Диссертация (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 жизнеобеспеченияДиссертация на соискание ученой степеникандидата технических наукНаучный руководительд.

т. н., профессорАрхаров Иван АлексеевичМосква – 20162СОДЕРЖАНИЕСтр.Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .Глава 1.Выбор метода исследования. Постановка задач и целиисследования . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . .1.1.1.2.1.3.СверхпроводящиеГлава 2.2.1.всоставеускорителей141.1.1.Сверхпроводники постоянного тока . . . . . . . . . . .151.1.2.Сверхпроводники переменного тока . . . . . . . . . . .16Cистемы криостатирования ускорителей заряженных частиц .221.2.1.Системы субатмосферной откачки . . . . .

. . . . . . .261.2.2.Стандартизация гелиевых криогенных систем . . . . .31Нестационарные процессы криогенных систем . . . . . . . . .331.3.2.1.5.элементы13заряженных частиц . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1.3.1.1.4.5Источникинестационарностирабочихпроцессовкриогенных систем . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . .34Автоматизация криогенных гелиевых систем . . . . . .38Моделированиекриогенныхсистемсучетомнестационарности рабочих процессов . . . . . . . . . . . . . .391.4.1.Средства моделирования криогенных систем . . . . . .411.4.2.Области применения математических моделей . . . . .42Выводы к первой главе .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .46Описание экспериментальной установки . . . . . . . . . .51Состав криогенной системы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .512.1.1.51Система сжатия, хранения и очистки гелия . . . . . . .3Стр.2.1.2.Гелиевыйожижитель/рефрижераторисистемараспределения жидкого гелия . . . . . . . . . .

. . . .2.1.3.55Криогенные модули и система вакуумной откачкипаров гелия . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .562.2.Система автоматизации и управления . . . . . . . . . . . . . .592.3.Измерительный комплекс . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .622.3.1.Приборы измерения давления . . . . . . . . . . .

. . .622.3.2.Приборы измерения температуры . . . . . . . . . . . .632.3.3.Прочие приборы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .682.4.Программный комплекс для определения характеристикэлементов криогенной системы . . . . . . . . .

. . . . . . . . .Глава 3.Математическое моделирование нестационарных процессов 743.1.Моделирование стационарного режима работы . . . . . . . . .3.2.Определение структуры математической модели с учетом3.3.3.4.6876нестационарности рабочих процессов . . . . . . . . . .

. . . .793.2.1.Выбор уравнения состояния гелия . . . . . . . . . . . .81Математическое описание элементов криогенной системы . . .853.3.1.Теплообменные аппараты . . . . . . . . . . . . . . . . .863.3.2.Турбодетандеры . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

.943.3.3.Регулирующие вентили и трубопроводы . . . . . . . . 1003.3.4.Аппараты большого объема. . . . . . . . . . . . . . . . 103Экспериментальное определение характеристик элементовкриогенной системы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1043.5.3.4.1.Турбодетандеры . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . 1043.4.2.Регулирующие вентили . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110Проверка корректности математической модели . . . . . . . . . 1124Стр.3.5.1.Статистический анализ погрешности математическоймодели . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . 114Глава 4.Оптимизация нестационарных процессов криогеннойсистемы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1194.1.Постановка задачи оптимизации . . . . . . . . . . . . . . . . . 1194.2.Оптимизацияпроцессазахолаживаниягелиевогоожижителя/рефрижератора . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . 1214.3.4.2.1.Оптимизация управления перепускного вентиля . . . . 1284.2.2.Оптимизация давления в сборнике жидкого гелия . . . 132Оптимизация управлением холодопроизводительностью припониженной тепловой нагрузке . . . . . . . . . .

. . . . . . . . 1344.3.1.Цикл с плавающим давлением нагнетания . . . . . . . 136Выводы по диссертации . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142Список сокращений и условных обозначений. . . . . . . . . . . . . 145Список литературы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . 151ПРИЛОЖЕНИЕ5ВВЕДЕНИЕАктуальность работыРазвитие физики высоких энергий неразрывно связано с внедрениемсовременных физических инструментов, использующих сверхпроводящеесостояние вещества [1]. 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 [2].

Сверхпроводящие высокочастотные резонаторы являютсяускорительными структурами как линейных, так и циклических ускорителей.Такие преимущества сверхпроводящих резонаторов, как более высокийускоряющийградиент,бо́льшаяапертурарезонатораизначительноменьшие тепловые потери на электрическое сопротивление определилиих использование во всех современных проектах линейных ускорителейзаряженных частиц [3].Длякриостатированиясверхпроводящихэлементовускорителейиспользуются 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 [17].6Повышениеобщейэнергетическойэффективностиподобныхкриогенных систем производится как с позиции понижения статическихидинамическихтепловыхнагрузокккриогеннойсистеме,такисовершенствованием самих криогенных систем.

Понижение статическихтепловых нагрузок, обусловленных теплопритоками из окружающей среды,осуществляется, главным образом, применением более совершенных методовтермической изоляции и имеет эффективные пределы применимости.Снижениединамическогоиспользующихтепловыделениясверхпроводящиевускоряющиеускорителяхрезонаторы,частиц,достигаетсяповышением качества токонесущей поверхности сверхпроводников [4].Современные методы исследования поверхностного слоя, технологийобработки и контроля качества поверхности ниобиевых резонаторовобеспечивают добротность на уровне 1010 , близкой к теоретическидостижимому пределу [18].

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.Используемыевнастоящеевремяметодыпроектирования7криогенных 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 методовоптимизациигелиевыхкриогенныхсистемдлякриостатированиясверхпроводящих 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.