Автореферат (Исследование и оптимизация нестационарных процессов гелиевого ожижителя-рефрижератора средней мощности), страница 2

Чикаго, 2015 г.).Конференция «SRF-2015» («Superconducting Radio Frequency-2015»)(Канада, г. Вистлер, 2015 г.).Доклад-выступлениевНациональнойлабораториифизикиэлементарных частиц и ядерной физики «TRIUMF» (Канада,г. Ванкувер, 2015 г.).Двадцать шестая объединенная международная криогенная инженернаяконференция и международная конференция по криогенным материалам«ICMC 26 – ICMC 2016» (Индия, г. Нью-Дели, 2016 г.).Доклады-выступления на кафедре «Холодильная, криогеннаятехника, системы кондиционирования и жизнеобеспечения» МГТУим. Н.

Э. Баумана (Россия, г. Москва, 2016 г.).Симпозиум «Workshop on Cryogenic Operations-2016» (США, г. Чикаго,2016 г.).Достоверность результатовДостоверность данных, полученных в результате математическогомоделирования,подтверждаетсясогласованностьюрезультатовмоделированиясэкспериментальнымиданными.Представленнаяавтором математическая модель криогенной системы базируется нафундаментальных законах и уравнениях термодинамики и динамикитекучих сред. Достоверность полученных экспериментальных данныхподтверждается использованием аттестованных измерительных средств иапробированных методик измерений, а также хорошей воспроизводимостьюэкспериментальных данных о работе криогенной системы линейногоускорителя проекта ARIEL в течение трех лет.Личный вклад автораАвтором диссертации проведен поисково-сравнительный обзорлитературы, выполнена постановка проблемы исследования нестационарныхпроцессов криогенных систем, разработана математическая моделькриогенной системы для моделирования нестационарных режимов ееработы, разработан программный комплекс для обработки данных сприборов криогенной системы для автоматизированного определенияэкспериментальных характеристик ее элементов, проведено математическоемоделирование работы данной криогенной системы на различныхнестационарных режимах.

Автором разработана методика оптимизационногоанализа нестационарных процессов криогенных систем с использованием5инструментаматематическогомоделированияиразработанногопрограммного комплекса и произведена оптимизация нестационарныхпроцессов стандартного ожижителя/рефрижератора в составе криогеннойсистемы ускорителя заряженных частиц. Эксплуатация исследуемогоожижителя/рефрижератора производилась совместно с Д. С. Киши вНациональной Лаборатории Физики Элементарных Частиц и ЯдернойФизики «TRIUMF». Подготовка к публикации полученных результатовпроводилась совместно с соавторами в Национальной Лаборатории ФизикиЭлементарных Частиц и Ядерной Физики «TRIUMF» и в МосковскомГосударственном Техническом Университете им.

Н. Э. Баумана, причемвклад диссертанта был определяющим. Все представленные в диссертациирезультаты получены лично автором.ПубликацииМатериалы диссертации опубликованы в 4 научных статьях, 4 изкоторых в журналах, рекомендуемых ВАК РФ, 2 из которых в изданиях,индексируемых в международной цитатно-аналитической базе данных«Scopus», опубликованы тезисы 4 докладов.Структура и объем диссертацииДиссертация состоит из введения, 4 глав, общих выводов, спискаобозначений и сокращений, списка литературы и приложения. Общий объемдиссертации составляет 161 страницу, включая 52 рисунка и 10 таблиц.Список литературы включает 96 наименований.СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫВо Введении обоснована актуальность диссертационной работы,сформулирована цель и аргументирована научная новизна исследований,показана практическая значимость полученных результатов, представленывыносимые на защиту научные положения.В первой главе «Выбор метода исследования.

Постановка задач ицели исследования» описаны основные факторы, приводящие к понижениюэффективности современных криогенных систем, осуществлен выбор методовисследования, и поставлены цель и задачи научной работы.Различный характер тепловой нагрузки при криостатированиисверхпроводников постоянного и переменного тока определяет различныетребования к условиям их криостатирования. Большинство современныхускорителей заряженных частиц, использующих принцип радиочастотногоускорения, основаны на эллиптических ускоряющих структурах, работающих6на частоте 1,3 ГГц. Ряд преимуществ от использования сверхтекучегогелия для криостатирования данных ускоряющих структур определилтемпературный уровень криостатирования ниже 2,1 К, требующий наличиясистемы суб-атмосферной откачки паров гелия.

Некоторые из современныхпроектов с использованием сверхпроводящих систем характеризуютсянестационарным характером тепловой нагрузки в течение всего периодаэксплуатации.Стандартныекоммерческидоступныегелиевыеожижители/рефрижераторы являются основным элементом систем криогенногообеспечения крупных комплексов ускорителей заряженных частиц.Унификация ожижителей/рефрижераторов, снижающая производственныезатраты, отрицательно сказывается на эксплуатационных затратахсистем криогенного обеспечения, особенно при высокой степенинестационарности рабочих режимов.

