Создание и исследование систем криообеспечения ускорителей со сверхпроводящими магнитами тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.01 ВАК РФ



ОБЪЕДИНЕННЫЙ ИНСТИТУТ ЯДЕРНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

8-94-409

На правах рукописи УДК 621.384.6:536.483

АГАПОВ Николай Николаевич

СОЗДАНИЕ И ИССЛЕДОВАНИЕ СИСТЕМ

КРИООБЕСПЕЧЕНИЯ УСКОРИТЕЛЕЙ СО СВЕРХПРОВОДЯЩИМИ МАГНИТАМИ

Специальность: 01.04.01 — техника эксперимента, физика приборов, автоматизация физических исследований

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Дубна 1994

Работа выполнена в Лаборатории высоких энергий Объединснно1 института ядерных исследований.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

доктор технических наук, профессор

доктор физико-математических наук, профессор

Алексей Михайлович Архаров

Виктор Михайлович Бродянский

Евгений Денисович Донец

Ведущее научно-исследовательское учреждение: Институт физики высоких энергий, г. Протвино

Защита диссертации состоится 19 года в

часов на заседании специализированного совета Д-047.01.02 при Лаб ратории высоких энергий Объединенного института ядерных исслед ваний по адресу:

141980, г. Дубна Московской области, ЛВЭ ОИЯИ

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ЛВЭ ОИЯИ

Автореферат разослан

Ученый секретарь ~ .

специализированного совета лМ&Ж&Ъ-Ы^ М.Ф.Лихачев доктор физ.-мат. наук, профессор

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Как известно, энергия ускоряемых частиц рас-;т с увеличением радиуса ускорителя и величины магнитного поля, в этором происходит ускорение. Современные ускорители уже достиг-л внушительных размеров - периметры их тоннелей измеряются де-гтками километров. Энергозатраты на питание "теплых" электромаг-дтов приближаются к пределам возможного, поэтому развитие ускори-;льной техники находится в прямой зависимости от прогресса в тех-лческой сверхпроводимости и криогенике.

Современные проекты крупных ускорителей (ДАБЛЕР, ИЗАБЕЛ-А, СУПЕРКОЛЛАЙДЕР - в США, УНК - в России, ГЕРА - в зрмании, LHC - в ЦЕРНе, НУКЛОТРОН - в Объединенном ин-:итуте ядерных исследований в Дубне) основывались исключительно 1 использовании сверхпроводящих магнитных систем. Однако ввиду >езвычайной сложности осуществления этих проектов до последнего )емени только два из них получили практическое воплощение: ДАБ-ЕР (1983) и ГЕРА (1991). В 1993 году был осуществлен запуск нового 1ерхпроводящего ускорителя тяжелых ядер НУКЛОТРОНа, создание шогенной системы которого было главной задачей представляемой раны.

Проект развития базовых установок Лаборатории высоких энергий ИЯИ предусматривает последовательное создание новых ускорите-'й - СПИН, НУКЛОТРОН и СУПЕРНУКЛОТРОН - с использо-1нием в них как основных элементов магнитов со сверхпроводящими мотками, охлаждаемыми до температуры жидкого гелия. Применение ких магнитов по сравнению с "теплыми", работающими при темпе-irype окружающей среды, дает ряд преимуществ. Во-первых, значи-льное уменьшение капитальных затрат и металлоемкости. Во-вторых, щественное снижение эксплуатационных затрат, основную долю ко-рых определяет расход электроэнергии. Нельзя не отметить и мно-кратное уменьшение габаритов магнитной системы, что позволяет из-товить практически все ее элементы на простом станочном оборудо-нии средних размеров. Это дает высокую точность и в конечном ore определяет хорошее качество магнитного поля. Большое значе-te также имеет возможность изготовления таких некрупногабаритных делий силами подразделений ОИЯИ без размещения дорогостоящих

заказов в промышленности.

Применение сверхпроводимости связано с охлаждением ускорителе до весьма низких температур, получаемых только при помощи жидко1 гелия. Для этого необходимы сложные криогенные системы большой х< лодопроизводительности, требующие значительных капиталовложений Как показал опыт НУКЛОТРОНа, капитальные затраты на создан;: таких криогенных систем достигают 30% общих затрат на ускорител: К тому же соответствующее криогенное оборудование чаще всего пр< мышленностыо выпускается лишь единичными, единственными в свое роде образцами. Естественно, что в отсутствии серийного произвол ства не достигается уровень работы "под ключ": поставляемое обе рудование во многих случаях требует значительных усилий по дор; ботке, доводке, исследованию и оптимизации режимов, а также взаим< согласованию машин и аппаратов, приобретаемых у различных заводо] изготовителей. Кроме того, по ряду экономических и технических о( стоятельств значительную часть криогенного оборудования оказываете целесообразнее разрабатывать и изготавливать в самой Лаборатории.

В связи с этим в ЛВЭ традиционно развивается направление по ра: работкам и исследованию криогенных технологий применительно к со: даваемым сверхпроводящим ускорителям. Часть результатов таких р; бот изложена в настоящей диссертации. Основной из них - криогенна система НУКЛОТРОНа, первого в нашей стране и третьего в мирово практике действующего ускорителя со сверхпроводящими магнитам: В развитие ускорительного комплекса ЛВЭ он размещен в цокольно этаже синхрофазотрона (рис.1).

Цель диссертации заключалась в создании для сооружаемых в ЛВ1 ОИЯИ сверхпроводящих ускорителей высокоэффективных криогенны систем на гелиевом температурном уровне, обладающих повышенно надежностью, автоматизированных, безопасных и удобных в эксплу; тации во всех режимах. Кроме того, ставилась задача криогенног обеспечения научно-исследовательских работ и испытаний, необход1 мых при разработке такого рода ускорителей.

Научная новизна отражена в следующих тезисах:

- введено широко используемое в практике понятие характеристик гелиевого рефрижератора, дающее методическую основу анализа взаг мосвязей различных параметров криогенных систем для сверхпровод; щих магнитов: теплопритоков из окружающей среды, скорости накоп

1С. 1. Общий вид системы криогенного обеспечения НУКЛОТРОНа - синхрофазотрон; 2 - кольцо НУКЛОТРОНа; 3 - ресиверы хранения сжатого гея; 4 - здание газгольдерной; 5 - компрессорный цех; 6 - блоки охлаждения установок "'У-1600/4,5; 7 - стационарное хранилище жидкого гелия на 36000 литров.

:ния жидкости в криостатируемом объекте, расхода охлаждающего ге-ся на токовводы, холодопроизводительности в режимах с избыточным ратным потоком;

- впервые поставлена задача и разработан метод расчета режимов ге-[евых рефрижераторов; по результатам расчетов сформулирован при-¡няемый на практике близкий к оптимальному способ регулирования токов гелия по температурному уровню последнего из детандеров упени предварительного охлаждения;

- методически более точно, чем ранее, проведен термодинамически анализ систем с сателлитными рефрижераторами, что позволяет ирг вилыю устанавливать оптимальные параметры рефрижераторов пр вынужденных кратковременных их переходах в сателлитные режим! а также обоснованно производить проектирование новых рефрижерг торов с избыточным обратным потоком;

- проведена серия технологических экспериментов, в ходе которы на опыте получены характеристики головного образца гелиевого рефр! жератора КГУ-1600/4,5 в различных составах оборудования: в дро< сельном режиме, с парояшдкостными детандерами - поршневым и Ty¡ бинного типа, с повышенным сверх номинального расходом сжатого п лия из компрессоров;

- проведен расчет характеристик установки КГУ-1600/4,5 для pi жимов без использования жидкого азота в цикле; показано, что така работа возможна во всем диапазоне режимов - от рефрижераторно1 до ожижптельного;

- на созданных криогенных комплексах впервые осуществлена пол? чившая впоследствии чрезвычайно важное практическое применен! работа гелиевого турбодетандера в парожидкостной области; экспер] ментально показано, что в комбинированных режимах работы парожи, костная турбина обладает саморегулируемостью;

- создан стенд и впервые проведены всесторонние исследования п ловного образца двухступенчатого винтового компрессорного arpera] "КАСКАД-80/25"; показана возможность его работы в .режиме со зн; чителышм вакуумом на всасывании, что в соответствующих цикле дает возможность снизить температуру криостатирования;

- предложен, реализован и исследован при регулировании разли1 ных параметров криогенной установки КГУ-1600/4,5 новый униве] сальный алгоритм регулирования с применением микропроцессоры техники и электроприводов с постоянной скоростью движения;

- показано, что в "погружных" объектах, подобных установке СПИ! есть опасность "запирания" предохранительных клапанов жидкостью существует заметный перепад уровней жидкого гелия по периметру;

- на основе расчетов предложена и реализована схема потоков криостате установки СПИН, которая сводит до минимума разнос уровней жидкого гелия по периметру и показано, что размеры этс установки следует считать предельными для реализации погружно

пособа криостатирования;

- предложена и осуществлена простая, надежная и экономичная хема запуска установки КГУ-1600/4,5 при работе с крупными крио-хатируемыми объектами: в случае НУКЛОТРОНа с охлаждаемой тссой 80 тонн пусковой период составляет около 100 часов;

- предложена и реализована обеспечивающая высокую надежность риостатирования гибкая схема параллельной работы трех гелиевых 1ефрижераторов на кольцо НУКЛОТРОНа, отличающаяся тем, что ;ва рефрижератора работают по отдельности каждый на свое полу-ольцо, но имеют возможность передачи жидкого гелия из одного в ругой при необходимости повышения холодопроизводительности или еревода какого-либо из них в сателлитный режим; третий рефриже-атор работает независимо в ожижительном режиме с подачей жидкого елия в любой из двух основных;

- впервые реализован способ криостатирования потоком двухфазного слия объекта большой протяженности и имеющего более 150 парал-ельных каналов для криоагента; работоспособность такого способа одтверждена в ходе пяти успешно проведенных сеансов НУКЛО-ТОНа общей продолжительностью более 1000 часов.

