（制冷及低温工程专业论文）用于实现超高真空2k超流氦制冷系统研究.pdf

国内图书分类号： tb66 学校代码： 10213 国际图书分类号：621.51.514 密级：公开 硕士硕士学学位论文位论文 用于实现超高真空 2k 超流氦制冷系统研究 硕 士 研 究 生 ： 吴宗霖 导 师 ： 陈安斌副教授 申请学位 ： 工学硕士 学科 ： 制冷及低温工程 所 在 单 位 ： 能源科学与工程学院 答 辩 日 期 ： 2012 年 7 月 授予学位单位 ： 哈尔滨工业大学 classified index: tb66 u.d.c: 621.51.514 dissertation for the master degree in engineering research on 2k superfluid helium refrigeration system for realizing ultrahigh vacuum candidate： wu zonglin supervisor： associate prof. chen anbin academic degree applied for： master of engineering speciality： refrigeration and cryogenic engineering affiliation： school of energy science and engineering date of defence： july, 2012 degree-conferring-institution： harbin institute of technology 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 -i- 摘 要 本文针对用于实现超高真空的 2k 超流氦制冷系统，围绕低温系统的热力循环 方案选择、热力性能优化和主要设备的结构设计及优化展开了理论研究工作。 本文给出了 hei 的物性计算方法，绘制了超流氦的热力性质曲线，并对相关 曲线拟合了计算公式， 为 2k 超流氦低温系统的流程模拟计算和负压换热器的设计 计算提供了物性依据。 本文给出了用于超高真空的 2k 超流氦制冷系统热负荷的计算方法，确定了 2k 超流氦制冷系统热负荷。提出了用于实现超高真空的 2k 超流氦低温系统的四 种饱和超流氦流程，并应用 aspen hysys 软件对其进行了数值模拟，给出了系统 中温度、压力、流量等主要热力参数。通过对四种流程的模拟结果进行分析比较， 确定本课题 2k 超流氦制冷系统的流程。 本文针对超流氦低温系统中高压氦低温过冷器的结构进行了优化设计，在给 定的工质入口参数和出口参数条件下，给出了不同管径的过冷器所需要的长度， 同时给出了壁温随着过冷器长度变化的趋势，初步确定了高压氦低温过冷器结构 尺寸。 本文根据超流氦负压换热器的设计要求，选用了汉普森型换热器。确定了超流 氦负压换热器汉普森型光管绕管和翅片绕管两种型式的设计方法，在相同的热力 参数下分别对这两种型式的换热器进行了结构参数的设计。通过对各参数进行计 算比较，建议超流氦负压换热器采用汉普森型管翅式换热器。 关键词：超流氦；流程模拟；负压换热器；低温冷凝 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 -ii- abstract this article studies the design and the related research of the 2k superfluid helium refrigeration system for realizing the ultrahigh vacuum. this paper studies around the thermal cycle scheme, thermal performance optimization and major equipmemt design and optimization of the cryogenic system. this article introduces the physical properties of the helium-i, makes the thermal properties of the curve and the relevant curve fitting of the computational formular and provides property basis for 2k superfluid helium cryogenic system process simulation calculation and the negative pressure heat exchanger design calculation. this