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CGSE中液位指示稳定的低温沸腾换热器的设计点击：1898 日期：[ 2014-04-26 22:21:33 ] |
| CGSE中液位指示稳定的低温沸腾换热器的设计 陈树军,汪荣顺,石玉美(上海交通大学制冷和低温工程研究所,上海200240) 摘要:低温地面支持设备系统CGSE是用于冷却第二代阿尔法磁谱仪AMS02的磁体组件并将超流氦注入AMS02磁体杜瓦的低温设备系统。介绍用于CGSE系统中液位指示稳定的补液式低温沸腾换热器,介绍了换热器的技术特性、设计原理、结构特征和技术要求。该低温沸腾换热器的结构特征主要在于两个筒体的使用,其中加注液体及装液位计的稳定筒与沸腾的换热筒是分开的,通过封头连通,减小了沸腾引起的液位计信号波动。另外的一个结构特征是汇气管的使用,降低了气流对液位的冲击。最终实现了液位指示稳定,提高了低温沸腾换热器的换热性能,具有显著的经济效益和社会效益。 关键词:AMS02;CGSE;低温沸腾换热器;结构设计 1 引言 阿尔法磁谱仪(AlphaMagneticSpectrometer,简称AMS)是由诺贝尔奖获得者丁肇中教授领导的大型国际合作研究项目,将是人类送入宇宙空间的第一个大型磁谱仪。它的主要目标是在离地球表面高达430km处的地球大气外层空间中精确测量高能宇宙线的能谱、寻找反物质以及暗物质,测定宇宙射线中各元素和同位素的含量,研究γ射线以及捕捉新的奇异物理现象。 1998年6月,AMS01随发现号航天飞机STS-91在320km～390km的太空中试飞行了10天。AMS01中所使用的是永久磁体Nd2Fe14B,它可以产生非常均匀的0.15T的磁场强度。而AMS02将安装在国际空间站(ISS)中,计划以超导状态工作3年以上。AMS02中所能产生的磁场强度是AMS01中所能产生的磁场强度的6倍。如此高的磁场强度是通过超流氦冷却超导磁体系统而得到的[1-3]。 AMS02中最关键的部件是超导磁体。由上海交通大学参与合作设计并独立制造的低温地面支持设备(CGSE)系统是在发射前对超导磁体完成冷却、测试和超流氦加注的重要系统,该系统所用的换热器之一就是液位指示稳定的补液式低温沸腾换热器。在整个研究过程中,CGSE将参与磁体在英国、欧洲原子核研究中心(CERN)、欧洲空间局和美国肯尼迪航天中心KSC的联合调试,最后在发射前,在KSC的航天飞机发射平台上对AMS02补满超流氦。 本文将介绍CGSE中液位指示稳定的补液式低温沸腾换热器的技术特性、设计原理、结构特征和技术要求。 2 液位指示稳定的补液式低温沸腾换热器的技术特性 该换热器是盘管式,其材质是0Cr18Ni9,它的支撑方式是通过换热器外筒体用玻璃钢管悬吊在恒温器的上封头。换热管的直径是D25×2mm,管子数量是1根。换热器由二个容器组成,筒体内径都是Φ350,其体积分别为65升和67升,且两个筒体的直边长分别为580mm和560mm,二个容器顶部高度差98mm。加注液体及装液位计的稳定筒与沸腾的换热筒是分开的,通过封头连通。高低二容器的气体引出均在上封头的顶部,进入封头内高度小于5mm。盘管的圈数需要不少于18,安装在65升的容器底部3/4的高度内,盘管的直径为Φ300。高真空多层包扎要求:该低温沸腾换热器的绝热结构采用双面镀铝涤纶薄膜或铝箔与隔热纸一一间隔组合而成,二个容器联合包40层。其技术特性如表1所示[4]。 3 液位指示稳定的补液式低温沸腾换热器的设计原理 低温换热器作为低温设备的主要组成部分,其性能直接影响到低温设备的经济指标、安全可靠与发展前途[5]。在低温下,冷量的价值随温度水平的降低而提高,因此必须使冷量损失减到尽可能小的程度。低温下的沸腾多在小温差下进行,沸腾会使液面发生剧烈的波动,这样会给液位计的显示值带来一定的偏差,从而影响换热器的换热性能,达不到工程实际所需要的换热量。 