CC BY
26
УДК 621.59
Криогенная система сверхпроводящего сепаратора для канала
каонов ускорителя ИФВЭ
Д-р техн. наук А. И. АГЕЕВ, канд. техн. наук С. С. КОЗУБ, М. Н. СТОЛЯРОВ
Anatoliy.Ageyev@ihep.ru ФГБУ ГНЦИнститут физики высоких энергий (ИФВЭ) 142281, Московская обл., г. Протвино, пл. Науки, 1
Для ускорительного комплекса У-70 ГНЦ ИФВЭ разработан и реализован проект канала сепарированных каонов для изучения редких распадов этих частиц. Получение пучка каонов производится с помощью сепаратора, состоящего из двух сверхпроводящих высокочастотных (ВЧ) дефлекторов. Расстояние между дефлекторами составляет 76м, планируемая мощность тепловыделений дефлекторов от ВЧ нагрузки на температурном уровне 1,8 К составляет 20 Вт. В данной статье приводится описание криогенной системы и опыт ее эксплуатации.
Ключевые слова: сверхпроводящий сепаратор, криогенная система, гелий, теплообменник.
Cryogenic system of a superconducting separator for the channel IFVE accelerator kaons
D. Sc. A. I. AGEEV, Ph. D. S. S. KOZUB, M. N. STOLYAROV
Anatoliy.Ageyev@ihep.ru Institute ofphysics of high energiya
A cryogenic system for cooling a superconducting separator of a new Kaon channel of an accelerator was developed and commissioned at Institute for High Energy Physics (IHEP). The separator consists of two superconducting RF cavities placed at 76 m distance between them. The cryogenic system cools these cavities by superfluid helium at a temperature of 1,8 K and has 280 W refrigeration capacity at 1,8 K. The design of the cryogenic system and experience of its operation are presented in this article. Keywords: superconducting separator, cryogenic system, helium, heat exchanger.
Введение
Для ускорительного комплекса У-70 ГНЦ ИФВЭ разработан и реализован проект канала сепарированных каонов для изучения редких распадов этих частиц. Предложение по созданию этого канала с использованием сверхпроводящего сепаратора сформулировано в работе [1], технические параметры приведены в [2]. Получение пучка каонов производится с помощью сепаратора, состоящего из двух сверхпроводящих высокочастотных (ВЧ) дефлекторов. Расстояние между дефлекторами составляет 76 м, планируемая мощность тепловыделений дефлекторов от ВЧ нагрузки на температурном уровне 1,8 К составляет 20 Вт.
Создаваемая криогенная система должна обеспечить одновременную работу двух дефлекторов и ЯР2 при температуре 1,8 К. Использование криогенной установки КГУ500-4,5/140 производительностью
150 л/ч в режиме ожижения и 500 Вт в рефрижераторном режиме при температуре 4,5 К, а также гелиевых компрессоров, системы хранения газообразного гелия, системы низкотемпературной очистки гелия, расположенных на расстоянии около 850 м от КГУ500-4,5/140, позволило существенно сократить сроки и стоимость создания системы охлаждения дефлекторов.
Схема криогенной системы для охлаждения сверхпроводящего высокочастотного сепаратора
Криогенная система для охлаждения сверхпроводящего ВЧ сепаратора, показанная на рис. 1 [3], построена по схеме с сателлитным рефрижератором, где в качестве холодогенерирующей установки использована установка КГУ500-4,5/140. Эта установка потребляет 60 г/с газообразного гелия при давлении 25 бар и производит 5 г/с жидкого гелия, часть которого через вентиль СУ2 подается в Ванну промежуточного охлаждения (ВПО), пары гелия из которой возвращаются в КГУ (рефрижераторная нагрузка). Жидкий гелий в ВПО используется для охлаждения в теплообменнике КТ1 прямого потока и в теплообменнике КТ2 избыточного потока гелия са-теллитного рефрижератора, направляемого на охлаждение RF1 и RF2. Остальная часть гелия из КГУ дросселируется через вентиль СУ3 и после охлаждения в теплообменнике КТ2, расположенном в ВПО, подается в контур сателлитного рефрижератора, обеспечивая в нем избыточный поток. Эта часть гелия не возвращается в КГУ и является для нее ожижительной нагрузкой.