article provides the calculation method of 2k superfluid cryogenic system heat load and confirms the 2k superfluid cryogenic system heat load. this paper puts forward the four saturation of superfluid helium cryogenic system process for realizing the ultrahigh vacuum. applying the aspen hysys software to make the numerical simulation, this paper provides the major thermal parameters such as temperature, pressure and mass flow. analyzing and comparing the simulation results of the four processes , this paper confirms the 2k superfluid helium cryogenic system process of this paper. this article applies drawing the 2k superfluid helium refrigeration system flow chart. by counterbalancing the mass balance and the enthalpy balance of each module in the flow process chart, make simulations and confirm the streams of the physical state parameters and the physical properties, thus drawing the 2k superfluid helium refrigeration system temperature-entropy graph and the heat exchangers heat flow with temperature graph. this article makes the optimization design of the high pressure helium subcooler structure in the superfluid helium cryogenic system. in the condition of the given working medium entrance parameters and export parameters, this article studies the length of the different diameter parameters and provides the tendency of the wall temperature with the subcooler length. this article preliminarily determines the high pressure helium subcooler structure size. this article chooses the hampson heat exchanger according to the design requirements of the superfluid helium negative heat exchanger. this article confirms the two types of the hampson smooth pipe heat exchanger and the hampson finned tube heat exchanger design method and makes the structural parameters design of the two kinds of hampson heat exchangers. through calculation and comparison of the parameters, this article makes the proposal of applying the hampson finned tube heat 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 -iii- exchanger as the superfluid helium negative pressure heat exchanger. keywords：superfluid helium，flow process simulation，negative pressure heat exchanger，cryogenic condensation 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 -iv- 目 录 摘 要 . i abstract . ii 第 1 章 绪 论 . 