Ozhizhenie_gelia8_A5 (1) - Страница 4
пълнене на съд 35 с течен хелий, при отваряне на клапана - съд 36.
Процесът на пълнене на съда на Дюар започва с интензивно кипене на течен хелий вътре в съда, тъй като първоначално стените на съда имат относително висока температура. В този случай се образува голямо количество пара и налягането в съда рязко се повишава. Когато стените на съда се охладят, кипенето спира, налягането пада до атмосферно налягане и течността се натрупва в съда. В края на процеса на пълнене на съда, изпарението се увеличава отново и налягането се повишава, което показва пълното пълнене на съда с течност. Хелиевите пари, образувани по време на пълнене, имат ниска температура (4,5 К), те се нагряват до стайна температура в електрически нагреватели 26, 27 и се изпращат в резервоара за газ.
Докато колбите на Дюар се пълнят, клапаните се затварят и обратният поток се отваря. Продължава цикълът на втечняване и натрупването на течен хелий в колекцията.
За евакуация на междустенното пространство на втечняващия агрегат и неговата вътрешна кухина се използва евакуационна система, състояща се от дифузия 37, механична предна част 38, азотен уловител 39. Нивото на вакуум е Pa.
Освен описания режим на втечняване, инсталацията може да работи в два режима на охлаждане. При работа в хладилен режим при ниво на криостатиране 15 K се отваря клапан и газовият поток, разширен в разширителя при налягане 0,11 MPa, се насочва към обекта на криостатиране. Вентилът е в затворено положение. Загрят от 3÷6 K при постоянно налягане, потокът влиза от обекта за криостиране към блока за втечняване и се добавя към обратния поток през клапана след топлообменника 22, след което преминава през всички горепосочени топлообменници, загрявайки дотемпература на околната среда, влиза в газдържача.
При работа в хладилен режим при ниво на криостат от 4,5 К охлаждащата течност е хелий в течна фаза. Преди този режим е необходимо да се натрупа течност в колектора и да продължи да се втечнява успоредно с режима на охлаждане. Контролният клапан се отваря и по-голямата част от потока се дроселира в намотка, потопена в течен хелий в колектора 25. В този случай се получава допълнително втечняване на образуваните пари
при дроселиране поради кипене на хелия в обема на колектора. След намотката потокът от течен хелий през клапана се насочва към обекта на криостатиране (OC), където поради подаването на топлина хелият кипи и се връща обратно в втечнителя в топлообменника 24 в обратен поток. Контролният клапан работи паралелно, за да поддържа нивото на течността в резервоара.
В редица инсталации, когато работят в режим на охлаждане, директен поток под високо налягане преминава през намотката в колектора на хелий, охлажда се в него и едва след това се дроселира до 0,15 MPa и влиза в ОК, на изхода от който потокът обикновено има двуфазен характер, така че се изпраща в колектора, където течността се отделя от парите.
В случай на спиране за дълго време (планови ремонти), газообразният хелий се извлича от централата. За да направите това, той се изпомпва от компресор 14, подобен на 1, компресира се и се изпомпва
високо налягане (12 15 MPa) в приемника или цилиндрите 15 за дългосрочно съхранение.
2.2 Конструкции на хелиеви разширители
Буталните разширители, използвани в хелиеви инсталации със средна производителност, поради поставянето им директно в блока за втечняване, обикновено са вертикални машини от обратен тип (студената зона е разположена отдолу, механизмът за движение е отгоре),напречна глава с дълъг кух стебло за намаляване на топлинното усилване чрез топлинни мостове.
Ефективността на разширителя до голяма степен зависи от съвършенството на механизма за движение, газоразпределителната система). Механизмът на движение в буталните разширители традиционно е с кръстосана глава. В зависимост от конструкцията на газоразпределителния блок има три вида разширители:
- с вентилно газоразпределение както на входа, така и на изхода на газа (има и двата клапана - вход и изход);
- с безклапанно газоразпределение, входът и изходът на газта е през прозорци в стената на цилиндъра и отвори в буталото (няма клапани);
- с комбинирано газоразпределение (има един клапан, например, на входа на газа и прозорец на изхода).
