемы.2. Для неявно заданной математической модели криогенной системыопределить набор необходимых экспериментальных данных и создатьмодели ее структурных элементов.3. Разработать программный комплекс для автоматизированного24.5.6.7.определениятребуемыхэкспериментальныххарактеристиксиспользованиемстандартнойсистемыуправлениягелиевыможижителем/рефрижератором.Создать математическую модель криогенной системы линейногоускорителя ARIEL с учетом нестационарности рабочих процессов ипроверить корректность данной модели.Определить целевые функций и провести оптимизационный анализи оценку эффективности различных методов оптимизации в рамкахматематической модели.Проверить достоверность результатов оптимизации с использованиемэкспериментальных данных исследуемой системы.Сформировать методику оптимизационного анализа нестационарныхпроцессов гелиевых криогенных систем на базе математической моделис использованием расчетных и экспериментальных данных.Научная новизнаНовизна исследований, выполненных при решении этих задач,заключается в следующем:1.

Проверена применимость математического моделирования криогенныхсистем с учетом нестационарности рабочих процессов дляоптимизационного анализа.2. Получена новая научная информация о полезных эффектах различныхметодов оптимизации криогенных систем с использованиемматематической модели и их корреляции с экспериментальнымиданными криогенной системы линейного ускорителя проекта ARIEL.3. Представлен универсальный метод автоматизированного определенияэкспериментальныххарактеристиккриогеннойсистемысиспользованием данных со стандартной системы управления гелиевогоожижителя/рефрижератора.Практическая значимость1.

Разработанная в рамках настоящей научно-исследовательской работыматематическая модель криогенной системы линейного ускорителяпроекта ARIEL позволяет производить моделирование различныхрежимов работы криогенной системы (в т. ч. нештатных) без остановкилинейного ускорителя частиц и связанного с этим прерывания работыэкспериментальных установок, а также без опасности повреждениясуществующего оборудования.2. Разработанноеврамкахнастоящейработыпрограммноеобеспечение позволяет значительно ускорить экспериментальноеопределениехарактеристикразличныхэлементовгелиевых3ожижителей/рефрижераторов, сокращая затраты на построение ихматематических моделей.3.

Полученная экспериментальная и аналитическая информация позволяетпроизвести оптимизацию как существующих, так и проектируемыхкриогенных систем, снизить их потребляемую электрическую мощностьи сократить эксплуатационные затраты.4. Представленнаяметодикаавтоматическогоопределенияэкспериментальных характеристик гелиевого ожижителя/рефрижераторас использованием данных с системы управления показываетвозможность более глубокой интеграции систем управления криогенныхсистем и их математических моделей.5. Разработанный алгоритм оптимизационного анализа является удобныминструментом анализа и оптимизации криогенных систем с учетомнестационарности рабочих процессов.На защиту выносятся следующие результаты и положения:∙ Разработанный программный комплекс, производящий автоматическуюобработку данных с приборов криогенной системы для определенияхарактеристик элементов криогенной системы в режиме реальноговремени.∙ Математическая модель криогенной системы линейного ускорителячастиц проекта ARIEL, позволяющая моделировать работу установкив нестационарных режимах.∙ Полученные на базе математической модели данные об эффективностиразличных методов оптимизации нестационарных процессовкриогенной системы и их корреляция с экспериментально полученнымирезультатами.∙ Предложенная методика оптимизационного анализа нестационарныхпроцессов криогенных систем с использованием инструментаматематического моделирования и разработанного программногокомплекса для автоматизированного определения экспериментальныххарактеристик элементов криогенной системы.Апробация работыОсновные результаты и положения диссертации были представлены:∙ Тринадцатая международная конференция «Cryogenics-2014» (ЧешскаяРеспублика, г.

Прага, 2014 г.).∙ Двадцать пятая объединенная международная криогенная инженернаяконференция и международная конференция по криогенным материалам«ICMC 25 – ICMC 2014» (Нидерланды, г. Энсхеде, 2014 г.).∙ Шестая международная конференция по ускорителям частиц4∙∙∙∙∙∙«IPAC-2015» (США, г. Ричмонд, 2015 г.).Двадцатая объединенная криогенная инженерная конференцияи международная конференция по криогенным материалам«CEC/ICMC-2015» (США, г.