维持低温超导设备正常运行所需要的低温条件，是利用氦制冷机(氦液化器)来实现，工作温度都在4.2 K温区及以下[1-4]．这些大科学装置对液氦温区的大型低温系统需求迫切且规模大、范围广．此外，大型氦低温系统在环境与能源安全、航空航天等方面也有广泛的应用．大型氦液化系统的操作和配置取决于要求的复杂性和装置的限制，其系统运行参数对系统性能有着相互依赖的影响[5-7]．Collins循环是许多大型氦液化循环的基础循环，其循环参数对系统性能的影响已经有很多文章进行了研究[8-9]．影响氦气液化循环效率的因素有很多，如质量流量、工作压力和温度等关键参数，膨胀机的布置和部件效率等．文献[10-12]对影响大型氦液化器性能的因素进行了大量研究．文献[13]研究了带有三级和四级膨胀器循环中中间压力对㶲效率的影响．文献[14]以压缩机排气压力、换热器有效UA值和膨胀机流量为独立参数，研究了氦液化系统的性能．文献[15]设计并开发了使用超高速透平膨胀机的基于改进的克劳德循环的氦液化器，试验中液化速率约为32 L/h，制冷量为190 W．文献[16]在此氦液化器的基础上，提出了一种新型的透平膨胀机，其具有更高的叶轮扩压器径向间隙和更低的叶轮长径比．在前人研究的基础上，针对氦液化流程节流前参数的优化，提出了一种新型的双压高效氦液化流程，设计并搭建了氦液化试验平台，研究不同中压压力对于流程液化率的影响．1 氦液化流程原理及㶲分析方法1.1　新型双压氦液化流程氦液化流程的基础循环为两级透平串联的modified-Claude循环，其流程图见图1(a)．图1(b)给出了新型双压氦液化循环的流程图，图中序号代表了流程中各参数点．设计流程中，包括2个压缩机(C1和C2)、6个换热器(HEX1~HEX6)、2个透平膨胀机(E1和E2)、液氮入口调节阀(CV1)、透平入口阀(CV2)、节流阀(CV3)及液氦杜瓦(D)．10.13245/j.hust.240077.F001图1两种氦液化循环流程图在双压流程中，低压氦气从冷箱中出来，进入一级压缩机后，被压缩至中压，一部分中压氦气进入冷箱后不经过透平，直接经过六级换热器进入节流阀中节流产生液氦．另一部分从一级压缩机中出来的中压氦气进入第二级压缩机中被压缩至高压，进入HEX1和HEX2中后进入两级透平中膨胀制冷至低压压力，回流到低压管路中．在氦液化流程中，节流阀前的温度压力会直接影响流程的液化率，对于每一个节流前温度都存在一个最佳的节流前压力，如图2所示．现有的氦液化流程中的高压压力即节流前压力在1.3 MPa~1.5 MPa左右，而当液化过程中氦气节流前的温度在6 K左右时，从图中可以看出，其最佳节流前压力在7×105 Pa左右，节流点偏离了最佳状态．因此提出了双压流程，当保证高压路压力不变时，即透平膨胀机提供冷量不变的情况下，只降低中压路的压力，使节流前压力接近最佳状态点．此流程的创新点如下．10.13245/j.hust.240077.F002图2不同温度下节流前压力对液化率的影响a．相较于传统的氦液化循环，此流程处于最佳节流状态下，减小了节流阀处的能量损耗和压缩机功耗，并且提高了流程的效率． b．流程中节流路与高压透平路分开，试验时可以分别控制两路流量，提高了试验系统运行中的稳定性和安全性．图3中为氦液化循环温熵图．图中：红线部分为高压氦气路；橙线为中压氦气路；蓝线为低压氦气路．各参数点与图1(b)对应，其中：2～6点为冷箱内换热器HEX1~HEX6中压氦气出口温度降低的过程，2点温度为80 K左右，7点温度为6 K左右；7~8点为节流阀等焓节流过程，中压氦气经过节流后为气液两相，液氦存储在液氦杜瓦中，氦气回流到低压管道中；9~15点为4.4 K的低压氦气经过各级换热器温度升高的过程；20~21点为一级透平膨胀机绝热压缩过程；22~23点为二级透平膨胀机绝热压缩过程．10.13245/j.hust.240077.F003图3流程温熵图1.2　㶲分析方法考虑到实际情况，在试验及数据处理的过程中采用了如下假设：a．