1 1.1 课题背景及研究的目的和意义 . 1 1.2 超流氦的应用 . 1 1.3 超流氦的冷却方式及设备组成 . 4 1.4 国外超流氦低温系统的研究现状 . 5 1.5 国内超流氦低温系统的研究现状 . 10 1.6 本文的主要研究内容 . 11 第 2 章 超流氦的热物理性质 . 12 2.1 氦元素的物理性质 . 12 2.2 氦 i 物性计算方法 . 13 2.3 超流氦的物理性质 . 15 2.4 本章小结 . 16 第 3 章 2k 超流氦制冷系统流程数值模拟 . 17 3.1 超流氦制冷系统热负荷的计算方法 . 17 3.1.1 低温冷凝板的辐射热负荷 . 17 3.1.2 被抽气体冷凝热负荷 . 18 3.1.3 固体支撑构件热负荷 . 18 3.1.4 制冷系统传输管线的漏热 . 18 3.2 2k 超流氦制冷循环流程优化及模拟 . 19 3.2.1 热力循环方案 . 19 3.2.2 数值模拟模型的建立 . 20 3.2.3 数值模拟结果及分析 . 25 3.3 2k 超流氦低温系统热力设计 . 34 3.3.1 2k 超流氦系统主要热力参数 . 34 3.3.2 2k 超流氦制冷循环各模块分析 . 34 3.4 本章小结 . 36 第 4 章 高压氦低温过冷器的设计. 37 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 -v- 4.1 高压氦低温过冷器工作过程 . 37 4.2 设计计算方法 . 38 4.3 计算结果及分析 . 39 4.4 本章小结 . 40 第 5 章 超流氦负压换热器设计 . 41 5.1 超流氦负压换热器流动传热特性 . 41 5.2 汉普森型光管式换热器的设计 . 41 5.2.1 汉普森型光管式换热器结构 . 41 5.2.2 汉普森型光管式换热器的传热计算方法 . 42 5.2.3 汉普森型光管式换热器计算结果及分析 . 45 5.3 汉普森型管翅式换热器的设计 . 47 5.3.1 汉普森型管翅式换热器结构 . 47 5.3.2 汉普森型光管式换热器的传热计算方法 . 48 5.3.3 汉普森型管翅式换热器计算结果及分析 . 49 5.4 本章小结 . 51 结 论 . 52 参考文献 . 53 附录一 . 56 攻读硕士学位期间发表的学术论文 . 57 哈尔滨工业大学学位论文原创性声明及使用授权说明 . 58 致 谢 . 59 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 -1- 第 1 章 绪 论 1.1 课题背景及研究的目的和意义 本课题主要来源于哈尔滨工业大学低温与超导技术研究所的预研项目“空间 低温真空环境的构建技术” 。 空间低温环境的构建，不仅可以为微小型航天器、深空探测、等离子体发动 机等航空航天设备提供地面模拟实验环境，同时也可以为空间物理、化学、生命 科学、空间材料的研究提供可靠保障。空间低温真空环境的构建是指利用低温冷 却系统在空间环境模拟设备中创造出低温、高真空的环境，为各种航空航天设备 提供地面模拟环境。低温系统中热沉是空间环境模拟设备的核心装置，其主要功 能是模拟实际空间的冷黑和分子沉环境。热沉的温度根据用户的需要可以是 80-100k，也可以小于 20k。一般条件下，80-100k 的热沉由液氮系统提供冷源， 而小于 20k 的热沉由氦制冷系统提供冷源。 为实现超高真空的空间环境，可以采用低温吸附的方式，将低温冷凝板冷却 到相当低的温度，从而将环境中的气体冷凝吸附。当冷凝板的温度足够低时，如 低于 2k，则环境中的大部分气体均凝结在低温板上，从而实现超高真空的环境。 这种实现高真空的低温泵系统，也是由氦低温系统提供冷源的。因此，氦低温冷 却系统是空间环境模拟设备中非常关键的基础设备。 本课题采用 2k 超流氦制冷系统进行低温吸附来实现超高真空，研究 2k 超流 氦制冷系统的流程及关键设备，对空间低温环境的构建具有重要的理论意义和应 用价值。 1.2 超流氦的应用 超流氦低温制冷机在航天学探测及天文学观测、量子物理学及低温超导电机 等方面有广泛的应用。