Оборудование гелиевого ожижителя Г-45

4. КРИОБЛОК УСТАНОВКИ

4.1. Компоновка криоблока

Технико-экономические показатели криогенных установок определяются многими факторами - принципиальной схемой, выбранными значениями варьируемых параметров криоагента, КПД используемых машин и рядом других. Важное место среди них занимает также компоновка низкотемпературного оборудования в криоблоке. По условиям монтажа и эксплуатации криогенное оборудование может быть размещено как в одном, так и в нескольких «холодных» блоках. В установке Г-45 применена одноблочная конструкция, при которой достигается хорошая компактность, невысокие в целом удельные значения теплопритоков, относительное удобство работы с оборудованием.

Криоблок представляет собой определенным образом смонтированное низкотемпературное оборудование, огражденное низкотемпературной изоляцией, выполненной в виде криостата. Схема криоблока представлена на рис.4.1 [5].

Рис. 4.1. Конструктивная схема криоблока установки Г-45: 1 – патрубок для вакумирования внутреннего объема криостата; 2 – патрубок вывода гелия обратного потока; 3 – сливной вентиль; 4 – вентиль для заливки азота в ванну; 5 – крышка криоблока; 6 – тяга для крепления поперечноточных витых теплообменников; 7 – тяга для крепления азотной ванны; 8 – теплообменник азотный (по схеме рис. 2.1); 9 – теплообменник I (по схеме 2.1); 10 – коллектор после теплообменников азотного и I; 11 – азотная ванна; 12 – коллектор перед теплообменником II (по схеме 2.1); 13 – трубка ввода гелия в детандер; 14 – криотрубопровод для слива жидкого гелия; 15 – коллектор после теплообменника II (по рис. 2.1); 16 – тяга крепления сборника жидкого гелия; 17 – теплообменник III (по схеме рис. 2.1); 18 – теплообменник IV (по рис. 2.1); 19 – сборник жидкого гелия; 20 – криостат; 21 – трубка вывода гелия из детандера; 22 – дроссельный вентиль; 23 – трубка забора обратного потока гелия из сборника жидкого гелия; 24 – ввод в обратный поток утечек гелия из сборника жидкого гелия; 24 – ввод в обратный поток утечек гелия из детандера; 25 – детандер; 26 – теплообменник II (по рис. 2.1); 27 – паромасляный высоковакуумный насос; 28 – форвакуумный насос; 28 – форвакуумный насос; 29 – тормозной генератор; 30 – фланец криостата; 31 – ввод гелия прямого потока; 32 – вывод паров азота; 33 – привод детандера.

Все низкотемпературные аппараты и машины внутри криоблока размещены последовательно (сверху вниз) по мере снижения рабочей температуры прямого потока криоагента, проходящего по ним. Такое расположение позволяет максимально снизить вредные теплопритоки внутри криоблока между отдельными его частями, находящимися при различной температуре. Этой же цели служит вакуумирование внутреннего объема криоблока до 1·10^-1-1·10^-2 тор. Последовательное расположение аппаратуры в криоблоке позволяет также свести до минимума число конструктивных и технологических связей между элементами, находящимися при различной температуре. Основным несущим элементом криоблока служит его крышка 5. К ней крепится "гирлянда" теплообменников в расположенных последовательно по мере снижения рабочей температуры, расширительные устройства (детандер 25 и дроссель 22)* криотрубопроводы 3 для слива жидкого гелия, криостат 20. Рабочая часть расширительных устройств удалена от места крепления к крышке на такое расстояние, чтобы температура криоагента на входе в расширительные устройства соответствовала температуре близко расположенных поверхностей аппаратуры.

При криотемпературах, как известно, существенно уменьшается пластичность материалов, особенно эластичных, используемых в качестве прокладок. Поэтому любое разъемное соединение внутри криоблока может привести к нарушению герметичности системы и, следовательно, к выходу её из строя. Чтобы повысить надежность работы криогенных установок, соединения, работающие при криотемпературах, выполняют, как правило, неразъемными. В установке Г-45 все аппараты соединяются трубопроводами на пайке припоями ПОС и ПСр.

При компоновке криоблока важное значение имеет также правильный выбор соотношения его диаметра d и высоты h при известном объеме низкотемпературного оборудования. Принимать отношение d/h, исходя из минимизации суммарной величины теплопритока нельзя, так как теплоприток компенсируется на нескольких температурных уровнях**, а следовательно, отдельные его составные части по-разному влияют на эффективность установки в целом. Критерием в данном случае должны служить потери эксергии вследствие теплопритоков из окружающей среды. Характер зависимости величины этих потерь от теплопритоков при различном соотношении d/h и постоянном объеме криоблока показан на рис. 4.2 [6]. Минимум потерь эксергии для гелиевых установок малой и средней производительности [6] соответствует отношению d/h = 0.2 - 0.3. Криоблок рассматриваемой установки Г-45 имеет соотношение d/h = 0,25 (d = 550 мм; h = 2200 мм). Ниже рассматривается специфика конструкций отдельных элементов криоблока установки Г-45: теплообменных аппаратов, расширительных устройств, сборника жидкого гелия, криотрубопровода для слива жидкого гелия, криостата.

Рис. 4.2. Характер зависимости потерь эксергии от теплопритоков при различном отношении d/h.

* На рис. 4.1. дроссель показан условным обозначением, применяемым для схем. Практически дроссель устанавливается в криоблоке и крепится к крышке фланцем аналогично детандеру.
** Напомним, что в установке Г-45 компенсация теплопритоков осуществляется на трех уровнях: 65K - азотом, кипящим под вакуумом; 10-15K - холодом, вырабатываемом детандером; 4,5K - гелием в сборнике жидкости.

Следующая страница: 4.2. Теплообменные аппараты