Основной поток гелия для охлаждения дефлекторов создается сателлитным рефрижератором, основой которого является Большой вакуумный теплообменник (БВТО), охлаждающий поток сжатого гелия (7-10 г/с, 25 бар) от комнатной температуры до температуры близкой к температуре жидкого гелия. После БВТО поток гелия направляется в ВПО, где дросселируется в вентиле СУ4, охлаждается в теплообменнике Т1 и затем получает поток от КГУ через теплообменник Т2. После ВПО этот поток по криогенному коллектору попадает в распреде-
охлаждения теплообменник
Рис. 1. Схема криогенной системы для охлаждения сверхпроводящих высокочастотных дефлекторов
лительный бокс, где делится на две части, каждая из которых по своему криогенному трубопроводу направляется в криостаты и RF2, перед которыми охлаждается в низкотемпературных теплообменниках и дросселируется через вентили CV5 и CV6 в гелиевые сосуды RF1 и RF2, соответственно.
Обратный поток паров гелия из гелиевых сосудов дефлекторов охлаждает прямой поток гелия в низкотемпературных теплообменниках, БВТО, затем откачивается и сжимается компрессором, после чего направляется в КГУ и БВТО и цикл повторяется. Получение и поддержание необходимой температуры RF1 и RF2 ниже 4,3 К осуществляется путем откачки паров из гелиевых сосудов дефлекторов с помощью откачной машины.
Оборудование криогенной системы
Дефлектор размещен в гелиевом сосуде криостата со сверхтекучим гелием, обеспечивающим необходимую стабилизацию температуры его поверхности. Основные параметры дефлектора и его криостата представлены в табл. 1 [4].
Ванна промежуточного охлаждения служит для охлаждения сверхкритического гелия ниже критической температуры после дросселирования в вентилях CV3 (теплообменник Т2) и CV4 (теплообменник Т1). Теплообменники погружены в жидкий гелий, кипящий при температуре 4,6 К, их основные характеристики представлены в табл. 2.
Таблица 1
Основные параметры дефлектора и его криостата
Параметр Величина
Рабочая частота, ГГц 3
Сила отклоняющего поля, МУ/м 1
Вес дефлектора, кг 260
Длина (диаметр) дефлектора, м 2,7 (0,14)
Длина (диаметр) гелиевого сосуда, м 3,5 (0,51)
Длина (диаметр) вакуумного кожуха, м 4,2 (0,92)
Рабочая температура дефлектора, К 1,8
Рабочий уровень (объем) гелия, % (л) 78 (415)
Таблица 2
Параметры теплообменников
Параметр Т1 КТ2
Давление потока гелия в трубах, бар 2,5 2,5
Температура гелия в ВПО, К 4,6 4,6
Температура гелия на входе в теплообменник, К 6,0 5,6
Расход гелия через трубы, г/с 10 2
Наружный диаметр труб, м 0,006 0,006
Внутренний диаметр труб, м 0,004 0,004
Число труб 10 2
Длина труб, м 20 20
В Большом вакуумном теплообменнике поток сжатого гелия для криостатирования дефлекторов необходимо охладить от комнатной температуры до температуры близкой к температуре жидкого гелия. Низкое гидравлическое сопротивление по обратному потоку является важным требованием при создании такого теплообменника. Для обеспечения низких потерь давления снижена скорость обратного потока, процесс течения близок к ламинарному с низкими значениями числа Рейнольдса и, как следствие, низкими коэффициентами теплоотдачи. Возможности для улучшения теплообмена в области ламинарного потока весьма ограничены. В основном они сводятся к использованию каналов с малым эквивалентным диаметром и увеличению площади поверхности теплообмена с помощью оребрения.
Разработана конструкция теплообменника [5], удовлетворяющая требованиям, указанным выше. Он представляет собой плотную навивку медных труб, оребренных спиралью из медной проволоки. Это ореб-рение играет роль проставки, обеспечивая довольно равномерное расстояние между трубами, и является полезным для интенсивного перемешивания потока, таким образом, предотвращая проскок потока гелия. С другой стороны, спирали из проволоки до 10 раз увеличивают поверхность теплообмена. БВТО разделен на верхнюю и нижнюю части, чтобы компенсировать значительную зависимость свойств гелия от температуры. Прямой «теплый» поток гелия проходит по трубам, затем идет к дроссельному вентилю СУ4, расположенному в ВПО. Обратный «холодный» поток гелия поднимается вверх в межтрубном пространстве теплообменника. Основные характеристики теплообменника представлены в табл. 3.
