Upload
muriel
View
56
Download
7
Embed Size (px)
DESCRIPTION
IV Всероссийская научно-практическая конференция «Принципы и механизмы формирования национальной инновационной системы в Российской Федерации» 3 – 4 октября 2013 г. Сверхпроводящие технологии в ЛФВЭ ОИЯИ. Ю.А. Митрофанова Лаборатория Физики Высоких Энергий - PowerPoint PPT Presentation
Citation preview
Сверхпроводящие технологии в Сверхпроводящие технологии в ЛФВЭ ОИЯИЛФВЭ ОИЯИ
Ю.А. Митрофанова
Лаборатория Физики Высоких ЭнергийОбъединенный Институт Ядерных Исследований
г. Дубна
IV Всероссийская научно-практическая конференция «Принципы и механизмы формирования национальной
инновационной системы в Российской Федерации»
3 – 4 октября 2013 г.
Нуклотрон
Ю.А. Митрофанова, 3 – 4 октября 2013 г., Дубна
Кольцо Нуклотрона
Нуклотрон – первый в России и третий в мировой практике ускоритель со сверхпроводящими магнитами, специально созданный для ускорения ядер и тяжелых ионов. Этот синхротрон, предназначенный для получения пучков релятивистских ядер с энергией до 6 ГэВ/нуклон, был пущен в эксплуатацию 20 лет назад в ОИЯИ в Дубне.
Ю.А. Митрофанова, 3 – 4 октября 2013 г., Дубна
Криогенная гелиевая система Нуклотрона
В ЛФВЭ ОИЯИ с 1993 г. эксплуатируется крупнейший в России криогенный гелиевый комплекс ускорителя Нуклотрона с холодопроизводительностью 4000 Вт4000 Вт при температуре 4,5 К4,5 К. Создание криогенной системы Нуклотрона отличалось целым рядом новых технических идей и решений, никогда ранее не применявшихся в мировой практике:
• Быстроциклирующие сверхпроводящие магниты,Быстроциклирующие сверхпроводящие магниты,• Криостатирование двухфазным парожидкостным потоком гелия,Криостатирование двухфазным парожидкостным потоком гелия,• Экстремально короткое время охлаждения системы до рабочих Экстремально короткое время охлаждения системы до рабочих температур,температур,• Параллельное соединение по криоагенту более 100 сверхпроводящих Параллельное соединение по криоагенту более 100 сверхпроводящих магнитов,магнитов,• Турбодетандеры, работающие на жидком гелии, Турбодетандеры, работающие на жидком гелии, • Винтовые компрессоры с давлением нагнетания 2,5 МПа,Винтовые компрессоры с давлением нагнетания 2,5 МПа,• Струйные насосы для жидкого гелия.Струйные насосы для жидкого гелия.
Перечисленные решения позволили создать эффективную и надежную криогенную систему Нуклотрона.
Ю.А. Митрофанова, 3 – 4 октября 2013 г., Дубна
Основные параметры Нуклотрона
• Проектная энергия частиц, ГэВ/нуклон 6
• Периметр, м 251,5
• Максимальное магнитное поле, Тл 2,0
• Запасенная энергия, МДж 2,35
• Температура, К 4,5
• Общий статический теплоприток, кВт 1,75
• Динамическое тепловыделение при 0,5 Гц, кВт 2,9
• Частота повторения циклов, Гц до 1
• Суммарная «холодная» масса, т 80
• Время охлаждения до рабочей температуры, ч 80
Ю.А. Митрофанова, 3 – 4 октября 2013 г., Дубна
Кольцо Нуклотрона размещено в цокольном этаже синхрофазотрона. Периметр ускорителя составляет 251.5 м.
Кольцо состоит из:96 дипольных магнитов длиной 1.5 м и массой 500 кг, 64 квадрупольных линз длиной 0.45 м и массой 200 кг, 28 мультипольных корректоров длиной 0.31 м с тремя или четырьмя типами обмоток в каждом.
Питание основных магнитов и вывод энергии обеспечивают 12 токовводов на 6 кА, охлаждаемых холодными парами гелия. 234 токоввода на 100 А питают корректирующие обмотки.
