Диссертация (Исследование и оптимизация нестационарных процессов гелиевого ожижителя-рефрижератора средней мощности), страница 4

Обычно охлаждение СВЧ-резонаторовчастотой выше 1 ГГц целесообразно на температурном уровне 2 К. Возможнопроведение более точной оптимизации по температуре криостатированияпосле введения систем ускорителя в эксплуатацию [29].1.2. Cистемы криостатирования ускорителей заряженных частицТехнические требования к системе криостатирования определяются взависимости от назначения сверхпроводящих элементов, их техническихтребований и рода протекающего тока.Классификациякрупныхгелиевыхожижительно-рефрижераторныхсистем (в том числе систем криостатирования в составе ускорителейзаряженныхчастиц)поотношениюктемпературномууровнюкриостатирования связана с признаком наличия в составе установкиподсистемы субатмосферной откачки:∙ системы без субатмосферной откачки паров гелия способны достичьтемпературы до 4,2 К (соответствует температуре насыщенного жидкогогелия при атмосферном давлении);∙ системы с субатмосферной откачкой паров гелия способны достичьтемпературы ниже 4,2 К, соответственно давлению насыщенных паров23Таблица 2.Температура криостатирования СВЧ резонаторов ускорителейзаряженных частиц [30]УскорительУскоряемыеЧастотаТемпературачастицырезонаторовкриостатированияALICEэлектроны1,3 ГГц2КELBEэлектроны1,3 ГГц2КFLASHэлектроны1,3 ГГц,2К3,9 ГГцS–DALINACэлектроны3 ГГц2КHERAэлектроны,500 МГц4,2 КпозитроныLISAэлектроны500 МГц4,2 КSOLEILэлектроны352 МГц4,2 КTandem PAионы81 МГц,4,2 К135 МГцLEP200электроны,352 МГц4,5 К80 МГц,4,5 КпозитроныALPIионы160 МГцDIAMONDэлектроны500 МГц4,5 КELETTRAэлектроны1,5 ГГц4,5 КISOLDEионы101 МГц4,5 КLHCпротоны400 МГц4,5 КSLSэлектроны1,5 ГГц4,5 КMACSEэлектроны1,5 ГГц1,8 Кгелия (Рисунок 1.4).Большинствосуществующихсверхпроводящихсистемускорителей24заряженныхчастицимеюттехническиетребованиянатемпературукриостатирования в двух диапазонах (Таблица 2): от 4,2 К до 4,5 К(температура жидкого гелия при атмосферном давлении) и от 1,8 К до 2,1 К(температура жидкого гелия при давлении ниже атмосферного).Давление насыщенных паров, Па10610510410310210111,52342,53,5Температура жидкого гелия, К4,55Рисунок 1.4.

Зависимость давления насыщенных паров гелия оттемпературы [31]Преимущество выбора рабочей температуры в диапазоне от 4,2 К до4,5 К связано с простотой реализации криогенной системы. Криостатированиена данном температурной уровне осуществляется с использованиемстандартныхгелиевыхожижителей-рефрижераторов,нетребующихдополнительной подсистемы субатмосферного сжатия. Данная реализациязначительно сокращает капитальные затраты на криогенную систему и,несмотря на повышенный нагрев СВЧ-резонаторов ввиду более высокогозначения остаточного сопротивления, является оправданной в ряде проектовускорителей.Рабочие температуры в диапазоне от 2,1 К до 4,2 К являются менее25целесообразными по сравнению с температурами ниже 2,1 К.

Параметрысверхпроводящих систем в области температур около 4,2 К изменяютсямонотонно, при этом для системы криостатирования понижение температурыниже 4,2 К требует использования дополнительной субатмосфернойподсистемы сжатия, что ступенчато повышает капитальные затраты.Нецелесообразностьтекучегожидкогоработыгелиявтемпературномвблизидиапазонелямбда-перехода(вышенормально2,168К)объясняется возможностью относительно простого перехода к циклу насверхтекучем гелии с небольшим увеличением затрат электрической энергии,соответствующим увеличению степени сжатия паров жидкого гелия. Приэтом понижение температуры ниже границы сверхтекучести позволяет6 · 1052,4 · 104Теплота парообразования, Дж / кгКоэф.

теплопроводности, Вт / (м · К)использовать специфические свойства сверхтекучего гелия.5 · 1054 · 1053 · 1052 · 1051,61,822,2Температура, К2,3 · 1042,2 · 1042,1 · 1042,0 · 1041,61,822,2Температура, Ка)б)Рисунок 1.5. Коэффициент теплопроводности (а) и теплотапарообразования (б) сверхтекучего гелия в диапазоне температур от 1,6 K до2,168 K [31]26Широкое применение систем криостатирования СВЧ-резонаторов втемпературном диапазоне от 1,8 К до 2,1 К объясняется ограничениями,связанными со свойствами сверхтекучего гелия. Максимум теплопроводностисверхтекучего жидкого гелия наблюдается в диапазоне от 1,7 К до 2,0 К(Рисунок 1.5 а).