由于试验条件限制，因此试验中只使用一台压缩机，流程中中压路氦气由高压氦气节流得到，计算时假设有两台压缩机，给定绝热效率计算得到流程的功耗；b．选取系统工况稳定时的参数点；c．忽略系统与环境的散热损失；d．流程中液氮消耗量根据阀门流量系数值及液氮进出口压降计算．流程中压缩机出口焓值为h1=h2+(h3-h2)/ηc_s，式中：h1为压缩机出口比焓值；h2为压缩机入口比焓值；h3为压缩机等熵压缩理论出口比焓值；ηc_s为压缩机等熵效率．压缩机耗功Wc=m˙com(h1-h2)，其中m˙com为压缩机工质质量流量．系统中透平膨胀机的等熵效率ηs=(h4-h5)/(h4-h6)，式中：h4和h5分别为透平膨胀机进出口焓值；h6为等熵过程理论出口焓值．㶲分析是评判流程性能和流程效率的有效方法，其克服了能量分析的局限性，通过准确量化系统中每个部件的熵来预测每个部件的效率，对于复杂系统的优化设计提供了理论分析的工具．对于氦液化流程的㶲分析已经有很多学者进行了研究[17-18]．㶲流定义为E˙flow =v˙e，其中：v˙为流体质量流速；e为单位质量㶲值．氦液化流程㶲效率为η1=E˙2Wcom+E˙1×100%，式中：Wcom为压缩机总耗功；E˙1为液氮所消耗的㶲；E˙2为产生的液氦的㶲值．换热器中的㶲损失是由有限温差的传热引起的．换热器的㶲损失为E˙D_HX=v˙c(ecin-ecout)-v˙h(ehout-ehin)，式中：ecin和ecout分别为换热器冷流进出口的㶲值；ehin和ehout分别为换热器冷流进出口的㶲值；v˙C和v˙H分别为进出换热器冷流和热流的质量流量．透平膨胀机和节流阀的㶲损失定义为E˙D_EXP=E˙E_in-E˙E_out-W˙E；E˙D_CV=E˙C_in-E˙C_out，式中：W˙E为透平膨胀机输出功；E˙E_in和E˙E_out为透平膨胀机进出口㶲值；E˙C_in和E˙C_out为阀门进出口㶲值．2 氦液化器试验平台搭建氦液化系统常温部分包括压缩机、滤油器、阀门、外纯化器及气体纯度分析仪等．冷箱内包括换热器，透平膨胀机、气动调节阀门及连接管道．液氦杜瓦与冷箱由低温管线连接．液氦杜瓦中放置液面传感器及加热器．由于试验条件限制，试验中仅有一台高压压缩机，因此在压缩机高压氦气出口添加节流阀，中压氦气通过节流阀节流得到．压缩机是氦液化流程的核心部件，采用的是无锡压缩机公司的喷油螺杆压缩机，最大功率为220 kW，吸气压力为1.05×105 Pa，最高排气压力为1.45 MPa．氦液化器冷箱内核心制冷部件为流程中串联的两个透平膨胀机，其设计转速均为2.15×105 r/min．在试验过程中透平转速由透平前的阀门CV2控制．透平膨胀机制动段配备有水冷式换热器，用来带走透平运行过程中制动轮带来的压缩热．冷箱中有5个换热器，设计流程中的HEX2和HEX3设计合并为一个三股流换热器HEX2&3，换热器设计参数如表1所示．10.13245/j.hust.240077.T001表1换热器参数编号长/mm宽/mm高/mm换热量/kWHEX11 40045022048.1HEX2&31 80045019111HEX41 7504502243.5HEX51 5504502110.7HEX67504501130.3流程中采用容积为500 L的液氦杜瓦，在液氦杜瓦中放置液面传感器测量试验过程中的液面高度从而计算杜瓦中的液氦体积．在杜瓦底部放置有加热器，其最大加热功率为400 W．在流程图中数据采集点处布置温度传感器和压力传感器．冷箱内温度较低，要求精度较高因此采用CERNOX薄膜式温度传感器，精度可达3×10-3 K．常温部分采用PT100温度计，测量精度为0.1 K．压力传感器采用北京昆仑海岸公司的JYB型压力传感器．流量计采用浮子流量计，分别在冷箱中压氦气入口和高压氦气入口处布置．其量程均为70~700 N∙m3/h．试验系统中的数据采集到控制柜的数据模块中后传输到电脑中，通过Step7软件及WINCC程序集成到电脑界面进行操作．3 试验结果3.1　降温过程试验过程中冷箱中的降温曲线如图4所示，图中T1~T6分别为各级换热器出口温度．