Практическая ценность работы заключается прежде всего в том, что ешена задача криостатирования на гелиевом температурном уровне ервого в нашей стране и третьего в мировой практике действующего скорителя заряженных частиц высоких энергий со сверхпроводящими агнитами.

Содержащиеся в диссертации материалы дают основу для дальней-:его повышения энергетической эффективности системы криообеспе-сния НУКЛОТРОНа и его комплексной автоматизации.

Полученный опыт работы с винтовым компрессорным агрегатом АСКАД-80/25 и парожидкостными турбодетандерами сыграл важ-ую роль в развитии проекта криогенной системы Ускорительно - на-отительного комплекса УНК-3000 в г.Протвино.

Оказано значительное влияние на развитие отечественной гелиевой оомышленности. Использование криогенного комплекса НУКЛО-РОНа позволило России впервые выйти на мировой рынок с таким юдуктом высокой технологии как жидкий гелий.

Криогенный комплекс НУКЛОТРОНа полностью обеспечивает по-оянно возрастающие потребности ОИЯИ в жидком гелии. Исполь-

зование этого комплекса в замкнутом цикле криостатирования вакуумных криопанелей синхрофазотрона позволило впервые провести на нем ускорение ядер серы.

Апробация работ и публикации. Основные результаты и выводы, включенные в диссертацию обсуждались на научных семинарах и конференциях:

- 15th International Cryogenic Engineering Conference, Genova, Italy, 1994;

- Международный конгресс "Гелий-94", Москва-Петербург, 1994;

- Cryogenic Engineering Conference, Albuquerque, New Mexico, USA, 1993;

- X Международная конференция по ускорителям заряженных частиц высоких энергий, Серпухов, 1977;

- Международная научно-практическая конференция "Криогенная техника - науке и производству", Балашиха, 1991;

- VIII Всесоюзное совещание по ускорителям заряженных частиц, Дубна, 1983;

- III Международный семинар ИКФА "Возможности и ограничения сверхпроводящих магнитов ускорителей", Протвино, 1980;

- всесоюзные конференции - "I Всесозная конференция по криогенной технике", Ленинград,1973; "Повышение эффективности процессов и оборудования холодильной и криогенной техники", Ленинград, 1981; "Холод - народному хозяйству", Ленинград, 1991;

- всесоюзные семинары по криогенной технике в МВТУ им.Баумана;

- научные семинары отделов в ЛВЭ ОИЯИ и ИФВЭ (Протвино).

Основные результаты диссертации опубликованы в работах, список

которых приведен в конце автореферата.

СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ.

Она состоит из введения, пяти частей, заключения и списка литературы.

Во введении обсуждается актуальность темы диссертации, содержатся сведения о публикациях и апробации работы.

В первой части показаны особенности криостатирования крупных

становок со сверхпроводящими магнитными системами большой протя-сенности и на этой основе дана мотивировка необходимости рассмотре-ия тех вопросов, которые включены в различные разделы диссертации.

Криогенные системы отводят тепло, выделяющееся в обмотках сверх-роводящих магнитов при циклическом изменении магнитного поля, орможении рассеянных ускоренных частиц, а также тепло, притекаю-[ее из окружающей среды через теплоизоляцию, опоры и по токовводам. 1о способу отвода тепла различают:

- традиционный метод криостатирования сверхпроводящих магни-ов - погружение в кипящий гелий. В сильно протяженных системах н неприменим, т.к. ввиду чрезвычайно малой плотности жидкого ге-ия становится невозможным поддерживать его одинаковый уровень в азных точках криостата;

- другой метод, при котором тепло отводится циркуляцией крио-гента по расположенным внутри или около обмоток каналам, приме-яется повсеместно. Его дополнительное преимущество - уменьшение оличества гелия, требующегося для заполнения системы и, соответ-гвенно, снижение опасности повышения давления гелия при переходах агнитов из сверхпроводящего в нормальное состояние.

Принципиально существуют две разновидности циркуляционных истем криостатирования, отличающиеся фазовым состоянием крио-гента. В одних подвод тепла к циркулирующему гелию не вызывает >азового перехода, в других этот процесс происходит при кипении па-ожидкостного потока. Неоднократно высказывались опасения, что при спользовании двухфазной парожидкостной смеси может возникать не-стойчивость режима течения, которая характеризуется пульсирующим зменением расхода, давления и температуры криоагента или блокиро-анием некоторых из параллельных каналов "паровыми пробками". Из-1 этих опасений во всех описанных ранее системах сверхпроводящих скорителей теплоотвод в основном осуществляют потоком однофазного ;идкого гелия.

Основные требования, предъявляемые к системам криостатирования, эстоят в обеспечении возможно более низкой температуры магнитов, ысокой энергетической эффективности при различных режимах ра-оты, надежности и безопасности, современного уровня автоматизации. Удержание диссертации, а также направление и методы решения задач или обусловлены этими требованиями.

Именно из соображений получения возможно более низкой при про чих равных условиях температуры магнитов в обоих случаях - ДЛJ модельного синхротрона СПИН и ускорителя НУКЛОТРОН - бьш отдано предпочтение криостатированню путем отвода тепла непосред ственно к кипящему гелию. Концепция синхротрона СПИН основыва лась на применении погружного способа, однако периметр этого уско рителя около 60 метров - предельный случай применения такого спо соба, и в дальнейшем для НУКЛОТРОНа, имеющего периметр окол< 250 метров, стало необходимым перейти на циркуляционный способ Ряд дополнительных экспериментальных исследований как на одиноч пых магнитах, так и с группами магнитов, показал, что опасения, свя занные с применением потока кипящего .гелия, были преувеличены Между тем, допустимость подвода к парожидкостному потоку сравни телыто большого количества тепла позволяет резко уменьшить коли чество гелия, которое необходимо прокачивать через магнитную сис тему, и, как следствие, отказаться от каких бы то ни было промежуточ ных охладителей и специальных циркуляционных устройств. В резуль тате для НУКЛОТРОНа, в отличие от известных аналогичных систем был выбран способ криостатирования сверхпроводящих магнитов по средством циркуляции парожидкостного потока гелия.

Требование высокой энергетической эффективности при работе криогенных систем во многих режимах вызвало необходимость включения специального раздела об исследовании режимов рефрижераторов Действительно, из-за большой охлаждаемой массы, сложности и протяженности рассматриваемых криостатируемых объектов процесс охлаждения их до рабочих температур требует очень длительного времени В ходе запуска используется весьма широкий спектр режимов. Из соображений надежности отдельно исследованы так называемые "сателлит-ные" режимы, посредством которых предусматривалась возможное!! ремонта или замены каких-либо машин и аппаратов без остановки всегс криогенного комплекса. Обеспечение высокого уровеня надежности потребовало кроме того и полного отказа от обычных для лабораторных криогенных установок машин с возвратно-поступательным движением поршня с заменой их винтовыми компрессорами и турбодетандерами с повышенным ресурсом и длительным временем безотказной работы. В связи с этим в диссертацию включены разделы об испытаниях головных образцов таких машин. Показана необходимость включения в работу

ггросов автоматизации и безопасности работ.

Вторая часть диссертации посвящена исследованию режимов работы тевых рефрижераторов. Как известно, криогенный гелиевый рефри-ратор создают на основе расчета соответствующего термодинамиче-эго цикла. Если такой рефрижератор предполагается использовать юскольких различных режимах, то анализируют все варианты цик-и проектирование продолжают по тому варианту, который требует ибольшей теплопередающей поверхности теплообмеников. Действи-1ьный цикл работы рефрижератора может существенно отличаться от счетного как вследствие отклонения фактических параметров машин \ппаратов от принятых в расчете, так и из-за изменений условий расы потребителя. Например, при работе рефрижератора в комплекте рупной сверхпроводящей магнитной системой необходимо пройти по шней мере три следующие стадии: понижение температуры рефри-ратора и криостатируемого объекта до температуры жидкого гелия чежим охлаждения; заполнение криостатов жидким гелием - ожи-тельный режим; поддержание заданного уровня жидкого гелия при .шенсации теплопритоков или тепловыделений - рефрижераторный ким. В последнем случае часть жидкого или холодного газообразного [ия как правило необходимо отводить на охлаждение токовводов, теп-шх мостов или экранов.

При криостатировании сверхпроводящих магнитных систем гелие-з рефрижераторы практически во всех случаях работают в комбини-занных режимах, когда одновременно с производством холода осуще-ляется и ожижение гелия. Зависимость холодопроизводительности от [ичества одновременно вырабатываемого жидкого гелия мы назвали ¡актсристикой рефрижератора.