如在航天学探测及天文学观测方面，有空间红外天文卫星 和红外望远镜等；在量子物理学的研究过程中，需要应用超流氦制冷系统来实现 一个实验环境1； 在高能粒子加速器中， 需要超流氦制冷系统实现超高真空的要求， 如近期位于瑞士日内瓦的欧洲核子研究中心 cern（european organisation for nuclear reasearch）的大型强子对撞机 lhc（large hadron collider）就是应用超流 氦实现其低温真空的要求；另外，用以冷却低温超导电机中的超导磁体的超流氦 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 -2- 制冷系统，对保障超导电机的安全运转有重要的作用。 超流氦的导热系数极高，液体内部的温度分布非常均匀。从 1975 年开始科学 家就利用超流氦来冷却空间探测的器件。在红外天文学研究和宇宙射线探测卫星 等方面，已广泛地应用了超流氦制冷技术。表 1-1 所示为超流氦制冷在空间飞行任 务上的应用，图 1-1 所示为 xrs 的超流氦冷却系统。 表 1-1 应用超流氦制冷的空间飞行任务（*为利用超流氦直接冷却）2 飞行任务 杜瓦内温度（k） 发射时间 寿命 热负荷 （mw） 备注 spacelab2 cobe iso irts sirtf gpb xrs 1.98 1.4 1.906 1.91 1.4 1.8 1.5 1985 1989 1995 1995 2003 90 年代后期 2000 8 天 1.2 年 30 个月 32 天 5 年 16.5 月 2 年 350 22.4 100 80 60 125.7 783.64 * * * heiii 制冷机 adr hei 保护 adr+sne 保 护 图 1-1 xrs 超流氦冷却系统图2 应用超流氦制冷的空间探测器及空间望远镜的使用寿命决定于携带的超流氦 量、超流氦蒸发的速率及其再提供的性能3。如图 1-2 所示，iso、iras、irts 和 sirtf 都用储存液氦的方式来冷却红外光学系统4。如图 1-3 所示为 sirtf 的 结构原理图5。 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 -3- 图 1-2 储存（液体氦）式制冷流程的示意图 图 1-3 sirtf 的结构原理图 氦制冷系统中的 heii 储存于杜瓦中，在杜瓦里放置隔板减轻其内液氦的摇荡 从而使宇宙飞行器在太空中稳定航行6。 在红外卫星的望远镜和红外探测器所需的 低温环境中都应用超流氦进行制冷，所携带的超流氦量约为 400l 至 2200l7。在 太空的微重力环境中，很难确定容器内气体和液体的弯曲的分界面，使得补充工 质、测量工质的质量及运送工质较为艰难8。量子扰动超导探测器 squid （superconducting quantum interference device）的工作条件为 1-8k 的极低温来保 证 2k 下 squid 对微磁场约 10-11t 的测量精度9。 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 -4- 1.3 超流氦的冷却方式及设备组成 根据目前世界上正在建造或已经运行的超流氦冷却装置可以看出，超流氦冷 却介质主要有两种10：饱和超流氦冷却（工作温度通常为 2k）或者过冷超流氦冷 却（工作温度通常为 1.8-1.9k） ，示意图如图 1-4 所示。饱和超流氦冷却时，过冷 液氦经过节流阀后，成为饱和超流氦，直接注入低温恒温器中进行冷却，氦气通 过抽气管道回收，与过冷液氦进行热交换。此换热过程可以降低节流前温度，提 高节流效率。过冷超流氦冷却时，过冷液氦经过节流阀，得到饱和超流氦后，不 直接注入低温设备，而是通过换热器与低温恒温器中的过冷超流氦进行热交换， 饱和超流氦变成氦气，由抽气管道回收，与过冷液氦交换热量。其作用同饱和超 流氦冷却方式中的换热器相同。 图 1-4 超流氦冷却方式（a 饱和态超流氦；b 过冷态超流氦） 饱和超流氦冷却要求在 3kpa 以下进行操作。在此压力下，氦气的绝缘性能较 差。为防止电衰减，这种冷却方式只能用于在任何运行状态下都维持大约 100v 电 压的设备。此外，由于介质压力低于大气压力，液氦冷却的超导设备容易漏入空 气。 表 1-2 超流氦冷却方式的比较 饱和超流氦冷却 过冷超流氦冷却 预防空气泄漏 降温时间预算 绝缘性能 抽气时间 瞬时焓裕量 技术简洁性 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 -5- 由过冷超流氦冷却的设备可以工作在千伏范围的电压梯度下。由于介质压力 高于大气压，可以有效防止空气泄漏。需要一个液-液换热器来引入附加换热温差， 但这些换热器中的饱和液体和设备端所需的液体相比非常少。这一点使得饱和液 体在缩短抽气时间方面处于劣势。过冷超流氦也为能量缓冲设备提供了更大的焓 裕量。两种冷却方式的优缺点如表 1-2 所示（表示缺点，表示优点） 。 超流氦低温冷却循环根据不同的冷却循环组合方式，低温系统主要包括：压 缩机、4.2k 冷箱、室温泵、低温换热器、负压换热器、节流阀、冷压缩机和加热 器等设备。