Първият тип разширители - с вентилно газоразпределение, има механизъм за принудително задвижване на клапаните (напоследък започнаха да се използват и разширители със самозадвижващи се клапани). Тези разширители са с ниска скорост, скоростта на коляновия вал е 200600 об / мин, следователно, с увеличаване на производителността, размерите на разширителя се увеличават. Тези машини са най-сложни по дизайн, но имат най-висока ефективност (адиабатна ефективност), по-ниска консумация на енергия в сравнение с други видове разширители.
Кинематичната схема на хелиевия разширител с вентилно газоразпределение и изчислената индикаторна диаграма са показани на фиг. 13. Основните работни органи на разширителя (фиг. 13а) са
Ориз. 13. Кинематична диаграма на разширителя на хелиевия клапан (а) и неговата изчислена индикаторна диаграма (б)
цилиндър 1 е разположен вертикално, в който се движи
е закрепено бутало 2. Цилиндърът е закрепен към горната плоча с помощта на лагерна тръба 3, буталото е свързано с помощта на прът 4 с напречна глава 9, коятосе движи във вертикални водачи. Движението на напречната глава се задава от механизъм, състоящ се от свързващ прът и манивела - коляновия вал. На коляновия вал от свободната страна е монтиран маховик 13, който играе ролята на акумулатор на енергия, поради което буталото прави обратно движение - надолу. Директното движение - нагоре, се извършва благодарение на енергията на предварително компресиран газ. Напречната глава е разположена в топла кухина, нейното триене е намалено поради подаването на смазка, пролуката между нея и цилиндъра на напречната глава е запечатана с кожен маншет.
Входните 5 и изходните 6 клапани са разположени на долната крайна стена на цилиндъра, те се задвижват от гърбици 12, монтирани на коляновия вал, чрез лостове 11, тласкачи 10. Изходите на тласкачите от корпуса са запечатани с уплътнения на салниковата кутия 14. Приемниците 8 са монтирани на входа и изхода на газ за намаляване на пулсациите на налягането, те са прикрепени към крайната стена на цилиндрите nder. Входящият приемник има филтър 7 за улавяне на механични частици, включително твърди частици от замръзнали газове (по-специално Ne,
Работният процес в разширителя протича по следния начин. Сгъстен газ под налягане p n (стойността на налягането зависи от вида на цикъла, за хелий обикновено е 2,2 2,5 MPa) навлиза в кухината през отворения входен клапан 5. Клапанът се отваря при почти минималния обем на цилиндъра - буталото е в TDC, точка 6 на диаграмата (фиг. 13 b), процесът започва - вход на газ, по време на който има рязко повишаване на налягането поради изтичане на газ при постоянен обем на кухината, след това буталото се движи нагоре - обемът на кухината се увеличава и когато клапанът е отворен, възниква процес - запълване на кухината с нова порция газ с лек спад на налягането на съпротивлението на клапана. Продължителността на процеса се определя от момента на затварянеклапан, дадена от прекъсването на пълненето 2 - относителна стойност, равна на 2 =(V 2 - V 1 )/V h . В точка 2 входящият клапан се затваря и газовата част се разширява в затворена кухина с нарастващ обем, процесът е разширение. По време на този процес газът извършва основната работа срещу външни сили - той избутва буталото, докато
потенциалната му енергия е значително намалена, което се изразява в спад на налягането и температурата на газа. Когато в теоретичния случай се достигне максималният обем Vh, изпускателният клапан 6 (точка 3) се отваря принудително и след това първо има рязък спад на налягането до минимална стойност - изпускане, след това изтласкване на газ при постоянно налягане от кухината на намаляващ обем (обратен ход на буталото). В точка 5 клапанът е принудително затворен, кухината отново се затваря и когато буталото се движи надолу до TDC, останалият газ се компресира обратно, налягането се увеличава до p 6, при което всмукателният клапан е принуден да се отвори. Размерът на зоната се определя от прекъсването на предварителното натоварване
В действителност бързите процеси на всмукване и изпускане протичат при променлив обем, когато буталото все още не е достигнало съответната мъртва точка. Тези секции са предвходящи и изходящи.