Подобные зависимости полезны в целом ряде случаев. Например, и характеристика известна, можно определить скорость накопления цкого гелия в криостатируемом объекте с известным теплопритоком следовательно, количественно оценить ту часть пускового периода, орая соответствует времени накопления необходимого уровня жид-о гелия в криостате.

На практике часто используют и ту ветвь характеристики, которая тветствует случаю, когда жидкий гелий не вырабатывается, а вво-ся в цикл (режимы с избыточным обратным потоком или "сателлит-режимы). В этом случае тепловыделения в криостатируемом

объекте могут превышать номинальную холодопроизводительность рефрижератора, но нормальный процесс криостатирования между тем обеспечивается. Такая работа может осуществляться и без подвода жидкого гелия извне за счет заранее накопленной жидкости в сборнике рефрижератора или в криостатах объекта. Характеристика позволяет оценить время, на которое рассчитан сделанный запас.

Более сложный случай использования характеристик - анализ и оптимизация системы с охлаждающими токовводами: существует оптимальное значение величины расхода жидкого гелия, направляемого на охлаждение токовводов, т.к. холодопроизводительность рефрижератора снижается по мере повышения этого расхода, а теплоприток из окружающей среды по токовводу уменьшается.

Диссертация содержит экспериментальные и расчетные данные по характеристикам базовой криогенной установки КГУ-1600/4,5, спроектированной и поставленной в ОИЯИ объединением НПО "Гелиймаш" специально для создаваемых здесь ускорительных комплексов. Методика расчетов подробно представлена также на более простых примерах прототипных рефрижераторов.

Экспериментальные характеристики установки КГУ-1600/4,5 в реализованных на практике режимах приведены на рис. 2. Характеристика 1 соответствует режимам с дросселированием в ступени окончательного охлаждения. При замене дросселя на парожидкостной тур-бодетандер (характеристика 2) холодопроизводительность существенно возрастает: в чисто рефрижераторном режиме - с 1100 до 1700 Вт, т.е. в 1,5 раза. Для форсирования установки в дроссельном режиме можно подключить резервный компрессор (характеристика 3), увеличив расход гелия с 3600 м3 /час до 4800. Холодопроизводительность при этом возрастает примерно на 400 Вт, однако включение дополнительного компрессора приводит к увеличению давления в сборнике жидкого гелия с 0,028 до 0,044 МПа, что повышает температуру криостатирования магнитов на 0,13 К. С применением поршневого парожидкостного детандера (характеристика 4) установка КГУ-1600/4,5 обладает несколы« большей холодопроизводительностью и энергетической эффективностью чем в случае парожидкостного турбодетандера. Однако из соображений надежности, как правило, нами были использованы машины турбинного типа.

Расчет характеристики - довольно сложная задача, но его необхо-

2.0

л

Ь 1.8

0

1 1.6

ш н

а1-4

о

5 12

о

&1-0

о Ч

О 0.8 с:

о

Х 0.6 0.4

0 20 40 60 80 100 120 140

Производство жидкого Не, л/ч

'ис. 2. Характеристики установки КГУ-1600/4,5 при одновременном производстве хо-ода па уровне 4,5 К и жидкого гелия.

-режимы с дросселированием в ступепи окончательного охлаждения; 2-режпмы с рас-шрением в парожидкостном турбодетандере; 3-дроссельные режимы при повышенном асходе сжатого гелия (четыре компрессора 305НП-20/30); 4-режимы с поршневым па-ожидкостным детандером.

;имость проявляется по крайней мере в двух аспектах. Во-первых, кспериментальное изучение характеристик связано с весьма большими атратами электроэнергии и другими составляющими затрат при экс-луатации установок. Во-вторых, это единственное средство изуче-:ия в тех случаях, когда исследуемые режимы еще не реализованы а практике. В частности, установка КГУ-1600/4,5 до сих пор ра-отает с двумя (вместо трех) турбодетандерами в ступени предвари-ельного охлаждения и использует в зависимости от целей запуска от 50 до 300 л/час жидкого азота. Это существенно снижает ее технико-кономические показатели. Для повышения энергетической и экономической эффективности

криогенной системы НУКЛОТРОНа чрезвычайно важно принять меры по экономии жидкого азота и, по возможности, исключить его применение в гелиевых рефрижераторах. Поскольку в ходе экспериментальных работ на установке КГУ-1600/4,5 удачного комплекта из трех турбоде-тандеров для работы в таком режиме так и не было подобрано, встала задача путем расчетного анализа выяснить возможности работы в режиме без жидкого азота на различных точках характеристики и определить оптимальные параметры установки для последующего более рационального проектирования турбомашин. В качестве исходных данных для расчетов использовались величины поверхностей теплообменников КГУ-1С00/4,5 , коэффициенты теплопередачи и гидравлического сопротивления теплообменников для основного проектного режима, в котором установка без использования жидкого азота должна одновременно производить 1850 Вт холода на уровне 4,5 К и 50 л/час жидкого гелия. Расход сжатого гелия принимался равным 0,17 кг/с, давление после компрессоров - 2,5 МПа, адиабатный к.п.д. всех турбодетандеров -65%.

Для решения поставленной задачи к каждому данному значению степени ожижения необходимо было определить значение холодопроизво-дительностп q на единицу расхода сжатого газа из компрессоров.

Результаты проведенных расчетов показали, что и для принятых сравнительно небольших величин к.п.д. турбодетандеров эффективна/ работа без потребления жидкого азота может быть достигнута во всю точках характеристики. В чисто рефрижераторном режиме при максимальном значении q=12,8 кДж/кг холодопроизводительность составляет 2,18 кВт. Максимальное значение степени ожижения х=0,1( соответствует производительности в ожижительном режиме 490 л/час При этом достигается весьма высокая энергетическая эффективность Удельные затраты на получение холода и жидкого гелия составят соответственно 255 Вт/Вт холода при 4,5 К и 1,13 кВт-ч на 1 литр жидкости

Из приведенных в диссертации материалов следует, что оптималь ные температуры включения детандеров ступени предварительного ох лаждения, составляющие 140, 50 и 19 К независимы от количества жид кого гелия, выводимого из цикла, т.е. они одинаковы как для чист« рефрижераторного, так и для ожижительного режимов. Вблизи опти муыа характер зависимостей производительности от этих температу] достаточно пологий, и для получения эффективных режимов виолн(

допустимо обеспечивать распределение температур с 10%-ной точностью.

В диссертации содержатся результаты расчетов и для случая с дросселированием в ступени окончательного охлаждения. Показано, что приведенные выше оптимальные значения температур перед детандерами остаются неизменными и при дросселировании, т.е. указанные значения могут быть рекомендованы вне зависимости не только от количества выводимого из цикла жидкого гелия, но и величины к.п.д. паро-жидкостного детандера. При дросселировании в ступени окончательного охлаждения максимальная холодопроизводительность составляет 4=5,6 кДж/кг, а коэффициент ожижения х=0,08.

Методика расчета режимов основана на совместном решении уравнений энергетического баланса и теплопередачи в теплообменниках. Если на стадии проектирования установки определяют геометрические размеры теплообменных аппаратов по заданным параметрам теплооб-менивающихся сред, то в данном случае существует обратная задача. В диссертации даны соотношения, наиболее просто описывающие ее решение. Они позволяют для разных схем рефрижераторов легко составить цепочку уравнений, в которой последовательно находятся все недостающие параметры. В работе рассмотрены особенности решения таких систем уравнений с учетом реальных термодинамических свойств гелия, определяемых по таблицам.

Следует отметить довольно важный практический выход, который имели проведенные расчеты режимов разных типов рефрижераторов: оптимальная температура на входе в последний детандер ступени предварительного охлаждения практически не зависит от количества производимой жидкости, что позволяет принять в качестве алгоритма управления распределением потоков в рефрижераторе постоянство этой температуры. Этот простой, близкий к оптимальному и весьма удобный в практической работе метод регулирования в настоящее время очень широко применяется при проведении сложных процессов в системах, включающих совместно работающие гелиевый рефрижератор и крио-статируемый объект.

Третья часть диссертации посвящена работам, обеспечивающим основные факторы повышения надежности и эффективности криогенных гелиевых систем. К таким факторам относятся: использование машин без возвратно-поступательного движения поршня; дополнительное по-

вышение надежности криостатирования возможностями использование требующих ремонта установок в сателлитных режимах; современный уровень автоматизации.

Опытная эксплуатация головного образца криогенной гелиевой установки КГУ-1600 показала, что основные причины низкой надежности обусловлены применением машин поршневого типа - компрессоров 305НП-20/30 и парожидкостного детандера. Поэтому дальнейшее развитие поставило необходимость перехода на винтовое компрессорнос оборудование и замены поршневого парожидкостного детандера на машину турбинного типа.

