低溫樓超低溫環(huán)境設(shè)計(jì)研究

涂 強(qiáng)

(中國(guó)航空規(guī)劃設(shè)計(jì)研究總院有限公司，北京 100120)

1 工程項(xiàng)目概況

低溫樓位于北京市昌平區(qū)十三陵神路東側(cè)，國(guó)家計(jì)量院實(shí)驗(yàn)基地內(nèi)。低溫樓由實(shí)驗(yàn)室和輔助樓兩個(gè)部分組成，兩部分間通過(guò)走廊連接。實(shí)驗(yàn)室為地下1層，層高7 m，地上1層，層高7 m。輔助樓為單層，層高5 m?？偨ㄖ娣e約4 000 m2。低溫樓由量子霍爾低溫實(shí)驗(yàn)室、交流霍爾低溫實(shí)驗(yàn)室等十幾個(gè)實(shí)驗(yàn)室組成，最低溫度可達(dá)到4.2 K。部分實(shí)驗(yàn)室為24 h不間斷保證超低溫環(huán)境。由于實(shí)驗(yàn)設(shè)備有振動(dòng)要求，在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)時(shí)，嚴(yán)禁使用可產(chǎn)生振動(dòng)的設(shè)備，因此各實(shí)驗(yàn)室需要的配套動(dòng)力設(shè)備設(shè)置在輔助樓內(nèi)，均通過(guò)管道系統(tǒng)連接低溫樓內(nèi)實(shí)驗(yàn)室，達(dá)到所需要的實(shí)驗(yàn)要求，并且輔助樓內(nèi)的動(dòng)力設(shè)備均做減震處理，所有管道均敷設(shè)在實(shí)驗(yàn)室外的走廊吊頂內(nèi)。本文主要論述如何達(dá)到4.2 K超低溫實(shí)驗(yàn)環(huán)境。

2 工作原理

在低溫樓內(nèi)，實(shí)驗(yàn)室需達(dá)到超低溫環(huán)境的實(shí)驗(yàn)器容積約100 L，所有實(shí)驗(yàn)室可同步工作。具體的工作流程為：首先將試驗(yàn)器內(nèi)部抽真空，極限真空壓力5×10-4乇，然后注入液氦，利用液氦的物理特性，實(shí)現(xiàn)最低溫度4.2 K，由于液氦不斷氣化，容器內(nèi)的溫度不斷提高，為維持超低溫環(huán)境，需要不斷補(bǔ)充液氦。實(shí)驗(yàn)器內(nèi)液氦氣化后，排出的氦氣將通過(guò)氣囊收集，再經(jīng)過(guò)高壓壓縮機(jī)壓縮，分別通入儲(chǔ)氣罐、鋼瓶、純化器、液氦機(jī)，高壓氦氣經(jīng)過(guò)液氦機(jī)制得液氦后，裝入低溫杜瓦瓶后，人工推至實(shí)驗(yàn)容器循環(huán)使用。氦氣補(bǔ)充采用高純鋼瓶外購(gòu)氦氣?；厥蘸笫Ｓ鄽怏w壓縮至儲(chǔ)氣罐、鋼瓶存儲(chǔ)。具體流程見(jiàn)圖1。

3 系統(tǒng)介紹

3.1 液氦及氦氣回收系統(tǒng)

由于實(shí)驗(yàn)器液氦需求量較大，并且使用時(shí)間長(zhǎng)，為保持實(shí)驗(yàn)器內(nèi)溫度，需要將不斷氣化的氦氣排出。如果將氣化后氦氣放空，氦氣消耗量太大，而高純氦氣的價(jià)格昂貴，將導(dǎo)致運(yùn)行費(fèi)用過(guò)高。如果不考慮回收，將增加維持低溫環(huán)境的費(fèi)用，通過(guò)技術(shù)經(jīng)濟(jì)綜合比較，在本系統(tǒng)中設(shè)置氦氣回收系統(tǒng)為更優(yōu)選擇。具體流程為實(shí)驗(yàn)器低溫環(huán)境產(chǎn)生低壓氦氣，通過(guò)架空不銹鋼管道輸送至輔助樓30 m3儲(chǔ)氣囊，儲(chǔ)氣囊底標(biāo)高4.5 m，室內(nèi)架空安裝。然后再通過(guò)高壓壓縮機(jī)壓至高壓儲(chǔ)氣罐和高壓氣瓶存儲(chǔ)氦氣，循環(huán)使用。有制液氦需求時(shí)，則高壓機(jī)出口的氦氣經(jīng)減壓后，至純化器再進(jìn)入制液氦系統(tǒng)。液氦系統(tǒng)內(nèi)高純氦氣存貯于5 m3儲(chǔ)氣罐內(nèi)，經(jīng)螺桿壓縮機(jī)增壓后，進(jìn)入制液氦系統(tǒng)，經(jīng)二次膨脹和分流及六次換熱制得液氦，分流的低溫不純氣體，經(jīng)換熱后排放至大氣。液氦存入1 m3杜瓦瓶。使用時(shí)將液氦從積液杜瓦瓶送至小杜瓦瓶，小杜瓦瓶移動(dòng)至實(shí)驗(yàn)器設(shè)備側(cè)使用。液氦系統(tǒng)制氦能力為40 L/h，如果利用液氮對(duì)氦氣進(jìn)行初級(jí)預(yù)冷，制氦能力增加為70 L/h～80 L/h。