Высокая теплопроводность жидкого гелия, играющегороль теплоносителя при криостатировании СВЧ-резонаторов, являетсяважнейшим требованием при проектировании криогенных аппаратов.Кроме того, в проектах крупных распределенных криогенных системвысокаятеплопроводностьпозволяетуменьшитьпоперечноесечениекриогенных трубопроводов и снизить общее количество используемогожидкого гелия. Максимум теплоты парообразования сверхтекучего гелиянаблюдаетсявдиапазонеот1,8Кдо2,0К(Рисунок1.5б).Понижение этого параметра приводит к увеличению массового расхода паровгелия, сжимаемых системой субатмосферной откачки, что соответствуетувеличенному энергопотреблению и необходимости повышения проходногосечения трубопроводов низкого давления.1.2.1.

Системы субатмосферной откачкиПростейшие системы субатмосферной откачки насыщенных паровгелия основаны на вакуумных насосах, работающих при нормальнойтемпературе («теплом» сжатии). Для предотвращения образования льда изатмосферной влаги подобные системы откачки снабжаются нагревателямиили теплообменниками для подогрева паров гелия. При умеренныхзначениях массового расхода возможно применение объемных вакуумныхнасосов — роторных, Рутс [32] или жидкостно-кольцевых [33]. Потери отнедорекуперации холода гелия низкого давления значительно снижаютэффективность таких систем.

Кроме того, масштабирование криогенныхсистем с объемными насосами ограничено практически достижимым27107Твердое состояниеДавление, Па106Критическая точкаHe I105He II104Газообразное состояние1031234Температура, К56789 10Рисунок 1.6. Диаграмма фазовых состояний гелия [31]предельным расходом систем субатмосферной откачки. Максимальныйрасход объемных насосов для сжатия гелия достиг значений 20 000 м3 /ч(Рисунок 1.7), что соответствует тепловой нагрузке 650 Вт при температуре2 К. Для дальнейшего повышения холодопроизводительности необходимопараллельное включение нескольких компрессоров и вакуумных насосов ссоответствующим увеличением капитальных затрат, или переход на другуютехнологию сжатия.Одним из решений данной задачи в криогенных системах большойпроизводительностисталоприменениецентробежныхкриогенныхкомпрессоров для сжатия паров гелия низкого давления при низкойтемпературе без дополнительного подогрева («холодное» сжатие).

Высокаяплотность гелия при низкой температуре позволяет использовать болеекомпактныецентробежныекомпрессорыпосравнениюснасосамиобъемного принципа действия. К «холодным» компрессорам для сжатия гелияпредъявляются следующие требования: отсутствие смазки, высокая чистота28Рисунок 1.7. Области применения различных методов субатмосферногосжатия гелия [34]сжатого газа и высокая термодинамическая эффективность, так как теплотасжатия в таких компрессорах отводится при более низкой температуре.Сжатие потока гелия низкого давления «холодными» центробежнымикомпрессорами также повышает эффективность рекуперации холода приболее высоком давлении.Ввиду низкой достижимой степени сжатия в «холодных» компрессорахи проблем совместной работы нескольких последовательных ступенейцелесообразно использование «теплых» насосов объемного принципа вкачестве заключительных ступеней.

Подобные системы «гибридного»сжатиятакжеобладаютбольшейгибкостьюквеличинетепловойнагрузки [7]. Опыт эксплуатации криогенных центробежных компрессоровпоказал их высокую эффективность в диапазоне от 60% до 75%.Подтверждена высокая надежность центробежных криогенных компрессоровкак на газодинамических подшипниках (в том числе при работе на29нерасчетных режимах сжатия двухфазного потока гелия, сопровождающегосяавтоматической остановкой компрессора без повреждений каких-либоузлов) [35], так и на активном магнитном подвесе [36]. Применениепоршневых криогенных компрессоров для сжатия гелия низкого давленияне получило широко распространения ввиду их более низкой надежности,необходимости частого обслуживания и их бо́льших размеров по сравнениюс центробежными компрессорами [37].Большинствосуществующихсистемкриостатированиясверхпроводников в температурном диапазоне от 1,8 К до 2,1 К состоятиз независимых подсистем для ожижения гелия при температуре 4 K и2 K.

Ввиду стандартизации коммерчески доступных гелиевых ожижителейдля получения жидкого гелия при температуре 4 K, они получили широкоераспространение в качестве ступени ожижения гелия при атмосферномдавлении. В качестве ступени для получения жидкого гелия при температуре2 K основное применение получили системы субатмосферной откачки паровгелия следующих типов:∙ системы «теплой» субатмосферной откачки на базе вакуум-насосовобъемного принципа действия (Рисунок 1.8 а);∙ системы «теплой» субатмосферной откачки с рекуперацией холодаобратного потока в теплообменнике низкого давления (Рисунок 1.8 б).Применение холодных компрессоров реализовано, главным образом,в криогенных системах большой холодопроизводительности. Одним изпреимуществ таких криогенных систем является возможность рекуперациихолода обратного потока при более высоком давлении, что повышаетэффективность теплообмена (Рисунок 1.9 a, б).