Дроссельный рефрижератор для плазменных исследований
Описан надежный, экономичный неоновый рефрижератор производительностью 3 кВт на температурном уровне 28 К и производительностью жидкого неона в ожижительном режиме 58,3 дм³/ч. Приводятся области плазменных исследований, где данная разработка наиболее эффективна. Описаний надійний, економічний неонов...
Gespeichert in:
| Veröffentlicht in: | Вопросы атомной науки и техники |
|---|---|
| Datum: | 2015 |
| Hauptverfasser: | , , , |
| Format: | Artikel |
| Sprache: | Russian |
| Veröffentlicht: |
Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України
2015
|
| Schlagworte: | |
| Online Zugang: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/112378 |
| Tags: |
Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Zitieren: | Дроссельный рефрижератор для плазменных исследований / А.Б. Батраков, Ю.Н. Волков, Ю.Ф. Лонин, А.Г. Пономарев // Вопросы атомной науки и техники. — 2015. — № 6. — С. 137-140. — Бібліогр.: 4 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-112378 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
Батраков, А.Б. Волков, Ю.Н. Лонин, Ю.Ф. Пономарев, А.Г. 2017-01-20T18:15:51Z 2017-01-20T18:15:51Z 2015 Дроссельный рефрижератор для плазменных исследований / А.Б. Батраков, Ю.Н. Волков, Ю.Ф. Лонин, А.Г. Пономарев // Вопросы атомной науки и техники. — 2015. — № 6. — С. 137-140. — Бібліогр.: 4 назв. — рос. 1562-6016 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/112378 533.9 Описан надежный, экономичный неоновый рефрижератор производительностью 3 кВт на температурном уровне 28 К и производительностью жидкого неона в ожижительном режиме 58,3 дм³/ч. Приводятся области плазменных исследований, где данная разработка наиболее эффективна. Описаний надійний, економічний неоновий рефрижератор продуктивністю 3 кВт на температурному рівні 28 К і продуктивністю рідкого неону в ожіжітельном режимі 58,3 дм³/год. Наводяться області плазмових досліджень, де дана розробка найбільш ефективна. The paper described a reliable, economical neon refrigeration capacity of 3 kW temperature of 28 K and liquid neon performance in liquefying mode 58.3 dm³/h. Given the field of plasma research, where this development is most effective. ru Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України Вопросы атомной науки и техники Экспериментальные методы и обработка данных Дроссельный рефрижератор для плазменных исследований Дросельний рефрижератор для плазмових досліджень Throttle refrigerated plasma's studies Article published earlier |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| title |
Дроссельный рефрижератор для плазменных исследований |
| spellingShingle |
Дроссельный рефрижератор для плазменных исследований Батраков, А.Б. Волков, Ю.Н. Лонин, Ю.Ф. Пономарев, А.Г. Экспериментальные методы и обработка данных |
| title_short |
Дроссельный рефрижератор для плазменных исследований |
| title_full |
Дроссельный рефрижератор для плазменных исследований |
| title_fullStr |
Дроссельный рефрижератор для плазменных исследований |
| title_full_unstemmed |
Дроссельный рефрижератор для плазменных исследований |
| title_sort |
дроссельный рефрижератор для плазменных исследований |
| author |
Батраков, А.Б. Волков, Ю.Н. Лонин, Ю.Ф. Пономарев, А.Г. |
| author_facet |
Батраков, А.Б. Волков, Ю.Н. Лонин, Ю.Ф. Пономарев, А.Г. |
| topic |
Экспериментальные методы и обработка данных |
| topic_facet |
Экспериментальные методы и обработка данных |
| publishDate |
2015 |
| language |
Russian |
| container_title |
Вопросы атомной науки и техники |
| publisher |
Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України |
| format |
Article |
| title_alt |
Дросельний рефрижератор для плазмових досліджень Throttle refrigerated plasma's studies |
| description |
Описан надежный, экономичный неоновый рефрижератор производительностью 3 кВт на температурном уровне 28 К и производительностью жидкого неона в ожижительном режиме 58,3 дм³/ч. Приводятся области плазменных исследований, где данная разработка наиболее эффективна.