Гелиевый винтовой маслозаполненный компрессорный агрегат "Кас-кад-80/25" разработан в НПО "Казанькомпрессормаш" применительно к системе криогенного обеспечения Ускорительно-накопительного комплекса, создаваемого в Институте физики высоких энергий в Протвино. Для этого сооружения предполагалось выпустить серию таких машин в количестве около 60 шт. В рамках Протокола о совместной научно-исследовательской работе между ИФВЭ и ОИЯИ испытания и доводка головного образца компрессорного агрегата "Каскад-80/25" проводилась в ЛВЭ ОИЯИ. Условиями Протокола была предусмотрена последующая эксплуатация агрегата в составе криогенного комплекса НУ-КЛОТРОНа.

Винтовой компрессорный агрегат "Каскад-80/25" - машина второго поколения отечественных винтовых маслозаполненных гелиевых компрессоров. В криогенной системе установки "Токамак-15" применялся трехступенчатый компрессорный агрегат со сходными по производительности и давлению на нагнетании параметрами. В отличие от него "Каскад-80/25" выполнен в двухступенчатом варианте с одним маслоотделителем и общей маслосистемой компрессоров первой и второй ступени.

Компрессорная установка "Каскад-80/25" состоит из четырех основных блоков: первой ступени, второй ступени, блока маслоохладителей и блока управления. Первая ступень содержит два параллельно работающих компрессора, приводящихся в действие одним электродвигателем мощностью 0,63 МВт с напряжением питания 6 кВ.

Вторая ступень состоит из одного винтового компрессора с золотниковым регулятором производительности, вертикального маслоотделителя и электродвигателя тех же параметров, что и на первой ступени.

В блок маслоохладителей входят четыре прямоточных теплообменника : водяным охлаждением.

Испытания винтового компрессорного агрегата "Каскад-80/25" про-юдились по замкнутой безгазгольдерной схеме. Требуемое давление на зсасывании первой ступени обеспечивалось ресиверами общим объемом около 160 м3. Газообразный гелий из ресиверов поступает в пер-)ую ступень, где сжимается до давления 0,6-0,7 МПа и одновременно >хлаждается маслом, впрыскиваемым под давлением в полость сжатия, I затем - во вторую ступень. Здесь маслогазовая смесь сжимается до сонечных параметров и поступает в маслоотделитель. Отделившийся -аз проходит сепаратор, концевой холодильник и через байпасирующий 1ентиль вновь поступает на всас компрессора.

Параметры агрегата "Каскад-80/25" по техническим условиям и в соде испытаний были следующие:

по техническим по данным

условиям испытаний

Производительность, м3/мин 78-90 100-107

Давление всасывания, МПа 0,120-0,104 0,071-0,086

Давление нагнетания, МПа 2,5 2,32-2,54

Мощность потребляемая, кВт

I ступень 565 563-640

II ступень 439 339-395

Унос масла, г/час 369 370

Изотермический к.п.д. не менее 0,5 0,52-0,55

Испытания проводились при давлении всасывания более низком, чем :о техническим условиям, - в пределах 0,071-0,086 МПа. Дальнейшее :овышение давления всасывания приводило к повышению межступенча-ого давления и вызывало перегрузку электродвигателя первой ступени. Тмеются две причины, по которым такое пониженное давление в трубо-роводе всасывания компрессора для системы криогенного обеспечения 1УКЛОТРОНа неприемлемо. Во-первых, она работает при поддер-сании некоторого избыточного давления в обратном потоке с помощью :аслозаполненного газгольдера. Во-вторых, даже если произойдет пе-еход на безгазгольдерную схему (как это и предполагается в будущем), авление ниже атмосферного нежелательно из-за возможного загрязне-ия гелия воздухом из окружающей среды при недостаточной герме-ичности системы. Вследствие этого возникла необходимость в таком

согласовании производительностей ступеней компрессорного агрегата, который позволил бы работать при некотором избыточном давлении во всасывающем трубопроводе.

Задача согласования производительностей ступеней решалась двумя способами - байпасированием части газа после первой ступени и дросселированием газа на всасывании первой ступени. В диссертации обсуждаются и другие, более эффективные меры по согласованию производительностей ступеней, одна из которых - доработка имеющегося двигателя с целью повышения допустимой мощности - реализуется в настоящее время.

Несмотря на отмеченную несогласованность производительностей ступеней, в целом головной образец агрегата "Каскад-80/25" хорошо зарекомендовал себя в ходе испытаний и проведенной в 1993 году интенсивной эксплуатации. Изотермический к.п.д., полученный при давлении на всасывании 0,071-0,086 МПа, составил 0,52-0,55. Замеры шумовых характеристик в пяти точках на расстоянии 1 м от агрегата показали уровни звуковой мощности не более 81-102 дБ. В течение последнего года агрегат "Каскад-80/25" отработал для нужд криогенного комплекса НУКЛОТРОНа более 3000 часов при производстве около 30-ти плановых включений и выключении. В указанный период не было выявлено никаких существенных отказов или отклонения параметров машины от нормы. Таким образом, агрегат "Каскад-80/25" стал не только основой компрессорного обеспечения криогенной системы НУКЛОТРОНа, но и после небольшой доработки уверенно может быть рекомендован для серийного производства и применения в других крупных криогенных системах.

Созданный нами стенд позволил произвести испытания агрегата "Каскад-80/25" в вакуумно-компрессорном режиме. Они показали высокую надежность и эффективность машины при работе в широком диапазоне давлений всасывания - от 0,02 до 0,085 МПа. Это открывает новые возможности создания высокоэффективных крупных криогенных гелиевых систем на более низкий температурный уровень криостатиро-вания - до температуры 3,0 К и ниже.

Для повышения энергетической эффективности криогенных рефрижераторов и ожижителей большое значение имеет возможность заменк связанного с большими потерями эксергии процесса дросселированш на более совершенный процесс адиабатного расширения в детандере

В 1965 году замена дросселя на детандер была предложена и реализована в цикле водородного ожижителя в ОИЯИ. На гелиевом ожижителе такую модернизацию впервые (1970 г.) удалось провести С.Коллинзу. В обоих случаях были использованы детандеры поршневого типа.

Поршневые детандеры вместо дросселя применялись и в первоначальном варианте головного образца рефрижератора КГУ-1600/4,5. В 1985 году была предпринята попытка заменить поршневой парожид-<остной гелиевый детандер установки КГУ-1600/4,5 на машину тур-шнного типа. Наряду с повышением надежности такая модернизация тозволяла разрешить и значительные эксплуатационные трудности, воз-1икающие во время переходных процессов при поломках поршневых детандеров: в случае самопроизвольной остановки машины турбинного :ипа сопловой аппарат продолжает пропускать необходимое количество "елия, т.е. турбина как бы сама превращается в дроссель.

Опытный образец парожидкостного гелиевого турбодетандера был :оздан в НПО "Гелиймаш" по заказу ОИЯИ и проходил доводку и испытания в составе системы криогенного обеспечения установки СПИН. Гурбодетандер был рассчитан для рефрижераторного режима работы ■СГУ-1600/4,5 с одновременным частичным получением жидкого гелия [ имел следующие проектные параметры:

- давление па входе

- температура на входе

- давление на выходе

- расход рабочей среди

- мощность

- 1,8 МПа;

- 5,2 К;

- 0,15 МПа;

- 2400 пм3 /час;

- 0,85 кВт.

В целях обеспечения однотипности расширительных машин, ком-лектующих установки КГУ-1600/4,5 гелиевый парожидкостной тур-одетандер был выполнен по принципиальной схеме, принятой ранее и ля газовых турбодетандеров предварительного охлаждения.

Холодопроизводительность установки КГУ-1600/4,5 при использова-ии парожидкостного турбодетандера показана на рис.2. Как уже от-ечалось, в рефрижераторном режиме она составляет 1700 Вт, что на 0% выше, чем при дросселировании. Принципиально, что несмотря а отсутствие возможностей регулирования проходных сечений сопло-ого аппарата турбодетандера, эффективная работа установки КГУ-600/4,5 обеспечивается на всех точках характеристики при неизмен-

ном расходе сжатого газа, подаваемого компрессорами. Такой эффект "саморегулирования" распределения потоков при переходе от рефрижераторного к ожижительному режиму объясняется тем, что в рефрижераторном режиме, когда необходим максимальный расход гелия через турбину, оптимальная температура на входе минимальна и составляет 5,2 К. При переходе к ожижительному режиму требуемый расход гелия в ступени окончательного охлаждения довольно существенно уменьшается, но это компенсируется ростом оптимальной температуры на входе турбомашины, составляющей в чисто ожижительном режиме около 8,5 К. Понятно, что такой рост температуры существенно снижает количество перерабатываемого гелия, и этого оказывается достаточно для эффективного перераспределения потоков.

При криостатировании крупных ускорителей со сверхпроводящими магнитами предпочтение часто отдают криогенным системам из равномерно расположенных по периметру кольца рефрижераторов с избыточным обратным потоком - сателлитов. Они работают за счет жидкого гелия, получаемого от центрального ожижителя, что повышает надежность, т.к. позволяет в каждом из таких рефрижераторов обойтись минимумом оборудования в ступенях предварительного охлаждения.

Но даже если в номинальном режиме рефрижератор работает по обычной схеме, возможно его применение и в сателлитном режиме. Такая необходимость возникает, например, при выходе из строя какого-либо из детандеров ступени предварительного охлаждения, когда нельзя прервать работу по криостатированию объекта. В этом случае используется заранее запасенный жидкий гелий или же он подливается от параллельно работающего на тот же объект рефрижератора. Указанный способ резервирования предусмотрен в криогенной системе НУ-КЛОТРОНа.

