Диссертация (1025160)
Текст из файла
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.
Характеристики
Тип файла PDF
PDF-формат наиболее широко используется для просмотра любого типа файлов на любом устройстве. В него можно сохранить документ, таблицы, презентацию, текст, чертежи, вычисления, графики и всё остальное, что можно показать на экране любого устройства. Именно его лучше всего использовать для печати.
Например, если Вам нужно распечатать чертёж из автокада, Вы сохраните чертёж на флешку, но будет ли автокад в пункте печати? А если будет, то нужная версия с нужными библиотеками? Именно для этого и нужен формат PDF - в нём точно будет показано верно вне зависимости от того, в какой программе создали PDF-файл и есть ли нужная программа для его просмотра.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