Описаний надійний, економічний неоновий рефрижератор продуктивністю 3 кВт на температурному рівні 28 К і продуктивністю рідкого неону в ожіжітельном режимі 58,3 дм³/год. Наводяться області плазмових досліджень, де дана розробка найбільш ефективна.
The paper described a reliable, economical neon refrigeration capacity of 3 kW temperature of 28 K and liquid neon performance in liquefying mode 58.3 dm³/h. Given the field of plasma research, where this development is most effective.
|
| issn |
1562-6016 |
| url |
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/112378 |
| citation_txt |
Дроссельный рефрижератор для плазменных исследований / А.Б. Батраков, Ю.Н. Волков, Ю.Ф. Лонин, А.Г. Пономарев // Вопросы атомной науки и техники. — 2015. — № 6. — С. 137-140. — Бібліогр.: 4 назв. — рос. |
| work_keys_str_mv |
AT batrakovab drosselʹnyirefrižeratordlâplazmennyhissledovanii AT volkovûn drosselʹnyirefrižeratordlâplazmennyhissledovanii AT loninûf drosselʹnyirefrižeratordlâplazmennyhissledovanii AT ponomarevag drosselʹnyirefrižeratordlâplazmennyhissledovanii AT batrakovab droselʹniirefrižeratordlâplazmovihdoslídženʹ AT volkovûn droselʹniirefrižeratordlâplazmovihdoslídženʹ AT loninûf droselʹniirefrižeratordlâplazmovihdoslídženʹ AT ponomarevag droselʹniirefrižeratordlâplazmovihdoslídženʹ AT batrakovab throttlerefrigeratedplasmasstudies AT volkovûn throttlerefrigeratedplasmasstudies AT loninûf throttlerefrigeratedplasmasstudies AT ponomarevag throttlerefrigeratedplasmasstudies |
| first_indexed |
2025-11-25T23:07:35Z |
| last_indexed |
2025-11-25T23:07:35Z |
| _version_ |
1850578498438037504 |
| fulltext |
ISSN 1562-6016. ВАНТ. 2015. №6(100) 137
УДК 533.9
ДРОССЕЛЬНЫЙ РЕФРИЖЕРАТОР
ДЛЯ ПЛАЗМЕННЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ
А.Б. Батраков, Ю.Н. Волков, Ю.Ф. Лонин, А.Г. Пономарев
Национальный научный центр «Харьковский физико-технический институт»,
Харьков, Украина
E-mail: lonin@kipt.kharkov.ua
Описан надежный, экономичный неоновый рефрижератор производительностью 3 кВт на температурном
уровне 28 К и производительностью жидкого неона в ожижительном режиме 58,3 дм3/ч. Приводятся области
плазменных исследований, где данная разработка наиболее эффективна.
ВВЕДЕНИЕ
В последние годы основными холодильными
машинами для охлаждения массивных криогенных
объектов с большими тепловыделениями на темпе-
ратурных уровнях ниже 30…40 К являются холо-
дильные газовые машины. В них основным (практи-
чески единственным) хладагентом служит газооб-
разный гелий. Хотя для решения многих подобных
задач предпочтительным является использование
жидкого неона как хладагента для охлаждения
непосредственно криогенного объекта. Это опреде-
ляется его термодинамическими свойствами (осо-
бенно большой теплотой испарения). Особенно су-
щественным это будет при криостатировании
сверхпроводников с температурой сверхпроводяще-
го перехода от 30 до 70 К, например, MgB2.
КОНСТРУКЦИЯ РЕФРИЖЕРАТОРА
И ОСНОВНЫЕ ТЕХНИЧЕСКИЕ ДАННЫЕ
Неоновая холодильная машина включается в за-
мкнутый цикл, который обеспечивает хранение га-
зообразного неона, получение и хранение жидкого
неона, охлаждение объекта и сбор газообразного
неона. В эксперименте нами был использован тра-
диционный газгольдерный цикл, схема которого
показана на Рис. 1.
Такой цикл практически исключает потери неона
и снимает вопрос о стоимости газообразного неона.