Вопросы применения рефрижераторов с избыточным обратным потоком рассматривались многими авторами. Наиболее подробный анализ опубликован А.И.Агеевым с сотрудниками. Однако полученные данные нельзя считать достаточно полными в силу того, что в качестве одного из критериев при сопоставлении различных вариантов обычно выбиралась минимальная разность температур между потоками в теплообменнике сателлита. Между тем при одинаковой минимальной разности температур необходимая поверхность теплообмена существенно зависит от соотношения потоков в этом теплообменнике, увеличиваясь по

^ис. 3. Удельный расход сжатого газа в зависимости от относительного количества ютребляемого в сателлит жидкого гелпя для разлпчпых давлений в прямом потоке.

- сателлит с простым дросселированием; 2-е промежуточным дросселированием; ! - детапдерпый сателлит при адиабатном к.п.д. 0,8 ( * - точки с мипимумом удельного )асхода энергии).

¿ере уменьшения количества используемого жидкого гелия. Необходимое условие методически верного сопоставления вариантов соблюдается только тогда, когда в качестве одного из исходных данных взята величина № - произведения коэффициента теплопередачи и поверхности теплообмена теплообменников рефрижератора. Полученные из этих соображений расчетные данные представлены на рис.3.

В дроссельных сателлитах с понижением давления от 2,5 до 1,2 МПа удельный расход сжатого газа существенно уменьшается. При дальнейшем снижении давления в области р<1,2 МПа удельный расход сжатого газа, наоборот, увеличивается, что объясняется ростом температуры перед дросселем вследствие неблагоприятного соотношения теп-лоемкостей в прямом и обратном потоках. Эффективность сателлит-ного рефрижератора в таком случае можно повысить путем введения промежуточного дросселирования. Кривая 2 показывает зависимость,

полученную при повышенном гидравлическом сопротивлениии по прямому потоку в холодной части теплообменника. Процесс непрерывногс дросселирования происходит от 2,5 до 0,3 МПа. Наименьший удельный расход сжатого газа достигается с применением вместо дросселя детандера.

В диссертации рассмотрены также удельные затраты энергии в криогенной системе с сателлитными рефрижераторами. Эти затраты складываются из затрат на сжатие газа в компрессоре и на получение жидкого гелия в ожижителе. Точки с минимумом удельных энергозатрат отмечены на рис.3. Сателлит с простым дросселированием имеет наименьшие удельные затраты при давлении в прямом потоке 1,2 МПа и относительном количестве потребляемого гелия 10,6%. Для этих параметров они составляют 460 Вт/Вт. Промежуточное дросселирование уменьшает удельные затраты до 435 Вт/Вт. В установке с детандером оптимум достигается при =4,7%, а отдельные энергозатраты снижаются до величины 275 Вт/Вт.

Аналогичные оптимизационные расчеты проведены не только при величинах кГ/С^бО-К"-1, но и ряде других значений, причем показано, что уменьшение этой величины в области кЕ/(^< 50А'-1 начинает существенно увеличивать энергозатраты, а увеличение при кГ/С^>50К~' не приводит к заметному их изменению. Из этого следует, что при кЕ/(3>50Л'-1 технические потери уже сведены к минимуму и преобладают собственные потери от необратимости теплообмена, существующие даже когда в каком-либо из сечений теплообменника разность температур между потоками становится равной нулю (т.е. при кР стремящемся к бесконечности). Естественно, что параметры установки при этом перестают зависеть от величины комплекса кЕ/С^.

Величины тепло обменных поверхностей криогенных гелиевых рефрижераторов настолько велики, что, как правило, условие кЕ/(^>50К-1 соблюдается. Таким образом,при переводе в сателлитный режим любого из них с достаточной точностью можно использовать приведенные на рис.3 и другие содержащиеся в диссертации зависимости.

Необходимость существенного повышения уровня автоматизации выпускаемых отечественной промышленностью криогенных гелиевых установок общеизвестна. Это обстоятельство заставило нас проводить работы по автоматизации криогенных систем собственными силами, используя накопленный в ОИЯИ большой опыт по применению электро-

[ики в стандарте КАМАК п микропроцессорной техники.

В диссертации дано описание одной из первых микропроцессорных истем контроля и управления, которая создана нами в ЛВЭ ОИЯИ 1981 году применительно к головному образцу криогенной гелиевой становки КГУ-1600/4,5. Эта система способна одновременно измерять коло 150 различных параметров (информация собирается с датчиков емпературы, давления, оборотов, уровней жидкого гелия и азота, а акже с датчиков состояний отдельных устройств установки) и управлять исполнительными устройствами в количестве до 20 шт. Эта сис-ема эксплуатировалась нами при обслуживании установки СПИН и [ри ожижении гелия на КГУ-1600/4,5 на протяжении десяти лет. За то время все, что связано со сбором, обработкой и представлением шформации, получило широкое распространение в других аналогичных системах: три из них, в более современном варианте электроники, озданы и эксплуатируются на установках КГУ-1600/4,5 криогенного омплекса НУКЛОТРОНа. Независимо существует система термомет->ии кольца НУКЛОТРОНа, обеспечивающая сбор и представление информации с более, чем 500 шт. термопреобразователей.

Однако на НУКЛОТРОНе остается недостаточно разработанным и недренным в практику направление, связанное с исследованием алго-штмов работы регулирующих органов криогенных гелиевых установок: отличие от аналогичных западных рефрижераторов и ожижителей ге-:ия, в которых при управлении используются П-, ПИ-, ПИД- законы >егулирования, реализуемые пневмосистемами, воздействующими на гембранные исполнительные механизмы, установки КГУ-1600/4,5 пос-авляются с регулирующими вентилями, имеющими электроприводы с [остоянной скоростью движения. Проведенные работы показали, что пшр«процессорная техника наряду с традиционным подходом позво-[яет создавать программы, точно моделирующие действия опытного опе->атора. При этом достигается высокое качество регулирования и ши-юкий диапазон устойчивой работы даже в том случае, когда использу-этся только обычные электроприводы с постоянной скоростью движе-[ия, управляемые от выходных регистров микропроцессорной системы игналами типа "да-нет". В диссертации описан полученный нами пыт по разработке таких алгоритмов и соответствующих программ •правления, реализованных на одной из установок КГУ-1600/4,5.

Общий принцип управления заключается в том, что программа сос-

тоит из нескольких иерархических уровней. В первую очередь обеспечиваются параметры установки, при которых не приводятся в действие предохранительные клапаны, блокировки, сигнализация и-др. устройства для безопасной и безаварийной работы. На втором этапе производятся операции, приводящие к уменьшению абсолютной величины производной по времени от регулируемого параметра. И, наконец, на третьем этапе идет плавная подстройка этого параметра к заданной области значений. На этом принципе создан универсальный алгоритм управления регулирующим вентилем, который успешно применялся для регулирования положения газгольдера, давления сжатого газа после компрессоров, давления в танке жидкого азота, уровня жидкого гелия в сборнике. В работе приводятся константы и графики переходных процессов регулирования различных параметров. Отмечены некоторые особенности управления клапанами.

Четвертая часть описывает создание системы криогенного обеспечения модельного сверхпроводящего синхротрона СПИН на энергию 1,5 Гэв.

Хотя, как уже отмечалось, для крупных сооружений оптимальны циркуляционные схемы, сравнительно небольшие одиночные магниты и группы магнитов традиционно предпочитают криостатировать посредством погружения их в кипящий гелий. В этом случае при прочих равных условиях достигается более низкая и хорошо стабилизируемая температура криостатирования, значительно проще решаются вопросы подвода силовых и измерительных кабелей к каждому отдельному магниту. Эти соображения сыграли решающую роль при выборе "погружной" схемы для установки СПИН.

Однако, сделав подобный выбор, необходимо было учесть ряд особенностей, проявляющихся при довольно большой длине "погружного" криостата: возможность изменения уровня жидкости по периметру установки; специфические условия работы предохранительных клапанов, большое количество жидкого гелия и трудности его эвакуации как в аварийных случаях, так и при штатной остановке системы.

Как объект криостатирования, установка СПИН (рис.4) характеризуется тем, что дипольные и квадрупольные магниты образуют замкнутый контур в виде двух полуколец радиусом 5 м и соединяющих их двух прямолинейных участков длиной 10 м. Общий периметр магнитной дорожки ускорителя составляет таким образом около 54 м. Все

'ис. 4. Принципиальная схема криостатироваппя ускорителя СПИН.

- гелиевая установка КГУ-1600/4,5; 2 - газгольдеры вместимостью 20 м3; 3 - ресиверы ;ля хранения сжатого газа - У=20 м3, рр=30 кг/см2; 4 - блок осушки цсолитовый;

- поршпевые компрессоры 305НП-20/30; 6 - поршпевие компрессоры 1ВУВ-45/150;

- криостат установки СПИН; 8 - гелиевый сосуд капала инжекции; 9 - криостат змерительпого периода; 10 - токовводы на 3000 А; 11 - токовводы на 300 А;

2 - предохранительные мембраны; 13 - предохрапительные клапаны; 14 - гелиевый осуд ЦТГ-0,5/0,7; 15 - трубопроводы жидкого гелия.