根据不同的超流氦热力循环方案，压缩机系统可由冷泵、常温压缩机 或二者混合构成。与 4.2k 低温系统相比，对于超流氦系统，泵系统的构成、超流 氦负压换热器和超流氦低温传输管线为关键设备，是影响制冷机效率、减少总热 负荷的重要因素。 1.4 国外超流氦低温系统的研究现状 欧洲核子研究中心 cern 的大型强子对撞机 lhc（large hadron collider） 、 国际热核聚变实验堆 iter（international thermonuclear experimental reactor） 、超 导超级对撞机 ssc（superconducting super collider） 、电子对撞机 lep（large electron positron） 、电子加速器 tesla 和大型螺旋装置 lhd 等装置都需 4k 下几 千瓦至几十千瓦的制冷量及较高的可靠度。 图 1-5 tore supra 流程图 1977 年，在欧洲原子能共同体的“溶解计划”中，首次提出将 1.8k 超流氦作 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 -6- 为一种制冷剂应用于超导设备的基本思想。这种思想可以实现大气压力下非强制 流的高效冷却，同时还将导体工作磁场提高到 9t。1981 年，tore supra（ts）项 目作为优先支持项目开始进行。tore supra（ts）是第一个应用 1.8k 低温系统的 物理设备，因此证明了这种理论的技术可行性。该项目于 1987 年完工，第一次低 温试车圆满完成11。它是世界同类系统中最大的设备，并采用很多突破性的技术。 它的主要特点包括：低温下对氦气的压缩、操作模式多样化、完整的自动控制系 统等。系统在 4.5t 的螺旋管形磁场下运行，等离子体轴线由 18 个 nbti 超导线圈 围绕而成，每个线圈由两个圆饼形状组合而成，圆饼应用绝缘螺栓隔离。整个线 圈由薄壁箱围起，周围充满 1.8k、1.2bar 的超流氦液体。在其侧有由绝缘支撑装 置隔离的厚壁不锈钢箱，该箱体温度约为 4.5k，用以为集成设备提供必要机械硬 度，并承受超导磁场。整个系统要求维持在 1.8k 的超流氦液体质量为 50 000kg， 4.5k 部分重约 120 000kg，在螺线管周围有约 20 000kg 的液氮作为冷屏，要求达 到 80k 温度。图 1-5 为 ts 制冷流程示意图12。各个温度的制冷量需求分别为： 80k/11 000-32 000w；4k/970w；1.75k/320w。 图 1-6 cebaf 制冷模块 美国杰弗逊国家实验室的 cebaf（continuous electron beam accelerator facility）连续电子束加速设备项目首次将 2k 技术应用于超导腔冷却。cebaf 低 温系统包括三个制冷部分13，低温测试装置 ctf（cryogenic test facility） ，氦液 化核心系统 chl（central helium liquefier）和终端制冷设备 esr（end station refrigerator） 。chl 是 cebaf 的主要制冷系统，包括 2k/4.8kw 的制冷机和传输 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 -7- 管路系统（tl） ，同时提供 50k、12kw 的冷屏冷量，用以维持直线加速器腔体及 esr 所需的 10g/s 的液氦。cebaf 中应用冷压机，其入口温度为 3k，应用磁轴承 消除空气泄漏入负压氦气的隐患，避免氦气的二次纯化。制冷模块如图 1-6 所示。 2k 冷箱包括一个四级冷压机和一个负压换热器，用以将液氦温度由 4.5k 冷却至 2.3k。每一级冷压机都由可变频率的电动机驱动，电动机由液氮冷却。cebaf 采 用 2k 超流氦进行冷却11，制冷量达 2kw。 图 1-7 lhc 制冷流程 欧洲粒子物理实验室 cern141516（the european laboratory for particle physics）的 lhc（大型强子对撞机）项目，采用 1.8-1.9k 超流氦冷却系统。lhc 有八个制冷系统17，四个制冷系统已从 12kw 升级至 18kw，以满足 lhc 对制冷 的需要。系统由超导线圈围成的 26.7km 的圆环构成18，长度约为 54km，其中约 48km 的弧线与超导磁体处于相同温度。 lhc 低温系统满足八个制冷系统所需的冷 量，同时液氦从 4.5k 降温至 1.8k，由此制冷系统由冷压机和室温压缩机组成，应 用 1.8k 超流氦对超导设备进行浸泡冷却，制冷量为 2.4kw。lhc 的制冷流程示意 图如图 1-7 所示19。