Рис. 1. Схема неонового цикла:
1 – газгольдер; 2 – компрессоры; 3 – блок грубой очистки газа; 4 – шунт; 5 – низкотемпературный
блок тонкой очистки газoблокa 1; 6 – механические форвакуумные насосы; 7 – дроссель-вентиль;
8 – датчики температуры; 9 – датчики уровней криогенных жидкостей; 10 – предохранительные кла-
паны; 11 – манометрический датчик; 12 – адсорбционный насос; 13 – блок ожижения неоноблока 2;
14 – сосуд Дьюара для слива жидкого неона; 15 – баллонная рампа
В качестве холодильной машины был выбран
дроссельный рефрижератор с предварительным
охлаждением жидким азотом. Дроссельная схема
холодильной машины была выбрана из-за отсут-
ствия движущихся частей и простоты изготовления.
Можно выделить такие положительные моменты в
использовании такой схемы:
1. Это снижает вероятность аварий, что под-
тверждается длительным временем эксплуатации
подобных холодильных машин.
2. Позволяет установить в цикле более простую
систему автоматизации.
3. Дроссельная конструкция снижает требования
к чистоте газообразного неона. Это снижает цену
mailto:lonin@kipt.kharkov.ua
ISSN 1562-6016. ВАНТ. 2015. №6(100) 138
используемого газа в 6-10 раз. Дроссельные холо-
дильные машины могут использоваться для очистки
и разделения газовых смесей (в частности неоно-
гелиевой смеси с примесями азота).
Исходя из опыта конструирования и эксплуата-
ции холодильных дроссельных машин, авторы
предложили конструкцию рефрижератора, состоя-
щего из двух основных блоков: тонкой очистки и
предварительного охлаждения газообразного неона
(блок 1, Рис. 1, поз. 5) и блок ожижения неона (блок
2, Рис. 1, поз. 13). Более подробно блок 2 показан на
Рис. 2. Конструкция этих двух блоков была предло-
жена для упрощения и технологического изготовле-
ния рефрижератора, а также простоты монтажа и
ремонта. Разделение на блоки позволяет разместить
охлажденные азотом блоки очистки газа в ванне
первого блока, заполненной жидким азотом. Благо-
даря этому можно совместить тонкую очистку неона
и его предварительное охлаждение, что сокращает
распад жидкого азота в 1,6 раза. В блоке 1 находятся
два газовых теплообменника и ванна с жидким азо-
том, в которой помещен теплообменник и папероны
для тонкой очистки азота.
В этом блоке газообразный неон охлаждается до
80 К. При использовании рефрижератора при непре-
рывной работе в течение нескольких суток исполь-
зуются поочередно 2 блока очистки (второй блок в
это время регенерируется). Блок выводился для ре-
генерации при большой разнице давлений на входе
и выходе ~20…30 атм. Также для сокращения рас-
хода жидкого азота в блоке предварительного охла-
ждения установлен дополнительный теплообмен-
ник, позволяющий использовать обратный поток
неона, возвращающийся из объекта охлаждения с
переменной температурой. Существенное сокраще-
ние расхода происходит при охлаждении объектов
m ≥ 102 кг. При охлаждении объектов m ≥ 103 кг ана-
логичный теплообмен устанавливается в низкотем-
пературном блоке для оптимизации охлаждения в
диапазоне 30…70 К (Рис. 2).
В блоке 2 размещены два газовых теплообмен-
ника, ванна с жидким азотом, температура которого
понижена до 64 К, сборник жидкого неона с сепара-
тором парожидкостной смеси, дроссель-вентиль и
переливные вентили. В ключевых точках блоков и
цикла установлены датчики температуры, давления
и уровня криогенных жидкостей.