Задвижването на клапана и спирачното устройство (обикновено електрически генератор) са разположени в горната част на блока за втечняване, извън вакуумната топлоизолационна обвивка (с изключение на случаите на много големи инсталации, когато разширителите са независима единица със собствена топлоизолация), а самият цилиндър, клапаните, всмукателните и изпускателните приемници - в студения обем на втечнителя.
Уплътняване на работната кухина на разширителя
Конструктивните характеристики на хелиевите разширители са невъзможността за използване на масла за смазване на триещата се двойка бутало-цилиндър.Това доведе до отхвърляне на използването на метални бутални пръстени за уплътняване на работната камера, както е обичайно в компресорите и въздушните разширители. Тук се използват основно три вида бутални уплътнения:
- окачване на буталото, когато с много малка междина между буталото и огледалото на цилиндъра, жлебовете на буталото осигуряват възникването на газови сили и самонастройването на буталото, без да докосват цилиндъра по време на движение, т.е. буталото е отделено от цилиндъра с много тънък газов слой - възглавница, която намалява триенето;
- уплътнение на хлабината с покритие върху буталото, което осигурява намаляване на коефициента на триене без смазване при докосване на цилиндъра и надеждна работа на буталната двойка; за това се използват различни пластмасови и кожени маншети на буталото, както и
пръстени, изработени от текстолит или материали на основата на флуоропласт, импрегниран с парафин, за да се намали неговата хигроскопичност;
- уплътнение като бутални пръстени или кожени маншети, способни да работят без смазване на цилиндъра.
Ориз. 14. Разширител
Конструкции на хелиеви разширители
Помислете за най-типичните дизайни на хелиеви бутални разширители.
Разширителят за средно налягане от типа (фиг. 14, обозначение на позицията като на фиг. 13) има капацитет от 48 kg / h при входно и изходно налягане от 0,12 - 0,14 MPa. Това е едноцилиндрова машина с отвор 60 mm и ход 75 mm, скорост на коляновия вал 310 или 400 rpm, температура на входа на хелия 28-
24 K, мощност - 13,5-11,5 K.
Адиабатната ефективност на разширителя е до 0,75.
Механизмът за движение е манивела, като лагери се използват търкалящи лагери, тъй като изискват минимално смазване. Двойката бутала има шлицово уплътнение с текстолитно подредено бутало 2. Разликата между
дубутало и цилиндър в топло състояние е незначителна стойност - 8 ... 12 микрона. Цилиндърът 1 е изработен от стомана, буталния прът е изработен от нискотемпературна стомана 20Х.
Буталото е свързано с напречната глава 9 с помощта на кух прът 4. Цилиндърът е свързан към горната основна плоча 15 чрез тънкостенна носеща тръба 3. Самонастройването на буталото в цилиндъра, което е необходимо за нормалната работа на уплътнението на междината, се постига чрез две сферични въртящи се съединения (в ставите прътът на напречната глава и напречната глава 9 са направени под формата на бутало, изработено от алуминий сплав D16T , Цилиндърът на напречната глава е изработен от стомана 20X с карбюризация на работната повърхност.Върху напречната глава е фиксиран кожен маншет, който предотвратява навлизането на смазката от цилиндъра на напречната глава в студената зона на разширителя.
Клапанните възли са прикрепени към долната плоча на разширителния цилиндър. Входен 5 и изходен 6 тарелков тип разширителни клапани, всеки монтиран в отделен корпус. Всеки вентил има PTFE уплътнителна лента, която го притиска към седлото, когато е затворен. Задвижване на клапана - издърпващ тип (фиг. 15). Извършва се от гърбици с променлив профил, монтирани на коляновия вал. Въртящите се ролкови тласкачи се притискат към гърбиците, които предават движение към клапаните чрез вертикални лостове 16. За да се смекчат пулсациите на налягането, пред клапаните има приемници на вход 7 и изход 8.
Ориз. 15. Схема на задвижване на вентила с издърпване