Кроме того, имеются специальные устройства для инжекции пучка, ускорения, диагностики и вывода. Для измерения температур по периметру кольца установлено около 600 криогенных термометров.
Основные параметры Нуклотрона
Ю.А. Митрофанова, 3 – 4 октября 2013 г., Дубна
Кольцевая магнитокриостатная система Нуклотрона
Магниты ускорителя, а также гелиевые коллекторы прямого и обратного потоков размещены в кольцевом криостате, образуемом горизонтальными цилиндрическим участками из нержавеющей стали. Кроме того, по периметру всего кольцевого криостата имеется теплозащитный экран, охлаждаемый жидким азотом.
криостат
теплозащитный экран
СП обмотка
коллектор прямого потока
коллектор обратного потока
железное ярмо
Ю.А. Митрофанова, 3 – 4 октября 2013 г., Дубна
Магнитокриостатный блок Нуклотрона
Схема размещения магнита Нуклотрона в криостате:
1 – сильфон, 2 – гелиевые коллекторы, 3 – теплоизолирующий экран, 4 – вакуумная камера ионопровода, 5 – муфта, 6 – железное ярмо, 7 – трубопровод жидкого азота, 8 – вакуумный кожух, 9 – тяга, 10 – СП кабель электрической связи магнитов, 11 – тепловой мост, 12 – обмотка, 13 – трубка для охлаждения ярма, 14 – суперизоляция, 15 – подставка, 16 – домкрат.
Ю.А. Митрофанова, 3 – 4 октября 2013 г., Дубна
Дипольный магнитДипольный магнит Квадрупольный магнитКвадрупольный магнит
В Нуклотроне использованы простые и экономичные магниты типа «Дубна», в которых поле формируется посредством железного ярма. Они характеризуются минимальным расходом СП.
Основные элементы таких магнитов – СП обмотка и железное ярмо, обеспечивающее магнитное поле высокой однородности и воспринимающее магнитные силы, действующие на обмотку.
Магниты Нуклотрона
Ю.А. Митрофанова, 3 – 4 октября 2013 г., Дубна
Основные характеристики магнитов Нуклотрона
Характеристики Диполь Квадруполь
Количество элементов 96 64
Масса, кг 500 200
Апертура, мм 110×55 120×63
Длина железного ярма, мм 1370 430
Физическая длина, мм 1462 450
Число витков в обмотке 2×8 4×5
Длина сверхпроводящего кабеля в обмотке, м 62 24
Индукция при номинальном токе 6 кА, Тл 1,98 –
Градиент при номинальном токе 5,6 кА, Тл/м – 33,4
Запасенная энергия, кДж 19,8 6,9
Динамические тепловыделения в цикле с частотой 0,5 Гц, Вт 21 12
Статический теплоприток (при нулевом токе), Вт 6,6 5,2
Ю.А. Митрофанова, 3 – 4 октября 2013 г., Дубна
Быстроциклирующие магниты и охлаждение двухфазным потоком гелия
Наиболее интересным свойством магнитов Нуклотрона является их способность работать с частотой повторения циклов до 1 Гц. Но при этом возникает проблема отвода значительного количества тепла, выделяющегося в быстроциклирующей сверхпроводящей магнитной системе ускорителя: магниты должны охлаждаться очень эффективно.
Потребная холодопроизводительность криогенной системы Нуклотрона в зависимости от частоты повторения импульсов тока в магнитах.
Частота импульсов, Гц
Ю.А. Митрофанова, 3 – 4 октября 2013 г., Дубна
СП кабель Нуклотрона:
• Мельхиоровая трубка d=5 мм, • Сверхпроводящая проволока d=0,5 мм,• Нихромовая проволока d=0,2 мм• Каптоновая лента• Стеклолента
Диаметр NbTi волокон – 10 мкмКоличество волокон – 1045Номинальный ток – 6,0 кА
Условия такого эффективного охлаждения достигаются за счет циркуляции двухфазного потока гелия в полых сверхпроводниках.