Рис. 2. Блок ожижения неона:
1 – корпус; 2 – дроссель-вентиль; 3 – датчик
уровня жидкого азота; 4 – датчик уровня жидкого
неона; 5 – сборник-сепаратор неона;
6 – датчики температуры; 7 – газовые
теплообменники; 8 – ванна жидкого азота;
9 – вентиль слива жидкого неона
Рис. 2,а. Сборник-сепаратор:
1 – корпус; 2 – патрубок ввода парожидкост-
ной смеси; 3 – отверстие; 4 – патрубок слива
жидкого неона; 5 – патрубок отвода газооб-
разного неона; 6 – колонна; 7 – патрубок отво-
да жидкого неона; 8 – отбойники; 9 – отвер-
стие; 10 – расширительная часть колонны;
11 – патрубок выравнивания давления
Дросселирование прямого потока неона начина-
ется после достижения 64 К непосредственно в
сборник жидкого неона без охлаждения основного
теплообменника (m = 53 кг). Основной теплообмен-
ник охлаждается обратным потоком неона. Это со-
кращает время запуска рефрижератора. В сборнике
неона установлен сепаратор, который предотвраща-
ет захват капель жидкого неона обратным потоком и
снижает влияние прямого потока на накопленный
жидкий неон, что повышает реальный коэффициент
ожижения холодильной машины. Предусмотрены
слив жидкого неона во внешнюю емкость и соеди-
нение линией с объектом охлаждения.
Рефрижератор работает с компрессором с рабо-
чим давлением 20 МПа и производительностью
240 м3/ч. Минимальные параметры компрессора для
эффективной работы данного рефрижератора
12…13 МПа и 100…120 м3/ч. В ожижительном ре-
жиме производительность составляет 58,3 дм3/ч при
расходе жидкого азота 2,3…30 дм3 на 1 дм3 жидкого
ISSN 1562-6016. ВАНТ. 2015. №6(100) 139
неона. В рефрижераторном режиме расход азота
сокращается более чем на 50% (в зависимости от
соотношения прямого и обратного потоков). Время
достижения режима ожижения 45 мин.
Рис. 3. Неоновый высоковакуумный
конденсационный насос ДУ-500.
1 – корпус насоса; 2 – откачивающий
элемент; 3 – боковой шевронный экран;
4 – нижний шевронный экран;
5 – верхняя азотная емкость;
6 – нижняя азотная емкость
В рефрижераторном режиме достигается холодо-
производительность 3 кВт на температурном уровне
28 К (при равенстве прямого и обратного потоков).
ПРИМЕНЕНИЕ НЕОНОВЫХ
ХОЛОДИЛЬНЫХ МАШИН
Рефрижератор разрабатывался для снабжения
жидким неоном криогенной системы откачки стен-
дов наземной отработки электрореактивных двига-
телей (ЭРД), где рабочим телом является ксенон, то
есть необходима откачка тяжелых высокоэнерге-
тичных частиц, что предполагает снятие больших
тепловых нагрузок с откачивающих поверхностей.
Для откачки стендов были сконструированы насосы
под стандартные вакуумные затворы ДУ-500 и ДУ-
900, общий вид которых показан на Рис. 3 и 4. Тех-
нические данные насосов приведены в таблице.
Рис. 4. Неоновый
высоковакуумный насос ДУ-900:
1– корпус насоса; 2 – откачивающий
элемент; 3 – жалюзийный экран;
4 – нижний азотный экран;
5 – адсорбент; 6 – перегородка;
7 – неоновая емкость; 8 – азотный
экран; 9 – азотная емкость
Технические данные насосов ДУ-500 и ДУ-900
Наименование
насоса
Расход
ксенона
через
источник,
мг/с
Основное
рабочее
давление,
Па
Площадь
откач.
пов-ти,
м2
Макс. масса
сконденси-
рованного
ксенона, кг
Расход
жидкого
неона в
насосе,
дм3/ч
Однора-
зовый
залив
неона
Общая
масса,
кг
Масса
откач.
элемента,
кг
ДУ-900
(НКВН-
50000)
6,2
9⋅10-3 1,4 22…23 0,4 40 700 130
ДУ-500
(НКВН-
15000)
2,0
9⋅10-3 0,2 ~3,8 0,08 35 110 28
Из приведенных данных видно, что для обеспе-
чения системы откачки требуется мощный рефри-
жератор. Испытания более мощных современных
ЭРД с расходами 25…100 мг/с ксенона потребовали
увеличить быстроту действия насосов. Резкое по-
вышение может обеспечить только размещение от-
качивающих элементов внутри откачиваемой баро-
камеры. При увеличении площади откачивающей
поверхности и внутреннем размещении криопанелей
увеличиваются требования к рефрижераторам и при
одновременной работе трех криопанелей использу-
ется практически вся мощность рефрижератора.