试验时先打开阀门CV1开始液氮预冷，同时打开旁通阀门CV5，此过程大概持续2 h，当HEX1的出口温度到达80 K之后，便打开阀门CV2，开启透平膨胀机开始预冷后几级换热器．大约在1 750 min，当二级透平膨胀机的出口温度接近80 K时，打开阀门CV3和CV4，预冷液氦杜瓦．从图4中可以看到：HEX6的出口温度快速下降，达到80 K左右后开始缓慢下降．在2 500 min处，冷箱内各换热器出口温度均达到稳定．10.13245/j.hust.240077.F004图4冷箱内换热器出口温度随时间的变化冷箱内透平膨胀机进出口温度如图5所示．HEX1的出口温度始终在80 K左右，降温过程中由于液氮流量的调节会存在波动．HEX2&3的出口温度在40 K左右．从图5中可以看出，稳定后一级透平的出口温度在40 K左右．二级透平的出口温度稳定在14 K左右，与HEX4的出口温度一致．当液氦杜瓦中温度到达4.5 K后，液氦杜瓦中开始积液，当液化过程中各参数基本不变时，通过记录液氦杜瓦中液氦液位变化来计算液化率．10.13245/j.hust.240077.F005图5透平膨胀机进出口温度随时间的变化 1—一级透平入口温度；2—一级透平入口温度；3—二级透平入口温度；4—二级透平出口温度．3.2　液化过程参数液化过程中氦气质量流量随时间的变化如图6所示．试验中高压压力稳定在12.5×105 Pa，首先在中压压力为1.1×106 Pa处测试液化量，在工况稳定后，中压氦气质量流量基本稳定在9 g/s，而高压流量基本稳定在33.4 g/s．随着中压压力的降低，试验中高压氦气质量流量保持在33.4 g/s不变，而中压氦气流量减小．恒定的高压氦气质量流量保证透平膨胀机提供的冷量基本不变，当中压压力越高时，可以冷却的中压氦气质量流量越大，因此中压氦气流量随着压力增加而增加．10.13245/j.hust.240077.F006图6液化过程中氦气质量流量随时间的变化图7为透平效率和转速在液化过程中的变化．当工况稳定时，中压压力变化时一级透平膨胀机(EXP1)透平效率基本保持不变．二级透平膨胀机(EXP2)效率在中压压力为7.0×105 Pa处最高．随着中压压力的增加，EXP1的转速基本保持在2.14×105 r/min左右，而EXP2的转速随之增加，因为当中压压力提高时，其二级透平膨胀机入口温度随之增加，因此质量流量相同时，其体积流量增加，透平膨胀机转速也随之增加．10.13245/j.hust.240077.F007图7透平效率及转速随中压压力的变化根据液化过程中的液位变化，计算液化过程1 h的液化量，得到流程的液化率．液化器稳定运行时的参数如表2所示．当中压压力为7.0×105 Pa时，液化量为90.46 L/h；当中压压力为12.5×105 Pa时，液化量为107.4 L/h．流程液化率也随着中压压力的增加而增加．10.13245/j.hust.240077.T002表2液化流程稳定运行时的参数参数中压压力/(105 Pa)7.09.011.012.5EXP1转速/(103 r∙min-1)214.72215.20214.51214.93EXP2转速/(103 kr∙min-1)198.40202.71211.04215.50EXP1效率/%56.1556.4756.4656.40EXP2效率/%77.7075.6575.3175.26高压氦气质量流量/(g∙s-1)33.433.433.433.4中压氦气质量流量/(g∙s-1)7.37.79.09.4液化量/(L∙h-1)90.4694.50101.18107.403.3　㶲效率分析液化过程中冷箱内部件的㶲损失如表3所示，从表中可以看出：HEX1的㶲损失最大，流程中EXP2的㶲损失随中压压力的增加而减小，因为不同中压压力下一级透平膨胀机的出口压力不同，当中压压力7.0×105 Pa时，其出口压力为5.6×105 Pa，当中压压力为12.5×105 Pa时，其出口压力为6.2×105 Pa，而EXP2的出口压力相同，因此中压压力大时EXP2压降较大，其㶲损失也更大．