Теплообменники №1 и ЯР2 служат для понижения температуры потока гелия перед его дросселированием в гелиевые сосуды дефлекторов. Теплообменник изготовлен из медных труб, оребренных спиралью из медной проволоки. Он размещен в трубе обратного потока криогенного коллектора. Прямой поток гелия движется в трубах, обратный поток гелия проходит между трубами. Основные характеристики низкотемпературных теплообменников представлены в табл. 4.
Таблица 3
Основные характеристики Большого вакуумного теплообменника
Температура 1,8 К в гелиевом сосуде дефлектора достигается откачкой паров гелия до давления 1,6 кПа с помощью откачной машины, при этом расход гелия через каждый дефлектор составляет около 5 г/с и через откачную машину — 10 г/с. Откачная машина состоит из двадцати четырех вакуумных насосов, распределенных по трем ступеням. Первая ступень из восьми винтовых вакуумных насосов 2ДВН-1500 обеспечивает сжатие до 3 кПа. Вторая ступень использует восемь винтовых насосов 2ДВН-500 и сжимает гелий до 5 кПа. Третья ступень из восьми форвакуумных насосов АВЗ-180 сжимает гелий до 100 кПа. После каждого насоса первой и второй ступеней поток гелия охлаждается водой до 30 °С в холодильниках, разработанных и изготовленных в ГНЦ ИФВЭ.
Испытания откачной ячейки из соединенных последовательно насосов 2ДВН-1500, 2ДВН-500 и АВЗ-180 показали, что при давлении на входе 1 кПа она обеспечивает расход 2,5 г/с. В этом случае расход через откачную машину составляет 20 г/с (12 м3 /с).
Трубопровод между дефлекторами и откачной машиной длиной около 100 м заметно снижает скорость откачки. По расчету проводимость этого трубопровода составляет 16 м3 /с и определяется гидравлическим сопротивлением БВТО. Тем не менее, при давлении на входе 1кПа откачная машина обеспечивает расход 6,9 м3/с, что выше требуемой величины 6 м3/с.
В состав первой очереди системы управления, созданной ГНЦ ИФВЭ [6], вошли 240 каналов сбора данных и дистанционного управления, 72 блока электроники в 14 каркасах и 8 шкафах, вывод информации на 5 персональных компьютеров операторов в 2 пультовых. Система контроля обеспечивает измерение:
— температуры потоков гелия в 72 точках и насосов откачной машины в 42 точках;
— разрежения между ступенями откачной машины в 3 точках;
— вакуума в 32 точках;
— уровня жидкого гелия в 3 резервуарах;
— давления гелия в 11 точках;
— расхода гелия в 2 точках;
— фазных токов двигателей насосов откачной машины по 72 каналам;
— дискретных сигналов по 12 каналам чтения (статусные).
Таблица 4
Основные параметры теплообменников КГ1 и КР2
Параметр Величина
Внешний диаметр трубы, мм 4
Внутренний диаметр трубы, мм 3,2
Диаметр спирали оребрения, мм 5
Диаметр проволоки оребрения, м 0,8
Массовый расход, кг/с 0,01
Падение давления в прямом потоке, Па 1100
Падение давления в обратном потоке, Па 270
Поверхность теплообмена по обратному потоку, м2 275
Поверхность теплообмена по прямому потоку, м2 32,3
Параметр Величина
Внешний диаметр трубки, мм 4
Внутренний диаметр трубки, мм 3,2
Диаметр спирали оребрения, мм 5
Диаметр проволоки оребрения, мм 0,8
Внутренний диаметр намотки, м 0,1
Внешний диаметр намотки, м 0,176
Длина намотки, м 0,56
Число слоев намотки 3
Массовый расход, кг/с 0,005
Поверхность теплообмена по обратному потоку, м2 3,7
Поверхность теплообмена по прямому потоку, м2 0,43
Падение давления обратного потока, Па 5
Для контроля этих параметров создана система удаленного анализа и наблюдения с функцией архивации данных [7]. Для хранения и накопления данных использован MS SQL-server, программное обеспечение для отображения архивных данных (графики, таблицы) создано при помощи пакета программ NI Developer Suit Core. Для отображения текущих параметров в режиме онлайн с целью контроля КВУ использован специальный web-сервер с механизом интерактивных мнемосхем, созданный на разработанном в ИФВЭ оригинальном программном обеспечении.