该换热器的设计突破传统的观点,将它一分为二。即传统的低温沸腾换热是在一个容器中进行的,本设计使用了两个容器,一个是换热筒,另一个是稳定筒,通过气相连通管、液相连通管和连接板相互连接在一起,减小了沸腾引起的信号波动。换热筒中生成的气体通过气相连通管进入稳定筒内,为了使换热筒中的生成的气体尽可能多地流向稳定筒,换热筒中气体引出管进入封头内的高度小于5mm。进入稳定筒的气体可能会夹带少量的液滴,为了有效地防止液体的损失,设计的稳定筒的直筒段长580mm,换热筒的直筒段长560mm,而且两个容器顶部的高度差为98mm,这样的布置使得稳定筒中的气腔高度增高,减少了过量的加注液体。在稳定筒内,进入稳定筒的气体会对液面产生冲击力。为了降低气流对液位的冲击,换热筒的气体引出管进入稳定筒的容器时必须进入封头内60mm～70mm,并沿水平方向喷出。为此,在稳定筒的上部设置了圆环形的汇气管,并且在汇气管内侧均匀开有若干小孔,使气体沿水平方向喷出。汇气管的作用一是使气流均匀,二是起到气液静止分离器的效果,降低气流对液位的冲击,使液位指示稳定。为了减小加注的低温液体对稳定筒液面的冲击,补液管从稳定筒上封头的液体入口插入到稳定筒底部。为了使稳定筒中的气体尽可能多地流向容器外,稳定筒中气体引出管进入封头内的高度小于5mm。 为了减小漏热,该低温沸腾换热器的绝热结构采用双面镀铝涤纶薄膜或铝箔与隔热纸一一间隔组合而成。考虑到恒温器的复温,需要增大低温沸腾换热器的传热量,所以,盘管的圈数需要不少于18,位于换热筒的3/4高度内,盘管的直径为Φ300。 4 结构特征及说明 4.1 结构特征 下面结合图对低温沸腾换热器作进一步描述,如图1、2和3所示。该低温沸腾换热器包括稳定筒、换热筒、四根轴向支撑、两根径向支撑、连接板、气相连通管、液相连通管、差压式液位计、换热盘管、补液管和汇气管。其中换热筒是由换热筒上封头、下封头和筒体相互焊接而成,稳定筒是由稳定筒上封头、下封头和筒体相互焊接而成。换热筒和稳定筒通过气相连通管、液相连通管和两块连接板相互连接在一起,四根轴向支撑分别对称固定在与稳定筒筒体和换热筒筒体上部外侧,两根径向支撑分别固定在与稳定筒筒体和换热筒筒体中部外侧相对应的位置上。稳定筒上封头中部开有稳定筒排气口,两侧分别开有稳定筒液体入口和稳定筒进气口;稳定筒下封头中部开有稳定筒液体出口。换热筒上封头中部开有换热筒出气口;换热筒下封头中部开有换热筒液体入口,两侧分别开有换热盘管入口和出口。液相连通管的两端分别与换热筒液体入口和稳定筒液体出口相连;气相连通管的一端与换热筒出气口相连,另一端穿过稳定筒进气口与汇气管相连,汇气管是一圆环形的管子,水平置放在稳定筒上部,圆环形汇气管的内侧均匀开有若干小孔。换热盘管两端分别与换热筒的换热盘管入口和出口相连。补液管从稳定筒液体入口插入稳定筒底部。 图1 低温沸腾换热器外形结构主示意图 Fig.1Theobversesketchmapofexternalstructureofcryogenicboilingheatexchanger 该低温沸腾换热器的结构特征主要在于两个筒体的使用,其中加注液体及装液位计的稳定筒与沸腾的换热筒是分开的,通过封头连通,减小了沸腾引起的液位计信号波动。稳定筒顶部和换热筒顶部有一定的高度差,这样的布置使得稳定筒中的气腔高度增高,减少过量的加注液体,换热筒中气体发生夹带液滴的话,在稳定筒内起到气液分离器的作用,有效防止了液体的损失。另外的一个结构特征是汇气管的使用,降低了气流对液位的冲击。最终实现了液位指示稳定。 为了减小系统漏热,该低温沸腾换热器的轴向支撑和径向支撑均采用玻璃钢材料。除了轴向支撑和径向支撑外,所有部件材料都采用0Cr18Ni9不锈钢。 