10.13245/j.hust.240077.T003表3不同中压压力下冷箱内部件㶲损失部件中压压力/(105 Pa)7.09.011.012.5HEX111.3811.1811.4111.49HEX2&32.922.872.672.67HEX49.098.718.518.21HEX51.641.782.002.01HEX60.831.021.481.71EXP16.756.566.566.20EXP27.848.519.139.37CV2.863.624.985.86kW流程中HEX6和节流阀的㶲损失随中压压力的增加而增大，因为HEX6的热流入口温度随着中压压力的增加而增大，当中压压力7.0×105 Pa时，其热端入口温度为7.3 K，当中压压力为12.5×105 Pa时，热流入口温度为8.6 K，HEX6的热流出口温度保持不变，且换热器热端温差都在0.2 K左右，因此中压压力高时，氦气的温降较大，换热器的㶲损失较大．当中压压力越大时，其冷箱中部件总㶲损失越大，当中压压力从12.5×105 Pa降低到7.0×105 Pa时，其㶲损失也降低了8.8%，因此降低中压压力可以有效减小流程中的㶲损失，提高整体的效率．中压压力对液化率和㶲效率的影响见图8．试验中液氮流量稳定在20 g/s左右，假设压缩机效率为85%，计算液化过程的㶲效率．从图8中可以看到：其㶲效率在中压压力为7.0×105 Pa处最大，为18.6%，当中压压力降低时，虽然液化率随之降低，但其压缩机耗功也随之降低，末级换热器及节流阀的㶲损失减小，因此流程的㶲效率随之增加．10.13245/j.hust.240077.F008图8中压压力对液化量和㶲效率的影响3.4　双压循环与modified-Claude循环比较从双压循环与modified-Claude循环的流程图可以看出，当中压压力与高压压力相同时，即当中压压力最高为12.5×105 Pa时，节流阀前压力与高压氦气相同，其流程与modified-Claude循环的流程一致．流程稳定后的换热器参数见表4，表中给出了中压压力7.0×105 Pa和12.5×105 Pa处换热器热流出口和冷流入口温度及温差．在两种工况下，各换热器的换热温差相差很小，但是中压压力12.5×105 Pa处HEX2&3，HEX4和HEX5的氦气温度较高．两种工况下HEX6的热流出口温度和冷流入口温度相同，但是当中压压力为7.0×105 Pa时，其热流入口温度较低，冷热氦气流温降较小，因此其㶲损失较小．10.13245/j.hust.240077.T004表4换热器进出口温度部件7.0×105 Pa12.5×105 Pa热流出口冷流入口温差热流出口冷流入口温差HEX178.5078.150.4578.6578.450.20HEX2&335.1735.030.1439.1338.950.18HEX411.598.553.0413.9610.363.6HEX57.307.290.018.668.630.03HEX66.204.601.606.204.601.60K当中压压力为7.0×105 Pa和12.5×105 Pa时，流程的功耗分别为94.35 kW和123.7 kW，3.3节中计算得到其㶲效率分别为18.6%和17.5%，因此双压流程相较于modified-Claude循环效率更高，对于长期运行的氦液化系统来说，可以减小电能消耗．4 结论a．当中压压力为7.0×105 Pa时，系统的液化率为90.46 L/h，㶲效率为18.6%；当中压压力为12.5 ×105 Pa时，系统的液化率为107.4 L/h，流程㶲效率为17.5%． b．在高压氦气压力和高压氦气质量流量不变的情况下，冷箱内节流阀及末级换热器㶲损失随中压压力增加而增加．当中压压力7.0×105 Pa时，双压循环与modified-Claude循环相比，冷箱内总㶲损失降低了8.8%．c．随着中压压力增加，中压氦气质量流量随之增加，因此系统的液化率增加，但是其耗功量减小，系统㶲效率随之减小．双压循环具有更高的㶲效率，对于大型的氦液化系统，减小了压缩机功耗，具有更高的经济性．