1агниты размещены внутри гелиевого сосуда, состоящего из горизон-альных цилиндрических участков диаметром 280 мм. Степки сосуда гзготовлены из листовой нержавеющей стали толщиной 2 мм. Для ком-[енсации температурных деформаций отдельные участки гелиевого со-:уда соединены менаду собой посредством сильфонов соответствующего риаметра. Вес магнитной системы составляет 3,0 т, вес холодной массы 'скорителя 5,8 т. Конструкция криостата предусматривает установку еплозащитного экрана с жидким азотом, однако па этапе первоначальных испытаний для уменьшения объема работ при подготовке и после-[ующем перемонтаже ускорителя на место постоянной эксплуатации |кран не устанавливался. Естественно, это привело к тому, что теп-говые нагрузки и технологические требования к внешней криогенной истеме значительно выросли. Общий объем гелиевого криостата с находящимися в нем сверхпро-

водящими магнитами составляет 4 м3, свободный объем, занимаемы] собственно жидким гелием, - около 1 м3. По периметру установки име ются четыре горловины для ввода-вывода электрического тока и гелия Эти горловины используются также для размещения предохранитель ных устройств и кабельных разъемов системы КИПиА.

Приведенные в диссертации расчеты показали, что разница в уров нях жидкого гелия по периметру криостата установки СПИН, обуслов ленная перепадом давлений из-за движения паровой фазы над поверх ностью жидкости, может быть весьма значительной. На основе расче тов разработана схема, сводящая в данной системе эффект изменена уровня к минимуму. Было предложено разделить периметр криостат; на две части. Такое деление реализуется весьма просто: жидкий гели] от установки КГУ-1600/4,5 по трубе, расположенной внутри криостат; ускорителя, подается в диаметрально противоположную точку по от ношению к месту отвода пара. Пар отводится по двум направлениям причем длина каждого из них составляет половину всего периметр; установки (рис.4). Схема имеет и другие преимущества: прямой пото] перед выходом из подающей трубы в криостат дополнительно конден сируется. Кроме того, нет необходимости в каких-либо перегородка: внутри криостата. Однако несмотря на то, что в данном случае при нятые меры были достаточны, следует отметить, что периметр рассмат риваемого ускорителя - предельный случай применения погружноп способа.

При разработке схемы криостатирования ускорителя учтены и дру гие обстоятельства: предполагались значительные по сравнению с имев шейся производительностью рефрижератора теплопритоки и связанны' с этим трудности ввода системы в рабочий режим, весьма ненадежным] были поршневые машины (компрессоры 305НП-20/30 и испытанны' нами две модификации поршневого парожидкостного детандера), штат ная схема запуска головного образца рефрижератора КГУ-1600/4,5 в которой применялись низкотемпературные пневмоуправляемые кла паны, не отвечала предъявляемым требованиям.

Сравнительно большие по сравнению с располагаемой холодопроиз водительностью теплопритоки особенно много дополнительных трудное тей приносят на заключительной стадии пускового периода системы когда рефрижератор наряду с производством жидкого гелия одновре менно должен компенсировать теплопритоки к криостату и трубопро

одам. В предельном случае, если теплоприток и холодопроизводитель-[ость близки по величине, ожижение гелия не происходит и время за-[уска системы стремится к бесконечности. Рассматриваемая ситуация ыла почти такой из-за отсутствия на первом этапе работ теплоизоли-»ующих азотных экранов как на самом криостате установки СПИН, ак и на трубопроводах, связывающих его с рефрижератором.

Чтобы увеличить скорость накопления уровня гелия в криостате хтановки СПИН, предполагалось использовать заранее запасенный кидкий гелий. Хранение этого запаса осуществлялось в транспортных [истернах ЦТГ-0,5/0,7 емкостью 500 л (поз. 14 на рис.4). Для их [ристыковки было оборудовано два специальных узла, обеспеченных геобходимой для пер едавливания жидкости системой наддува.

С использованием пристыкованных к системе "холодных" цистерн ДТГ-0,5/0,7 рационально была решена и другая, особенно сложная в 1варийных ситуациях, задача остановки системы СПИНа без потерь елия в атмосферу. После закрытия вентиля В2 испаряющийся гелий ю обратному трубопроводу через вентиль В1 продолжает подаваться ! обратный поток рефрижератора. В результате уровень жидкости в борнике рефрижератора начинает быстро расти (со скоростью до 1000 [/час), а в криостате СПИНа - уменьшаться. Одновременно жидкость в сборника выдавливают в ЦТГ-0,5/0,7 через вентиль ВЗ - в итоге пол-гая эвакуация жидкого гелия из криостата СПИНа проводилась абсо-[ютно без сброса холода на температурный уровень окружающей среды г максимально быстро. Низкая надежность поршневых машин опреде-гила и еще одну функцию, выполняемую заранее запасенным жидким елием - его использование для подпитки системы, когда она работает I сателлитном режиме.

В проведенной доработке, касающейся пусковой схемы, мы отказа-гась от обычно применяемой технологии, когда в ходе пуска гелий из >хлаждаемого объекта направляется в ту ступень охлаждения рефри-кератора, которая соответствует температурному уровню возвращае-юго потока. В нашем случае направление движения прямого и об-)атного потока гелия неизменно: оно одинаково как при охлаждении, :ак и при стационарном режиме криостатирования. Необходимое при апуске байпасирование теплообменников производится по охлаждаю-цим потокам посредством вентилей П1, П2 и ПЗ. Эта пусковая схема юзволяет запускать установку КГУ-1600/4,5 из теплого состояния за

5 часов. При совместной работе с ускорителем СПИН вся система полностью вводится в режим за время около 50 часов.

В целях повышения надежности криогенной системы установка КГУ-1600/4,5 дополнительно к трем штатным была оснащена резервным компрессором 305НП-20/30. Это дало возможность не только выводить из работы и ремонтировать довольно часто выходящие из строя поршневые компрессора, но и при необходимости остановки парожидкостногс детандера существенно форсировать холодопроизводительность в дроссельном режиме (см. характеристику 3 на рис.2). Основные эксперименты по криостатированию установки СПИН были проведены в дроссельном режиме на трех компрессорах (характеристика 1). После достижения рабочей температуры скорость накопления жидкого гелия в системе составляла около 40 л/час. Из баланса теплопритоков и производительности рефрижератора в этом режиме следует, что суммарная тепловая нагрузка составляла около 1000 Вт, причем значительная ее доля (350 Вт) вносилась криогенными гелиевыми трубопроводами, соединяющими КГУ-1600/4,5 и криостатную систему СПИНа, которые располагались на расстоянии около 60 м друг от друга.

Пятая часть диссертации посвящена созданию системы криогенного обеспечения ускорителя НУКЛОТРОН - нового сверхпроводящего синхротрона на энергию до 6 ГэВ/нуклон, построенного в ЛВЭ ОИЯИ в период 1987-92 гг. Установка НУКЛОТРОН как объект криостатиро-вания представляет собой регулярную структуру из 96 шт. дипольных и 64 шт. квадрупольных магнитов, расположенных в кольцевом тоннеле под синхрофазотроном по периметру 251,5 м. Магниты имеют следующие основные характеристики:

ДИПОЛЬ

Длина

Масса

Индукция при поминальном токе 6 кА Динамические тепловыделения при скорости нарастания поля В= 2Т/с и частоте 0,5 Гц Длина сверхпроводящего кабеля

КВАДРУПОЛЬ

Длина

Масса

Динамические тепловыделения Длина сверхпроводящего кабеля

1,5 м 500 кг 1,98 Т

21 Вт 62 м

0,45 м 200 кг 12 Вт 24 м

Так же, как и в установке СПИН, в НУКЛОТРОНе использованы ростые и экономичные магниты типа Дубна, в которых поле форми-устся посредством железного ярма. Они характеризуются минималь-ым расходом сверхпроводника, по ограничены по условиям насыщения елеза величиной индукции магнитного поля (до 2,3 'Г). Однако в от-ичие от СПИНа, конструкция магнитов НУКЛОТРОНа предусмат-ивает охлаждение более прогрессивным циркуляционным способом: зерхпроводящий кабель создан на основе мельхиоровой трубки диа-етром 5x0,5 мм, внутри которой циркулирует парожидкостной поток ;лия. На эту трубку спирально памотап сверхпроводящий провод, редставляющий собой медную проволочную матрицу диаметром 0,5 м, содержащую внутри 1045 шт. тонких ниобий-титановых волокон яаметром 10 мкм.

Каждый из дипольных и квадрупольных магнитов питается жидким :лием из коллектора, проложенного по всей длине ускорителя. В рас-этном режиме из сверхпроводящего кабеля гелий выходит с массовым ■фо содержанием около 0,35 и далее охлаждает железное ярмо соответ-гвующего магнита, после чего с пар о содержанием до 0,9 отводится в фатный коллектор. Основное питание дипольных и квадрупольных агнитов осуществляется посредством 12 охлаждаемых гелием токовво->в с номинальным током 6 кА.