Анализ основных режимов криогенной системы
Холодопроизводительность криогенной системы должна скомпенсировать теплопритоки к оборудованию системы и обеспечить требуемую скорость охлаждения СП ВЧ сепаратора. Измеренные значения теплопритоков в системе показаны в табл. 5.
Время охлаждения сепаратора определяется соотношением холодопроизводительности генерирующей холод установки, массой и теплоемкостью охлаждаемых конструкций, ограничениями на скорость охлаждения, накладываемыми конструктивными особенностями дефлекторов.
Основной холодогенерирующей установкой в диапазоне температур от комнатной до 20 К является установка КГУ 500-4,5/140. Сателлитный рефрижератор начинает работать при температурах ниже 40 К (температуры инверсии гелия). На температурном уровне 1,8 К расход гелия в прямом потоке после ВПО составляет 9,15 г / с, что соответствует холодопроизводительности 280 Вт. Из этого расхода 6,26 г/с необходимы для обеспечения рабочего режима дефлекторов и 2,89 г /с (86 л /час) используются для накопления жидкого гелия в криостатах дефлекторов.
Единственными изделиями, на которые накладываются ограничения по скорости охлаждения, являются сверхпроводящие дефлекторы: в области температур от комнатной до 150 К (10 К /ч); от 150 до 90 К (20 К /ч); ниже 90 К (10 К /ч). В табл. 6 показана длительность этапов вывода дефлекторов на рабочую температуру [8].
Таблица 5
Теплопритоки в криогенной системе на температурном уровне 1,8 К
Потребление электроэнергии КВУ связано с работой компрессоров (256 кВт) и откачной машины (280 кВт). В стационарном режиме криогенная система потребляет 4 тонны в сутки жидкого азота, как для КГУ, так и для охлаждения экранов ВПО и БВТО, криостатов дефлекторов, криогенного коллектора с распределительным боксом.
Для аварий, ликвидация которых требует длительное время, был разработан специальный режим. При остановке криогенной гелиевой установки Большой вакуумный теплообменник продолжает работать в режиме сателлитного рефрижератора, используя в качестве источника холода пары гелия, испаряющиеся из криостатов дефлекторов за счет теплопритоков из окружающейся среды. В этом случае количество жидкого гелия в криостатах дефлекторов уменьшается, но его запаса достаточно для длительной работы в подобном режиме. В таком режиме криогенный коллектор прогревается не более, чем до 12 К, что при повторном пуске криогенной системы позволяет сохранить жидкий гелий в криостатах ЯЛ1, ЯЛ2 и не приводит к повышению температуры дефлекторов. К примеру, при реализации этого режима перед остановкой криогенной гелиевой установки уровень жидкого гелия в криостатах дефлекторов был 70%. Через 12 ч была запущена криогенная гелиевая установка и еще через 4 ч криогенная система была выведена на стационарный режим работы, при этом в гелиевых сосудах ЯЛ1и ЯЛ2 поддерживалась температура 1,8 К и уровень жидкого гелия в криостатах дефлекторов не опустился ниже 40 %.
В сеансе 2010 г. установка проработала 50 сут. Из этого времени 54 ч ушло на охлаждение от комнатной температуры до 4,3 К и заполнение криостатов
и ЯЛ2 жидким гелием. Подготовка дефлекторов к работе при температурах 3; 2,5; 2 К продолжались примерно 5,5 сут, после чего работа ЯШ и №2 продолжалась при температуре 1,8 К в течение 40 сут. Отогрев системы до температуры 250 К составил 2 сут. За время сеанса было получено свыше миллиона событий на установке ОКА. Изучение каонных распадов продолжается по настоящее время.