Оптимизация работы гелиевыхожижителей/рефрижераторов осуществляется производителями изолированноот объектов криостатирования, поэтому не может учитывать всехособенностей систем криогенного обеспечения.Существующие практики разработки и оптимизации криогенных системвключают математическое моделирование рабочих процессов установившихсярежимов без учета их нестационарности. Около четверти существующихгелиевых криогенных систем спроектированы с использованием«переразмеренных» ожижителей/рефрижераторов (коэффициент запасаболее 30 %) для криостатирования при пиковых тепловых нагрузках, чтопонижает эффективность при пониженной холодопроизводительности внепиковых нагрузок.

Режимы переменных ожижительно-рефрижераторныхтепловых нагрузок, характеризующие около 30 % существующих систем,также не являются номинальными с точки зрения производителей данныхсистем.В опубликованных ранее работах исследования нестационарныхрабочих процессов криогенных систем ограничены крупными установкамисверхпроводящих комплексов. Вопросы адаптации стандартных коммерческидоступных ожижителей/рефрижераторов в состав проектируемых системс учетом нестационарности рабочих процессов не рассмотрены. Влияниестандартизации гелиевых ожижителей/рефрижераторов на эффективностьсуществующих систем криогенного обеспечения не изучалось.Обзор используемых методов математического моделирования показал,что наиболее подходящим методом для моделирования криогеннойсистемы с учетом нестационарности рабочих процессов являетсяиспользование универсального математического пакета для моделированияхимических систем «Hysys Dynamics».

В опубликованных ранее работахмоделирование криогенных систем с учетом нестационарности рабочих7процессов производилось как с использованием низкоуровневых ивысокоуровневых языков программирования, так и специализированныхсредств для математического анализа. Применение универсального пакетадля моделирования химических систем, позволяющего разработать методикуоптимизации нестационарных процессов криогенных систем, имеет болееширокую применимость с позиции использования результатов работы дляоптимизационного анализа существующих и проектируемых систем.Во второй главе «Описание экспериментальной установки»представленоописаниеэкспериментальнойкриогеннойсистемы,используемых первичных преобразователей, цепей управления и контроляавтоматизированных процессов, разработанного программного комплексадля определения характеристик элементов криогенной системы в режимереального времени, произведен анализ необходимости экспериментальногоопределения ряда параметров элементов системы.В качестве экспериментального стенда в рамках проводимогоисследования использован гелиевый ожижитель/рефрижератор «HELIAL LL»производства Air Liquide Advanced Technologies (Рисунок 1) в составесистемы криогенного обеспечения линейного ускорителя заряженныхчастиц (Рисунок 3) проекта ARIEL (Национальная Лаборатория ФизикиЭлементарных Частиц и Ядерной Физики «TRIUMF», Ванкувер, Канада).Данная установка имеет нижнюю температуру криостатирования 4,2 К,производительность 350 л/ч в ожижительном и 850 Вт в рефрижераторномрежимах.

Комбинированная ожижительно-рефрижераторная тепловаянагрузка гелиевого ожижителя/рефрижератора обусловлена наличиемступеней окончательного дросселирования в составе криогенных модулей дляполучения жидкого гелия при температуре 2,0 К (Рисунок 2).В рамках проводимого исследования было разработано программноеобеспечение для определения характеристик элементов гелиевогоожижителя/рефрижератора в режиме реального времени. В качествепервичных преобразователей давления использованы пьезорезистивныедатчики давления, преобразователей температуры — платиновые термометрысопротивления номиналом 100 Ом и никель-манганиновые линейныедатчики температуры.

Выборка данных с первичных преобразователейпроизводитсясистемойавтоматическогоуправлениягелиевыможижителем/рефрижератором и сохраняется для дальнейшей обработки.Экспериментальные данные автоматически обрабатываются вычислительнымкомплексом, разработанным в среде Python 3.В третьей главе «Математическое моделирование нестационарныхпроцессов» приведены основные уравнения для моделирования аппаратов иагрегатов криогенных систем, показана структурная схема математическоймодели гелиевого ожижителя/рефрижератора, обосновано используемое8Рисунок 1. Внешний вид гелиевогоРисунок 2.

Внешний вид объектовожижителя/рефрижераторакриостатирования – криогенных модулейуравнение состояния гелия в форме Peng-Robinson-Stryjek-Vera (PRSV).Для регулирующих вентилей и турбодетандеров криогенной системыпоказана необходимость экспериментального определения рабочиххарактеристик для их использования в составе математической модели.Определение расходных характеристик регулирующих вентилей (Рисунок 4),характеристики КПД турбодетандеров (Рисунок 5), характеристики степениреактивности турбодетандеров (Рисунок 6) и рабочих характеристиктормозных ступеней турбодетандеров (Рисунок 7) произведено сиспользованием разработанного программного комплекса.Проверка точности и достоверности результатов, получаемых сиспользованием математической модели, произведена при помощи сравненияэкспериментально полученных данных процесса захолаживания криогеннойсистемы с результатами математического моделирования (Рисунок 8).Статистический анализ погрешности математической модели показалмаксимальную погрешность, не превышающую 10 % для данного процесса.В четвертой главе «Оптимизация нестационарных процессовкриогенной системы» представлены результаты проведенной оптимизациинестационарных процессов гелиевого ожижителя/рефрижератора.В поставленной задаче оптимизации процесса захолаживания критериемоптимизации выбрана минимизация целевой функции — полного временизахолаживания.