一种用于超低温系统的2K负压双层翅片管换热器技术方案

本实用新型专利技术公开了一种用于超低温系统的2K负压双层翅片管换热器，其特征在于，包括一外壳，所述外壳内设有内层芯筒、外层芯筒；内外层芯筒通过连接杆与外壳内壁连接固定；其中，内层芯筒的外侧缠绕第一翅片紫铜管，外层芯筒的外侧缠绕第二翅片紫铜管；内层芯筒两端为向外凸起的锥形封闭结构；外壳的两端为向外凸起的锥形开口结构，外壳的一端锥形开口结构作为换热器热流量入口、另一端作为换热器热流量出口；第一翅片紫铜管、第二翅片紫铜管与外壳之间的缝隙为换热器热流量的流道；第一翅片紫铜管、第二翅片紫铜管的同侧一端用于与换热器冷流量入口连接、另一端用于与换热器冷流量出口连接；其中，换热器冷流量与换热器热流量的流动方向相反。动方向相反。动方向相反。

【技术实现步骤摘要】
一种用于超低温系统的2K负压双层翅片管换热器


[0001]本技术涉及一种应用于较大流量工况(10g/s)下的2K低温换热器，用于提高200W@2K低温系统的产液效率，尤其是一种采用了双层翅片绕管结构形式的低温换热器。

技术介绍

[0002]2K超流氦低温系统负责为高性能超导设备提供2K左右的超低温环境，确保超导设备能工作在强磁场、强电流等极限工况下。一般来说，超导设备的性能越强大，需要配套的低温系统制冷量就越大，对应生成的液氦流量也就越大。2K低温换热器是2K超流氦低温系统中的关键设备之一，位于制冷循环最后一级焦耳
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汤姆逊(J
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T)节流阀之前，可以利用2K回气将节流前的饱和液氦过冷，以提高节流阀的出液率。其主要性能指标是换热效率和2K回气的压力损失，换热效率直接影响2K低温系统的效率，而2K回气的压力损失会影响后端旋转设备(抽气泵或者冷压缩机)的性能。此外换热器的体积也是一个比较重要的指标，过大的体积将不利于系统集成。
[0003]随着目前2K低温系统负载的不断扩大，对2K低温换热器的要求也随之提高了，例如在大连相干光源2期超导模组测试系统和中国散裂中子源2期超导模组项目中均设计了10g/s标准流量的2K换热器，以满足超导设备的运行要求。
[0004]过去适用于小流量(5g/s)工况的换热器结构形式不能满足更大流量工况(10g/s)的性能要求，例如在文献(Prabhat Kumar Gupta and Roger Rabehl.Numerical modeling of a 2K J
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T heat exchanger used in Fermilab Vertical Test Stand VTS
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1[J].Cryogenics,2014,62:31
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36.)，文献(Ruixiong Han et al.Design optimization,construction and testing of 2K Joule
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Thomson heat exchanger for a superfluid helium cryogenic system[J].Applied Thermal Engineering,2020,180)以及文献(Ashish Kumar,Hirotaka Nakai,Kota Nakanishi,Design optimization of the 2K heat exchanger for the superfluid helium cryogenic systems at KEK,Cryogenics,Volume111,2020,103173,ISSN 0011
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2275,https://doi.org/10.1016/j.cryogenics.2020.103173.)中所述的翅片绕管式2K换热器，设计流量均为5g/s，当它们工作在10g/s流量下时，换热效率和压力损失都会产生断崖式的下降，无法满足使用需求。