图2 低温沸腾换热器外形结构左侧示意图 Fig.2 Theleft-handsketchmapofexternalstructureofcryogen icboilingheatexchanger j 图3 低温沸腾换热器内部结构示意图Fig.3 Thesketchmapofinternalstructureofcryogenicboilingheatexchanger 图中:1是轴向支撑;2是补液管;3是稳定筒液体入口;4是稳定筒上封头;5是稳定筒筒体;6是差压式液位计;7是径向支撑;8是连接板;9是稳定筒下封头;10是稳定筒液体出口;11是液相连通管;12是换热筒液体入口;13是换热筒下封头;14是换热筒筒体;15是换热筒上封头;16是稳定筒进气口;17是气相连通管;18是换热盘管入口;19是换热盘管出口;20是稳定筒排气口;21是汇气管;22是换热盘管;23换热筒出气口。 4.2 液位指示稳定的补液式低温沸腾换热器技术要求 1)该换热器按GB150-1998《钢制压力容器》及《压力容器安全技术监察规程》进行制造检验及验收; 2)制造筒体、封头用的0Cr18Ni9钢板应符合GB4237-1992《不锈钢热轧钢板》的规定,制造壳体的钢板在投用前应按《压力容器安全技术监察规程》第25条的复验要求复验完毕。设备所用的0Cr18Ni9钢管,执行GB-14976-2002《流体输送用不锈钢无缝钢管》的规定,设备所用0Cr18Ni9钢棒执行GB1220-1992《不锈钢棒》标准; 3)该换热器中所有A、B类焊接接头应进行100%射线检测,达到JB4730-1994《压力容器无损检测》的Ⅱ级,射线透照质量不低于AB级。不能进行射线检测的B类焊接接头和其余受控D类焊接接头均应进行表面渗透检查,要求达到JB4730-1994《压力容器无损检测》的Ⅰ级; 4)所有不锈钢材料0Cr18Ni9之间的焊接均选用A002焊条,当采用手工钨极氩弧焊及埋弧焊时,选用H002Cr21Ni10焊丝; 5)所有受控单面焊双面成型对接接头及组合接头必须保证全焊透。焊接坡口的成形建议采用机械的方法进行。焊接操作要严格按照焊接工艺指定书进行,在焊接接头集中处应有正确的防止变形措施; 6)未注角焊缝角高等于两相焊件中较薄件的厚度,且为连续焊; 7)换热盘管制作完成后,应先做气密性试验,试验介质为高纯氦气,气密性试验合格后作氦质谱检漏合格指标按特性表。换热器制造完成后壳程作气密性试验,试验合格后作氦质谱检漏合格指标按特性表。 4.3 液位指示稳定的补液式低温沸腾换热器组焊过程 1)将换热筒筒体与换热筒下封头进行组焊,去渣; 2)将汇气管、气相连通管与稳定筒上封头进行组焊,然后将稳定筒筒体与稳定筒上封头进行组焊,去渣。对两道环焊缝进行100%射线检测,Ⅱ级合格; 3)将换热盘管套入换热筒筒体内,对换热盘管和换热盘管出入口进行组焊。然后组焊换热筒上封头,去渣; 4)按图尺寸将补液管与稳定筒上封头进行组焊,然后将稳定筒筒体与稳定筒下封头进行组焊,去渣。对最后两道环焊缝进行100%射线检测,Ⅱ级合格;5)按图尺寸将液相连通管、气相连通管与稳定筒和换热筒进行组焊,整体成形;6)按图尺寸安装差压式液位计和连接板。对液位计与稳定筒形成的焊缝进行100%渗透检测,Ⅰ级合格。 5 结论 本文介绍了第二代阿尔发磁谱仪AMS02低温地面支持设备系统CGSE中的液位指示稳定的补液式低温沸腾换热器的技术特性、设计原理、结构特征和技术要求。 该低温沸腾换热器的结构特征主要在于两个筒体的使用,其中加注液体及装液位计的稳定筒与沸腾的换热筒是分开的,通过封头连通,减小了沸腾引起的液位计信号波动。稳定筒顶部和换热筒顶部有一定的高度差,这样的布置使得稳定筒中的气腔高度增高,减少过量的加注液体,换热筒中气体发生夹带液滴的话,在稳定筒内起到气液分离器的作用,有效防止了液体的损失。另外的一个结构特征是汇气管的使用,降低了气流对液位的冲击。最终实现了液位指示稳定,提高了低温沸腾换热器的换热性能。 |
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