3.2 真空系統(tǒng)

真空系統(tǒng)是實(shí)驗(yàn)器內(nèi)環(huán)境達(dá)到超低溫的關(guān)鍵。真空系統(tǒng)主要有三方面作用。作用一：提高容器內(nèi)的氦氣純度，真空度越高氦氣在容器內(nèi)的純度越高，能達(dá)到的溫度越低。真空度要求越高，達(dá)到真空度越難，需要配套的設(shè)備和管道的要求越高，投資增加、真空系統(tǒng)控制難度加大。真空系統(tǒng)作用二：降低液氦在容器內(nèi)的溫度。真空系統(tǒng)作用三：有助于液氦的輸送和氦氣的回收。因此選擇合適的壓力、流量真空系統(tǒng)尤為重要。

低溫樓共有13處真空用戶，真空泵設(shè)在輔助站房?jī)?nèi)，真空泵為2X-30型，抽氣速率30 L/s，真空泵的極限真空度為5×10-4乇，在真空泵吸口設(shè)1 m3真空罐，管道沿墻或柱架空敷設(shè)至各真空用戶。

3.3 液氮系統(tǒng)

在輔助站房北側(cè)設(shè)5 m3液氮罐一個(gè)，液氮從市區(qū)氣體廠購(gòu)置，由液氮槽車?yán)烈旱迋?cè)，向液氮罐補(bǔ)充液氮。液氮在低溫樓內(nèi)實(shí)驗(yàn)室。主要有兩個(gè)用途：用途一：低溫樓內(nèi)實(shí)驗(yàn)室的低溫實(shí)驗(yàn)器需達(dá)到63 K，通過(guò)將液氮杜瓦罐，拉至低溫實(shí)驗(yàn)器側(cè)，采取液氮制冷方式，獲得實(shí)驗(yàn)器低溫環(huán)境。氮?dú)庵苯优欧?，不考慮回收。用途二：為液氦機(jī)提供初級(jí)冷源，將氦氣初步冷卻接近至液氮溫度，以增加液氦機(jī)的液氦制備能力，氮?dú)庵苯优欧?，不考慮回收。

3.4 氦氣系統(tǒng)

氦氣系統(tǒng)分兩部分，一部分為氦氣供應(yīng)系統(tǒng)(補(bǔ)氣系統(tǒng))，一部分為氦氣回收系統(tǒng)(前文已經(jīng)論述)。

氦氣供應(yīng)系統(tǒng)(補(bǔ)氣系統(tǒng))，氦氣為外購(gòu)，氦氣瓶為普通氦和高純氦均可使用，但普通氦氣，會(huì)增大液氦機(jī)的負(fù)擔(dān)，減少制液量。如果使用時(shí)間間隔長(zhǎng)，采用普通氦氣即可，減少運(yùn)行費(fèi)用。反之，采用高純氦氣。供應(yīng)系統(tǒng)具體流程為輔助樓內(nèi)匯流排間設(shè)置5瓶組匯流排一套，瓶?jī)?nèi)氣體經(jīng)減壓后，通過(guò)管路分別接至回收氦氣的高壓氣罐和5 m3儲(chǔ)氣高純氣罐。當(dāng)匯流排采用普通氦氣時(shí)，連通回收系統(tǒng)管道，關(guān)閉通高純氣罐管道。如果采用高純氦氣瓶時(shí)，關(guān)閉回收系統(tǒng)管道，連通高純氣罐管道。

4 結(jié)論和建議

通過(guò)對(duì)超低溫系統(tǒng)的分析和研究，提出如下結(jié)論和建議：

1)要實(shí)現(xiàn)超低溫環(huán)境，保證氣體純度是成敗的關(guān)鍵。因此，管道系統(tǒng)的施工也是一個(gè)不容忽視的重要環(huán)節(jié)。

2)液氮預(yù)冷是否使用，應(yīng)充分考慮液氦制備時(shí)間。如果實(shí)驗(yàn)間隔時(shí)間充裕，可不采用液氮預(yù)冷。

3)氦氣補(bǔ)氣系統(tǒng)是購(gòu)買(mǎi)普通氦氣還是高純氦氣，應(yīng)根據(jù)液氦機(jī)的能力和實(shí)驗(yàn)要求綜合考慮，盡量采用普通氦氣。