Эффективность неоновых рефрижераторов была
также показана [1 - 4] при работе с имитаторами кос-
мического пространства – газодинамическими уста-
новками. В установке V=6 дм3 с неоновыми криопа-
нелями площадью 4 м2 в импульсном режиме был
достигнут расход до 4 г/с при давлении 5⋅10-2 Па.
Использование жидкого неона будет эффективно при
охлаждении ВТСП, например, MgB2 (Ts ~ 40…42 K).
Либо при предварительном охлаждении сверхпро-
водящих объектов массой m ≥ 103
кг, так как из-
вестно, что более 95% отводимой теплоты прихо-
дится на диапазон 300…28 К. Аналогичная задача
была решена при охлаждении сверхпроводящей
магнитной системы плазменной установки – тор-
сатрона "Кристалл-2" (сверхпроводник Ni-Ti).
Неоновые ожижители использовались в различ-
ных установках с небольшой потребностью жидкого
неона от 0,1 до 5 дм3 в час.
ISSN 1562-6016. ВАНТ. 2015. №6(100) 140
ВЫВОДЫ
Разработан и изготовлен надежный, экономич-
ный неоновый рефрижератор производительностью
3 кВт на температурном уровне 28 К и производи-
тельностью жидкого неона в ожижительном режиме
58,3 дм3/ч.
Данная разработка может быть эффективно ис-
пользована при исследованиях свойств электроре-
активных двигателей, при использовании ВТСП в
магнитных системах плазменных ловушек и в дру-
гих плазменных исследованиях.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Б.П. Батраков, Ю.Н. Волков, В.А. Кравченко,
В.М. Леонов, В.Г. Фарафонов, С.Л. Чепель.
Криогенная неоновая газодинамическая установ-
ка // ВАНТ. Серия «Общая и ядерная физика».
1984, в. 1(26), с. 42-46.
2. Ю.Н. Волков, В.А.Кравченко. Откачка ксенона
конденсационными неоновыми насосами налив-
ного типа // Вакуумная техника и технология.
2006, т. 16, № 3, с. 183-186.
3. Ю.Н. Волков, В.А. Кравченко, Ю.Ф. Лонин.
Конденсация при больших тепловых и массовых
нагрузках на поверхности, охлаждаемые жидким
неоном // 6 Міжнародна науково-технічна кон-
ференція "Сучасні проблеми холодильної техніки і
технології". Одеса, 2009, с.130-131.
4. В.М. Мурашко, А.А. Нестеренко, В.И. Савенко и
др. Система неоновой криооткачки для отработ-
ки и эксплуатации ускорителей плазмы мощно-
стью до 10 кВт // 12 Всесоюзная конференция по
плазменным ускорителям и ионным инжекто-
рам (тезисы докладов). Харьков, 1989. с. 274-
275.
Статья поступила в редакцию 08.09.2015
THROTTLE REFRIGERATED PLASMA'S STUDIES
А.B. Batracov, Yu.N. Volkov, Yu.F. Lonin, А.G. Ponomarev
The paper described a reliable, economical neon refrigeration capacity of 3 kW temperature of 28 K and liquid
neon performance in liquefying mode 58.3 dm3/h. Given the field of plasma research, where this development is
most effective.
ДРОСЕЛЬНИЙ РЕФРИЖЕРАТОР ДЛЯ ПЛАЗМОВИХ ДОСЛІДЖЕНЬ
О.Б. Батраков, Ю.М. Волков, Ю.Ф. Лонін, А.Г. Пономарьов
Описаний надійний, економічний неоновий рефрижератор продуктивністю 3 кВт на температурному рі-
вні 28 К і продуктивністю рідкого неону у зріджуваному режимі 58,3 дм3/год. Наводяться області плазмових
досліджень, де дана розробка найбільш ефективна.
Библиографический список
|