При разработке к системе внешнего криогенного обеспечения редъявлялись следующие основные требования:

- Холодопроизводителыюсть на гелиевом температурном уровне в ибочем режиме от 1750 до 4620 Вт, в том числе:

для компенсации теплопритоков из окружающей среды - 1750 Вт;

для компенсации динамических тепловыделений - до 2870 Вт при астоте 0,5 Гц.

- Одновременно в рабочем режиме необходимо производить до 100 /час жидкого гелия, отводимого из криостата для охлаждения токовво-

)В.

- Охлаждение магпитной системы весом около 80 тонн от темпера-фы окружающей среды до 4,5 К не более чем за 120 часов.

В основу криогенной системы (рис.5) положены три агрегата охлаж-шия КГУ-1600/4,5. Как уже было сказано, каждая из установок КГУ-300/4,5 может производить до 2,18 кВт холода или около 490 л/час идкого гелия без использования жидкого азота. Одпако, эти режимы

Рис. 5. Принципиальная схема криогенной гелиевой системы НУКЛОТРОНа.

I - вакуумный кожух; 2 - теплозащитный экран; 3 - коллектор прямого потока; 4- коллектор обратного потока; 5 - дипольпый магнит; 6 - квадрупольпый магнит;

7 - переохладитель; 8 - сепаратор; 9 - блок охлаждения КГУ-1600/4,5; 10 - газгольдер;

II - ресивер; 12 - поршневой компрессор 1ВУВ-45/150; 13 - блок осушки; 14 - поршневой компрессор 305НП- 20/30; 15 - поршневой компрессор 2ГМ4-12/31;

16 - блок маслоочистки М0-800; 17 - винтовой компрессор "Каскад-80/25".

тока еще не отработаны: турбодетандер Т1 реально не используется, и установки с потреблением жидкого азота производят до 1,7 кВт холодй характеристика 2 рис.2).

Две установки КГУ-1600/4,5 подключены к соответствующему полу-юльцу, третья - резервная. Она предназначена для работы в ожижи-гельном режиме с подачей жидкого гелия (вентиль ВЗ) по теплоизолиро-юнному трубопроводу в любую из установок, подключенных непосред-:твенно на полукольцо ускорителя. При подаче жидкого гелия из ре-;ервной КГУ-1600/4,5 каждая из двух основных установок может быть 1ереведена в "сателлитный" режим, что обеспечивает циркуляцию не-»бходимого количества жидкого гелия на соответствующем полукольце НУКЛОТРОНа в течение вынужденных остановок турбодетандеров, фоизводимых вследствие их выхода из строя или необходимости замены по другим причинам. Кроме того, подключение резервной КГУ-.600/4,5 обеспечивает при необходимости форсированный режим при ювышенной холодопроизводительности.

В криогенной системе НУКЛОТРОНа задействованы компрессоры >азличных типов и модификаций. Применяемые компрессоры имеют :ледующие основные технические характеристики:

КАСКАД- 305НП- 2ГМ4- 1ВУВ-

80/25 20/30 12/31 45/150

1. Количество, шт. 2(1) 3 4 4

2. Тип винт. поршн. поршп. поршн.

3. Производительность, м3/час 5040 1200 840 45

4. Давление на пагпетапии, МПа 2,5 3,0 3,1 15,0

5. Установленная мощность 2x630 200 160 22

электродвигателя, кВт

6. Напряжение электродвигателя, В 6000 380 380 3S0

7. Число ступепей сжатия 2 3 3 3

8. Число оборотов компрессора, 2970 500 740 620

об/мин

9. Расход охлаждающей воды, м3 /час 60 15 7,2 1,5

К настоящему времени на криогенной системе НУКЛОТРОНа уста-¡овлеп только один агрегат "Каскад-80/25"; в перспективе планируется вести в действие еще одну такую машину. Суммарная производитель-:ость комрессоров, расположенных в машзале НУКЛОТРОНа, уста-ювленная мощность и расход охлаждающей воды составляют соответ-твенно 12240 м3/час, 2600 кВт и 155 м3 /час.

Агрегат "Каекад-80/25" имеет на выходе систему очистки от масл; и влаги, основным элементом которой является блок М0-800 произвол ства НПО "Криогенмаш". Система хранения сжатого гелия вмещае' 6000 нм3. Кроме того, имеется три маслозаполненных газгольдера объе мом по 20 м3. Основная работа производится только на одном из них два других используются для испытаний на герметичность отдельны: компрессоров после их ремонта.

Первое охлаждение НУКЛОТРОНа после сборки всех элементо] кольца в тоннеле и комплексной проверки подсистем было начато 1' марта 1993 г. За 100 часов на всех элементах была достигнута темпе ратура около 4,5 К. Диполи и линзы были запитаны постоянным токог. 90 А. Затем в вакуумную камеру НУКЛОТРОНа был инжектирова! пучок дейтронов с энергией 5 МэВ и началась работа по его проводке 26 марта были зарегистрированы первые обороты пучка в кольце - эт; дата общепризнана как дата ввода в действие первого сверхпроводящей ускорителя тяжелых ядер на высокие энергии.

В течение года после первого запуска всего кольца было проведенс еще три сеанса работы. В четвертом сеансе работы НУКЛОТРОНа проходившем в марте 1994 года, было осуществлено значительное по вышение энергии ускоренных частиц - максимальный импульс пучкг дейтронов составил 3,8 СеУ/с.

С точки зрения пускового периода магнитной системы все четыре проведенных сеанса практически не отличались. Полное захолажива-ние и стабилизация параметров происходит в течение 100-120 часов Детальная картина распределения температур по периметру магнитной системы в ходе охлаждения представлена на рис.6.

Сеансы работы НУКЛОТРОНа проводились в различных состава? оборудования. Так, в декабре 1993 года пуск ускорителя осуществлялся на двух турбодетандерах ступени предварительного охлаждения к парожидкостном детандере в каждой из двух установок КГУ-1600/4,5. Этому составу оборудования соответствует характеристике 2 на рис.2. Избыток холодопроизводительности позволил одновременнс с криостатйрованием кольца НУКЛОТРОНа производить 420 л/час жидкого гелия на слив в стационарную емкость. В соответствии с характеристикой рефрижератора количество дополнительно производимого жидкого гелия эквивалентно избыточной холодопроизводительности 1650 Вт. Это подтверждает уже приведенную нами ранее оценку

1С. 6. Эшорц температур магнитных элемептов по периметру НУКЛОТРОНа в ходе скового периода.

/ммарных стационарных теплопритоков.

В сеансе марта 1994 г. установки КГУ-1600/4,5 работали без па-эжидкостных детандеров, т.е.на характеристике 1. При максималь-эм токе, подаваемом в магниты, для охлаждения токовводов отводилось <оло 60 им3 гелия в час, что соответствует около 90 л/час жидкости, этой ситуации был полный баланс между холодопроизводительностыо ефргокераторов и потребностью в холоде на кольце.

В течение одного года с первого пуска системы криогенного обес-гчения НУКЛОТРОНа она проработала в сеансах ускорителя около ]00 часов. Одновременно с этим по программе ожижения гелия было сработано дополнительно еще 2000 часов. Общая наработка в течение 300 часов в год без существенных сбоев показала высокую надежность тстемы.

Большинство элементов криогенного комплекса НУКЛОТРОНа -токи установок КГУ-1600/4,5, компрессорное оборудование, оборуцо-шие системы очистки и хранения гелия - было смонтировано и пу-;ено в работу еще в 1990 году, несколько ранее, чем это потребовалось о графику запуска самого ускорителя. В связи с этим было рассмо-

трено несколько предложений по использованию комплекса и в други целях. Наиболее важными оказались две из таких возможностей: улуч шение вакуума в действующем синхрофазотроне и ожижение гелия промышленных масштабах.

Применение системы криогенного обеспечения НУКЛОТРОНа поз волило с помощью криооткачки по всему периметру камеры синхрофа зотрона с объемом 75 м3 на порядок улучшить вакуум. Это дало воз можность впервые на ускорительном комплексе ЛВЭ ОИЯИ ускорит: ядра серы.

С середины 80-х годов создаваемые для ускорителей криогенные ком плексы интенсивно используются в целях ожижения гелия. За это врем; накоплен большой опыт заполнения транспортных сосудов от 100 д* 40000 литров как от одной установки КГУ-1600/4,5, так и от парал лельно работающих таких установок. В диссертации рассмотрены экс плуатационные параметры КГУ-1600/4,5, работающих в режиме сливг в транспортные цистерны.

Существенно улучшено снабжение жидким гелием как сторонних потребителей, так и потребителей ОИЯИ с включением в состав системк криогенного обеспечения НУКЛОТРОНа стационарного сосуда жидкого гелия вместимостью 36000 литров. При этом в системе работают одновременно две установки с производительностью до 1000 л/час.

Для нужд ОИЯИ в 1993 году в 500-литровые транспортные сосуды Дьюара произведено около 60000 литров жидкого гелия. Основными потребителями стали стенды для испытаний различных элементов НУКЛОТРОНа, но значительное количество гелия произведено и для других физических приборов и экспериментов. Оренбургский гелиевый завод - одно из основных девяти производств гелия в мире - до 1992 года не имел выхода на западно-европейский рынок в связи с отсутствием ожижителей гелия. Использование криогенного комплекса по заказам этого предприятия позволило произвести на экспорт по контрактам с фирмами "Air Products" и "ВОС" в течение 1993 года более 1 млн. литров жидкого гелия.