技术实现思路

[0005]针对现有技术中存在的问题，本技术的目的在于提供一种用于超低温系统的2K负压双层翅片管换热器。本技术重新进行结构设计和计算校核，实现一种能工作在10g/s流量工况下的2K低温换热器，而且需要兼顾换热效率、压降和体积。
[0006]本技术的主要特征在于：高压管侧入口为高温饱和液氦(3.0barA,4.5K左右)，低压壳侧入口为低于大气压的负压2K饱和氦蒸汽(3100PaA,2K左右)，通常情况下两侧流量一致，可以工作在最大标准质量流量为10g/s的工况下；主要换热部件包括双层芯筒，双层不同规格的翅片绕管以及外层气体通道；内外两层翅片绕管于壳外由三通管道连接。
本技术通过详细的设计计算，对内外两层的流动阻力和换热能力进行了平衡，具有结构简单，换热效果好，对非标准工况适应性强等优点。
[0007]本技术的技术方案为：
[0008]一种用于超低温系统的2K负压双层翅片管换热器，其特征在于，包括一外壳，所述外壳内设有内层芯筒，所述内层芯筒与所述外壳之间设有外层芯筒；所述内层芯筒、外层芯筒通过连接杆与所述外壳内壁连接固定；其中，
[0009]所述内层芯筒的外侧缠绕第一翅片紫铜管，所述外层芯筒的外侧缠绕第二翅片紫铜管；
[0010]所述内层芯筒两端为向外凸起的锥形封闭结构；所述外壳的两端为向外凸起的锥形开口结构，所述外壳的一端锥形开口结构作为换热器热流量的入口、另一端锥形开口结构作为换热器热流量的出口；所述第一翅片紫铜管、第二翅片紫铜管与所述外壳之间的缝隙为换热器热流量的流道；
[0011]所述第一翅片紫铜管、第二翅片紫铜管的同侧一端用于与换热器冷流量的入口连接、另一端用于与换热器冷流量的出口连接；其中，换热器冷流量与换热器热流量的流量差小于设定误差，且流动方向相反。
[0012]进一步的，所述第一翅片紫铜管与所述第二翅片紫铜管的内径、长度均相同，所述第二翅片紫铜管的翅片密度高于所述第一翅片紫铜管的翅片密度，所述第二翅片紫铜管的翅片高度低于所述第一翅片紫铜管的翅片高度。
[0013]进一步的，所述内层芯筒的长度为615mm、外径为114mm、内径为102mm；所述外层芯筒的长度为573mm、外径为168.4mm、内径为156.4mm；所述第一翅片紫铜管的长度为1200mm、内径为8mm、翅片高度为6mm、翅片厚度为1mm、翅片密度为328/m、缠绕圈数为29；所述第二翅片紫铜管的长度为1200mm、内径为8mm、翅片高度为5mm、翅片厚度为1mm、翅片密度为475/m、缠绕圈数为22。
[0014]进一步的，所述第一翅片紫铜管、第二翅片紫铜管通过一体式挤压成型的方式缠绕在所述内层芯筒、所述外层芯筒的外侧。
[0015]进一步的，所述第一翅片紫铜管、第二翅片紫铜管的同侧一端分别与第一三通的两端口连接，第一三通的另一端口作为换热器冷流量的入口；所述第一翅片紫铜管、第二翅片紫铜管的同侧另一端分别与第二三通的两端口连接，第二三通的另一端口作为换热器冷流量的出口。
[0016]进一步的，所述换热器冷流量为饱和液氦，所述换热器热流量为饱和氦蒸汽。
[0017]进一步的，所述换热器冷流量为绝对压力3.0bar、4.5K的饱和液氦，所述换热器热流量为绝对压力3100Pa、2.0K的饱和氦蒸汽。
[0018]本技术的优点如下：
[0019]本技术的主要特征为针对大流量(10g/s)的2K低温系统设计了一种双层汉普逊式换热器，并且利用详细的流动传热公式对其进行了优化设计，最终利用改变翅片尺寸的方式令内外两层管侧和壳侧阻力均基本相等，并且令内外两侧的换热系数基本相等。解决了此类换热器流量分配通常不够均匀的难题，提高了整体换热效率，同时具有结构简单，维护方便等特点。
附图说明
[0020]图1本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于超低温系统的2K负压双层翅片管换热器，其特征在于，包括一外壳，所述外壳内设有内层芯筒，所述内层芯筒与所述外壳之间设有外层芯筒；所述内层芯筒、外层芯筒通过连接杆与所述外壳内壁连接固定；其中，所述内层芯筒的外侧缠绕第一翅片紫铜管，所述外层芯筒的外侧缠绕第二翅片紫铜管；所述内层芯筒两端为向外凸起的锥形封闭结构；所述外壳的两端为向外凸起的锥形开口结构，所述外壳的一端锥形开口结构作为换热器热流量的入口、另一端锥形开口结构作为换热器热流量的出口；所述第一翅片紫铜管、第二翅片紫铜管与所述外壳之间的缝隙为换热器热流量的流道；所述第一翅片紫铜管、第二翅片紫铜管的同侧一端用于与换热器冷流量的入口连接、另一端用于与换热器冷流量的出口连接；其中，换热器冷流量与换热器热流量的流量差小于设定误差，且流动方向相反。2.根据权利要求1所述的一种用于超低温系统的2K负压双层翅片管换热器，其特征在于，所述第一翅片紫铜管与所述第二翅片紫铜管的内径、长度均相同，所述第二翅片紫铜管的翅片密度高于所述第一翅片紫铜管的翅片密度，所述第二翅片紫铜管的翅片高度低于所述第一翅片紫铜管的翅片高度。3.根据权利要求2所述的一种用于超低温系统的2K负压双层翅片管换热器，其特征在于，所述内层芯筒的长度为615mm、外径为114mm、内径为102mm；所述外层芯筒的长度为573mm、外径...

【专利技术属性】
技术研发人员：葛锐，常正则，李梅，朱柯宇，徐皓辰，韩瑞雄，李少鹏，孙良瑞，徐妙富，桑民敬，叶瑞，
申请(专利权)人：中国科学院高能物理研究所，
类型：新型
国别省市：