lhc 低温系统中制冷机的热荷较低，对于各种操作模式的适 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 -8- 应性较好。 图 1-8 ttf 第一步骤制冷系统 德国 desy 国家实验室的 tesla （tev superconducting linear accelerator） 项 目建造于1990年20。 它是一个32km长的电子/正电子对撞环， 中心能量为800gev。 tesla 包括铌壳超导腔， 由 2k 饱和超流氦进行浸泡冷却， 总冷量需求约为 30kw。 腔体以 12 个为一组，每组置于 16m-17m 长的恒温器内。恒温器中有冷屏21。测 试和合成超导腔的基础设备在 desy 实验室安装至 tesla 的测试系统 ttf （tesla test facility） 。ttf 项目建于 1997 年，分两步进行22：第一步制冷量为 1.8k/100w； 第二步制冷量上升至 1.8k/200w， 用来为 50m 长的直线加速器提供冷 量。第一步超流氦采用加热器复温；第二步采用负压换热器复温。这两步超流氦 的升压均采用冷泵和螺杆压缩机组合的方式实现。流程示意图分别如图 1-8 和 1-9 所示23。 1998 年，德国的 rossendorf 实验室为 elbe（electron linac of high brillionce and low emittance）加速器装置建造了一个 2k 系统。elbe 加速器是超导腔型的 电子直线加速器，设计的光束能量为 40mev24。这个制冷系统的主要特点为同时 采用冷压机和常温压机，以达到 1.6kpa 的饱和压力25。冷氦气通过一个两极压机 被压缩到 12kpa，加热至室温，然后由真空压缩机进一步压缩为 1.05bar。本制冷 系统所需冷量参数为：1.8k/200w（1.6 kpa，浸泡冷却） ；80k/200w（在液氮冷屏 中强制冷却） 。 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 -9- 图 1-9 ttf 第二步骤制冷系统 图 1-10 ilc 的主直线加速器的制冷系统流程图 图 1-10 所示为 ilc（international linear collider）国际直线对撞机的主直线加 速器的制冷系统流程图。10 个大型的 2k 制冷设备被预想用以冷却主直线加速器 和正负电子源。3 个较小的制冷设备主要在 4.5k 的温度下冷却阻尼环和正负电子 束传送系统组件26。 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 -10- 1.5 国内超流氦低温系统的研究现状 中国科学院合肥等离子体物理研究所采用引进的两套俄制氦制冷机 （4.5k/500w，单机氦液化能力为 140l/h）系统为超导托卡马克装置 ht-7u 改造 的低温系统27，系统流程简图如图 1-11 所示。ht-7u 核聚变项目的氦制冷系统包 括十个换热器、两个压缩机、泵、三个膨胀机、3.5k 的低温恒温器及使用液氮进 行预冷。通过膨胀机、节流阀和换热器实现氦制冷系统所需的低温28。 另外，阿尔法磁谱仪 ams（alpha magnetic spectrometer）的低温地面支持系 统（cryogenic ground support equipment）是由上海交通大学为 ams-02 国际合作 科学实验项目开发研究的地面支持和冷却系统，应用该系统使 ams-02 超导磁体 从室温冷却至 1.8k，主要的任务是获取超流氦29。 氦液化及制冷系统的换热器通常采用间壁式换热器，间壁式换热器不仅紧凑， 而且效率较高。一般情况下换热器热端的流体温差是：当热端 300k 时取 45k； 80k 时取 12k；715k 时取 0.10.3k。冷端不应该有负值温差，尤其是低温区。 通常热端在冷端之上，使气体对流增强，换热效率更大。中、大型氦液化制冷系 统大多采用有液氮预冷的膨胀机串联循环（即柯林斯型循环）30。 图 1-11 ht-7u 氦制冷循环流程简图28 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 -11- 1.6 本文的主要研究内容 本文拟解决的问题及主要研究内容如下： 针对用于实现超高真空的 2k 超流氦低温系统， 给出了超流氦低温流程中所用 的制冷工质氦的物性参数计算方法，以及超流氦物性随温度变化关系。 给出用于超高真空的 2k 低温系统热负荷的计算方法， 确定超流氦低温系统的 热负荷，作为超流氦低温系统热力循环的研究依据。 通过对国内外超流氦低温系统的研究现状分析和比较，模拟了四种低温系统 的热力循环方案，给出了系统中温度、压力、流量等主要热力参数，从而确定用 于实现超高真空 2k 低温系统的热力循环方案。 针对超流氦低温系统中高压氦低温过冷器，通过比较在给定的工质入口参数 和出口参数条件下，不同过冷器管径所需要的过冷器长度，初步确定了高压氦过 冷器结构设计参数。 