В заключении приводятся тезисы, отражающие научную новизну и практическую ценность, формулируются основные результаты:

1. Созданы крупнейшие в стране по холодопроизводителыюсти на гелиевом температурном уровне, высоконадежные и эффективные сис-

темы криогенного обеспечения сверхпроводящего синхротрона СПИН и НУКЛОТРОНА - нового сверхпроводящего ускорителя релятивистских ядер.

2. Успешное осуществление этих работ обусловлено привлечением наиболее современной элементной базы: проведены испытания, доводка и практическое внедрение головных образцов различного оборудования, поставляемого НПО ГЕЛИЙМАШ, НПО КРИОГЕНМАШ, АО НИИтурбокомпрессор, а также изготовленного силами ОИЯИ. Важнейшие из таких элементов - блоки охлаждения установок КГУ-1600/4,5, винтовой компрессорный агрегат КАСКАД-80/25, парожидкостные гурбодетандеры, микропроцессорные системы диагностики и управления.

3. Высокая надежность и эффективность созданных криогенных систем обеспечена предложенными схемными решениями и методиками исследования режимов работы криогенного оборудования, полученными на их основе расчетными и экспериментальными зависимостями - характеристиками рефрижераторов, работающих в комбинированных режимах при одновременном производстве холода и жидкого гелия, оптимизацией режимов сателлитных рефрижераторов.

Основные результаты диссертации опубликованы в работах:

1. Агапов H.H. и др. Многоцелевая гелиевая холодильная установка. Тезисы докладов I Всесоюзной конференции по криогенной технике, ЦИНТИХИМНЕФТЕМАШ, М, 1973, с. 139-140.

2. Агапов H.H., Белушкин В.А., Зельдович А.Г. Многоцелевой гелиевый рефрижератор. Реф. сб. "Химическое и нефтяное машиностроение", ЦИНТИХИМНЕФТЕМАШ, М, 1976, N2, с.32-33 . Препринт ОИЯИ Р8-8850, Дубна, 1975.

3. Агапов H.H. и др. Импульсный дипольный магнит из трубчатого сверхпроводника с циркуляционной системой криостатирования. ПТЭ, N2, 1981, с.196-199. Cryogenics, 1980, v.20, N6, р.345 - 348. Препринт ОИЯИ Р8-12786, Дубна, 1979.

4. Агапов H.H., Белушкин В.А., Зельдович А.Г. Термодинамический анализ систем криостатирования сверхпроводящих устройств с циркуляцией жидкого гелия. Труды III Международного семинара

ИКФА "Возможности и ограничения сверхпроводящих магнитов уско рителей", Протвино, с.192-205. Препринт ОИНИ 8-80-81, Дубна, 1981 Тезисы докладов Всесоюзной научно-технической конференции "Повы шение эффективности процессов и оборудования холодильной и крио генной техники", JL, 1981, с.112.

5. Агапов H.H. и др. Микропроцессорная система управление большим гелиевым ожижителем. Труды VIII Всесоюзного совещания п< ускорителям заряженных частиц. Дубна, 1983, т.Н, с.346-348. Пре принт ОИЯИ Р8-82-368, Дубна, 1982.

6. Криогенные приборы и устройства в ядерной физике. /Под ред А.Г.Зельдовича. Авт. Н.Н.Агапов, Н.И.Баландиков, В.А.Белушкин i др. М., Энергоиздат, 1982.

7. Агапов H.H., Белушкин В.А., Зельдович А.Г. Криогенные сис темы сверхпроводящих ускорителей. Журнал "Физика элементарны? частиц и атомного ядра", 1982, т.13, вып.5, с.982-1023.

8. Агапов H.H., Базылева Н.П., Слепнев В.М., Турзо И. Матобеспечение для системы управления большим гелиевым ожижителем Сообщение ОИЯИ 10-83-357, Дубна, 1983.

9. Агапов H.H., Суханова А.К. Особенности криообеспечения ускорителя со сверхпроводящими магнитами, погруженными в кипящий гелий. Сообщение ОИЯИ 8-83-702, Дубна, 1983.

10. Агапов H.H. Термодинамический анализ и оптимизация криогенных гелиевых систем с сателлитными рефрижераторами. Сообщение ОИЯИ 8-84-165, Дубна, 1984.

11. Агапов H.H., Королев B.C., Слепнев В.М., Турзо И. Алгоритмы автоматического управления криогенной гелиевой установкой КГУ-1600. Сообщение ОИЯИ 8-85-111, Дубна, 1985.

12. Шелаев И.А., Алфеев B.C., Агапов H.H. и др. Криогенная система сверхпроводящего синхротрона СПИН. Препринт ОИЯИ Р9-85-593, Дубна, 1985.

13. Агапов H.H. и др. Результаты предварительных испытаний внешней криогенной системы для сверхпроводящего ускорителя СПИН. Сообщение ОИЯИ 8-86-368, Дубна, 1986.

14. Давыдов А.Б., Кобулашвили А.Ш., Щербаков В.Д., Агапов H.H. и др. Парожидкостный турбодетандер криогенной гелиевой установки. Журнал "Химическое и нефтяное машиностроение", 1989, N4, с.23-24. Сообщение ОИЯИ 8-86-711, Дубна, 1986.

15. Агапов H.H. и др. Результаты испытаний головного образца винтового компрессорного агрегата "Каскад-80/25". Сообщение ОИЯИ 8-90-304, Дубна, 1990.

16. Агапов H.H. и др. Система криогенного обеспечения НУКЛО-ТРОНа - сверхпроводящего ускорителя релятивистких ядер. Тезисы докладов Международной научно-практической конференции "Криогенная техника - науке и производству", ЦИНТИХИМНЕФТЕМАШ, М., 1991. Сообщение ОИЯИ Р8-90-481, Дубна, 1990.

17. Агапов H.H., Назмутдинов P.M., Куприянов А.Н. и др. Гелиевая винтовая двухступенчатая компрессорная установка "Каскад-80/25" Инф. сборник "Химическое и нефтяное машиностроение ", 1991, N1, с.18-21.

18. Агапов H.H. и др. Исследование работы гелиевого винтового маслозаполненного агрегата "Каскад-80/25" в вакуумно-компрессор-ном режиме. Сообщение ОИЯИ Р8-91-510, Дубна, 1991.

19. Агапов H.H. и др. Согласование производительностей ступеней гелиевого винтового маслозаполненного агрегата "Каскад-80/25". Сообщение ОИЯИ Р8-91-509, Дубна, 1991.

20. Агапов Н.Н.,Белушкин В.А.,Зельдович А.Г.Исследование нерасчетных режимов гелиевого рефрижератора. Препринт ОИЯИ 8-9436, Дубна, 1976.

21. Караганов Л.Т.,....... Агапов H.H. и др. Вакуум-компрессорные

характеристики гелиевого винтового маслозаполненного агрегата. В кн.: Тезисы докладов Всесоюзной научно-практической конф. "Холод - народному хозяйству", ЛТИХП, 1991, с.148.

22. Агапов H.H.и др. О возможности криостатирования сверхпроводящих магнитных систем ускорителей с использованием струйных насосов для циркуляции жидкого гелия. - В кн.: Труды X Международной конференции по ускорителям заряженных частиц высоких энергий. Серпухов: 1977, т.Н, с.241-252.

23. Agapov N.N. et al. Study of a liquid helium jet pump for circulating refrigeration systems. - Cryogenics, 1978, v.18, N8, p.491-496.

24. Agápov N.N. et al. Study of jet pumps for circulating a helium two - phase mixture. - Cryogenics, 1980, v.20, N4, p.200-202.

25. Baldin A.M., Agapov N.N. et al. Cryogenic system of the NU-CLOTRON - a new superconducting synchrotron. Препринт ОИЯИ E9-93-273, 1993. Advances in Cryogenic Engineering, 1994, v.39.

p.501-508. Тезисы докладов конференции Cryogenic Engineering Conference, Albuquerque, New Mexico, 1993, p.84.

26. A.D. Kovalenko, N.N. Agapov et al. The first run with S rela-tivistic nuclei at the LHE acselerating facility in Dubna. JINR Rapid Communications N2(59) - 93, p.53-55, Dubna, 1993.

27. H.H. Агапов, В.В. Крылов, Т.В. Никиткина. Опыт эксплуатации КГУ-1600/4,5 в ожижительном режиме. Сообщение ОИЯИ 8-91-575, Дубна, 1991.

28. A.M.Baldin, N.N. Agapov et al. Cryogenics of the new superconducting accelerator NUCLOTRON - the first year under operation -Abstract Booklet of the 15th Int. Cryogenic Eng. Conf., Genova, Italy, 1994, p.12.

29. N.N. Agapov, A.M. Baldin et al. Cooling of the superconducting correction impulse magnets for the accelerator NUCLOTRON - Abstract Booklet of the 15th Int. Cryogenic Eng. Conf., Genova, Italy, 1994, p.321.

Рукопись поступила в издательский отдел 31 октября 1994 года.