Таблица 6
Элементы криогенной системы Теплоприток, Вт
Ванна промежуточного охлаждения 8
Криогенный коллектор между ВПО и №1 и №2 135
Гелиевый сосуд №1 15
Гелиевый сосуд ЯГ2 22
Тепловыделения СП ВЧ резонаторов ЯЛ и ЯГ2 20
Суммарная тепловая нагрузка 200
Длительность этапов вывода дефлекторов на рабочую температуру
Наименование этапа Время, ч
Охлаждение КГУ-500-4,5/140 и ВПО 10
Охлаждение криогенного коллектора 4
Охлаждение резонаторов от 290 до 4,3 К 38
Накопление жидкого гелия в гелиевых сосудах дефлекторов: — при температуре 4,3 К — при температуре 1,8 К 9 4
Итого: 65
Вывод
Можно констатировать создание и успешное начало работы на ускорительном комплексе У-70 ГНЦ ИФВЭ самой крупной в России криогенной системы, охлаждающей сверхпроводящие устройства сверхтекучим гелием. Успешная работа этой системы, холодопроизво-дительностью 280 Вт при температуре 1,8 К, позволила обеспечить необходимые параметры сверхпроводящего высокочастотного сепаратора 21 канала, получить свыше миллиона событий на установке ОКА и планировать набор большого количества каонных распадов, что необходимо для их исследования на новом уровне.
Список литературы
1. Obraztsov V. F., Landsberg L. G. Prospects for CP-violatation searches in the future experiment with RF-separated K+/ — beam at U-70./International Conference on CP Violation. Sep 18-22, 2000, Italy.
2. Garkusha V. I. et al. Calculated characteristics of the separated kaon beam for OKA experiment at the U-70 accelerator. Preprint, IHEP-2003-4. W.
3. Ageyev A., Bakay A., Kashtanov E., Kozub S. et al. Commissioning of superconducting radiofrequency separator cryogenic system. Proceedings RUPAC 2006, Novosibirsk, Russia.
4. Barth W. Lehmann. Experience with Two Large-Scale HeII-Cryostats for a Superconducting r. f. Particle Separator Working in Closed Cycle with a 300 W Refrigerator. Proc. ICEC-6. Grenoble, 1976.
5. Kashtanov E., Pleskach V., Polkovnikov K. et al. Large Low Pressure Heat Exchanger for the TTF Cryogenic System. Proceedings of ICEC-18, Mumbai, India, 2000.
6. Alferov V., Ageev A., Bakay A., Fedorchenko V. et al. LabView Control System of the Cryogenic Complex for the Kaon RF-Separator at IHEP. Proceedings of RUPAC-2010.
7. Lobov I., Lutchev A., Stolyarov M. N., Sukhov S.A. Software Service for Cryogenic Data Representation and Analysis. Proceedings of RUPAC-2010.
8. Ageyev A., Bakay A., Kalashnikov L., Kaltchuk A., Kozub S. et al. Starting -Up and Adjustment Works on Cryogenic AND Vacuum System of the Superconducting Radio-Frequency Separator. Proceedings RUPAC 2008.
Требования к рукописям, представляемым в журнал «Вестник Международной академии холода»
При подготовке статей для журнала «Вестник Международной академии холода» необходимо руководствоваться следующими правилами:
в начале статьи, слева - УДК;
после названия статьи - авторы с указанием места работы и контактной информации; отдельно указываются ключевые слова (не более десяти);
одновременно со статьей представляется реферат на русском и английском языках. Объем реферата 1/3-1/4 страницы формата А4;
статьи представляются набранными на компьютере в текстовом редакторе Word 97-2007 через 1,5 интервала, размер шрифта 14.
объем статьи - не более 12-14 страниц (формат А4, вертикальный, 210*297 мм); поля: левое - 2 см, правое - 2 см, верхнее - 2см, нижнее - 2 см; иллюстрации представляются на магнитном носителе в следующем формате: растровые - TIFF-CMYK-300 dpi, TIFF-BM-800 dpi, векторные - EPS-CMYK, в статьях необходимо использовать Международную систему единиц (СИ);
в списке используемой литературы указываются: фамилия, инициалы автора(ов), название книги, место издания, название издательства, год издания (или название статьи и журнала (или другого периодического издания), год, номер). Ссылки на рукописные работы не допускаются;
статьи принимаются на магнитном носителе и в печатном экземпляре или высылаются на адрес редакции по e-mail: vestnikmax@rambler.ru
С аспирантов и студентов плата за публикации рукописей не взимается