对超流氦低温系统中的关键部件-负压低温换热器进行初步设计计算。在分析 了超流氦负压低温换热器设计特点的基础上，给出了超流氦低温换热器的传热设 计方法，分析比较影响低温换热器结构的因素，最终提出一套适用 2k 低温系统的 超流氦低温换热器结构参数。 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 -12- 第 2 章 超流氦的热物理性质 2.1 氦元素的物理性质 氦(he)共有 8 种同位素，从 he3到 he10，只有 he3及 he4较稳定，其他同位素 都有放射性31。氦是地球上的稀有资源，但是在宇宙中有很多氦，氦的质量占宇 宙总质量的 23%。地球上氦资源主要分布在美国、加拿大、非洲、英国、波兰、 前苏联、中国四川和澳大利亚32。 氦-4 在低温下具有两种不同的液体相：超流氦相(heii)和常流氦相(hei)，如图 2-1 氦-4 的相图所示。 图 2-1 氦-4 的相图31 氦-4 在 101325pa 下的沸点是 4.2221k。氦-4 的临界温度和压力分别为 5.195k 和 0.2275mpa，临界密度是 69.7kg/m3。he 没有三相点，它只能在 2.5mpa 以上的 压强下变成固体，一般根据从 hei 到超流氦即 heii 的转变定义为 点， 点温度 为 2.18k， 点压力为 5.04kpa， 点密度为 146.15kg/m3。本文 2k 超流氦低温系统 设计中，涉及到 hei 和 heii 两种相态及其物性，本章给出了 hei 和 heii 热物性计 算的方法和图表。 纯物质可以通过加压维持液态的最高温度称为该物质的临界温度。超过临界 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 -13- 温度时，不管压力多高，气体都不可能变成液体。临界压力指临界温度时的气态 物质液化所需要的最低压力。如图 2-233所示，超过临界温度和临界压力的流体为 超临界流体。超临界流体类似气体有可压缩性，类似液体有流动性。而氦的相图 中没有固态和气态的交界线，说明氦没有升华和凝华的过程。 图 2-2 相图和临界点 离地球最近的月球富含氦-3，约有 100 万吨至 500 万吨氦-3。氦-3 和氘发生核 聚变从而释放的大量能量可用以发电33。 2.2 氦 i 物性计算方法 氦的一些物理性质如液氦的导热系数 、汽化潜热 r 及熔点如表 2-1 至表 2-3 所示。 表 2-1 液氦的导热系数 温度(k) 2.3 2.4 2.6 2.8 3.0 3.5 4.0 4.2 导热系数 (10-3w/mk) 18.1 18.5 19.5 20.5 21.4 23.8 26.2 27.1 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 -14- 表 2-2 液氦的汽化潜热 r 温度(k) 2.2 2.4 2.6 2.8 3.0 3.2 3.4 3.6 3.8 汽化潜热 r(kj/kg) 22.8 23.1 23.3 23.6 23.7 23.6 23.5 23.2 22.7 温度(k) 4.0 4.2 4.4 4.6 4.8 5.0 5.1 5.15 5.18 汽化潜热 r(kj/kg) 21.9 20.9 19.7 18.0 15.6 12.0 8.99 6.70 4.00 表 2-3 固氦的熔点与压力的关系 熔点(k) 1.15 1.2 1.4 1.5 1.6 1.7 2.0 2.5 3.0 3.59 压力(mpa) 2.56 2.566 2.615 2.662 2.746 2.877 3.76 5.705 7.91 11.02 熔点(k) 4.0 4.23 5.0 10.0 12.2 15.5 20.0 25.0 30.0 40.0 压力(mpa) 13.02 14.23 18.95 68.75 81.06 118.55 176.3 250.3 332.1 520.8 在本文 2k 超流氦低温系统热力循环流程计算中， 冷却介质的物性计算对结果 的准确性起关键作用。通常采用的方法有两常数方程和多常数方程。虽然两常数 方程在某些情况下精度不如多常数方程，但它使用方便。应用工程中既可以节省 计算费用，又便于小容量的计算机计算。这里给出本文用到的半经验状态方程： srk（soave redlich kwong）方程34，其形式为： ( ) () rta t p vbv vb = + (2-1) 式中各参数如公式（2-2）-公式（2-6）所示： ( )( ) c a tat= (2-2) 22 0.42748 gc c c r t a p = (2-3) 0.08664 gc c r t b p = (2-4) 0.50.5 ( )1(1) r tmt= + (2-5) 2