Быстроциклирующие магниты и охлаждение двухфазным потоком гелия
Ю.А. Митрофанова, 3 – 4 октября 2013 г., Дубна
Криогенная гелиевая система Нуклотрона
Для криостатирования кольца Нуклотрона от системы криогенного обеспечения требовалось выполнение следующих условий:
1. Холодопроизводительность на гелиевом температурном уровне в рабочем режиме от 1750 до 4620 Вт1750 до 4620 Вт, в том числе:
а. компенсация теплопритоков из окружающей среды 1750 Вт1750 Вт,б. компенсация динамических тепловыделений до 2870 Вт2870 Вт при частоте изменения магнитного поля 0,5 Гц0,5 Гц.
2. Производство дополнительно до 100 л/ч100 л/ч жидкого гелия, отводимого из криостата для охлаждения токовводов.
3. Охлаждение магнитной системы весом около 80 тонн80 тонн от температуры окружающей среды до 4,5 К4,5 К за период не более 80 – 100 ч.80 – 100 ч.
Ю.А. Митрофанова, 3 – 4 октября 2013 г., Дубна
Основные методы криостатирования сверхпроводящих ускорителей
При криостатировании СП ускорителей различают два способа отвода тепла:
1. Погружной – традиционный метод криостатирования СП магнитов с погружением их в кипящий гелий. Этот способ можно использовать для сравнительно компактных систем,
2. Циркуляционный – тепло отводится путем циркуляции криоагента по расположенным внутри или около обмоток каналам. Преимущество – существенное уменьшение количества гелия, требующегося для заполнения системы.
Принципиально существуют две разновидности циркуляционных систем криостатирования, отличающихся фазовым состоянием криоагента:
1. Отвод тепла к циркулирующему гелию не вызывает фазового перехода,2. Отвод тепла происходит при кипении парожидкостного потока.
Для Нуклотрона был выбран способ криостатирования СП магнитов посредством циркуляции парожидкостного потока гелия по расположенным внутри обмоток каналам.
Ю.А. Митрофанова, 3 – 4 октября 2013 г., Дубна
1 – вакуумный кожух, 2 – теплозащитный экран, 3 – коллектор прямого потока, 4 – коллектор обратного потока, 5 – дипольный магнит, 6 – квадрупольный магнит, 7 – переохладители, 8 – сепараторы, 9 – рефрижератор КГУ-1600/4,5, 10 – газгольдеры, 11 – ресиверы, 12,13,14 – поршневые компрессоры, 15 – блок очистки МО-800, 16 – винтовой компрессор «Каскад-80/25», 17 – дополнительный переохладитель.
Принципиальная схема криогенной гелиевой системы Нуклотрона
Ю.А. Митрофанова, 3 – 4 октября 2013 г., Дубна
Каждый магнит питается жидким гелием из коллектора прямого потока, проложенного по всей длине ускорителя. В расчетном режиме из СП кабеля гелий выходит с массовым паросодержанием ~0,35 и далее охлаждает железное ярмо магнита, поле чего с паросодержанием до 0,9 отводится в коллектор обратного потока.
Кольцевая магнитокриостатная система Нуклотрона
Ю.А. Митрофанова, 3 – 4 октября 2013 г., Дубна
q1 – теплоприток от СП обмоткиq2 – теплоприток от железного ярма
Гелиевые рефрижераторы КГУ – 1600/4,5
Ю.А. Митрофанова, 3 – 4 октября 2013 г., Дубна
Упрощенные диаграммы гелиевого рефрижератора Нуклотрона
Сжатый гелий от компрессоров, пройдя очистку от масла и влаги, на входе в каждый КГУ – 1600/4,5 делится на две части.
Турбодетандерный поток расширяется последовательно в трех газовых ТД с давления 2,5 до 0,13 МПа.
Основной поток охлаждается за счет теплообмена с обратным потоком гелия до температуры 5,5 – 8,5 К и расширяется в ПЖТД с давления 2,5 до 0,13 – 0,17 МПа.
1, 2, 3 – газовые ТД,
4 – парожидкостный ТД,
5 – ванна жидкого азота,
6 - компрессор,
7 – теплообменник.
Ю.А. Митрофанова, 3 – 4 октября 2013 г., Дубна
В криогенной системе Нуклотрона используются компрессоры различных типов и модификаций.
В качестве основных компрессоров используются два винтовых компрессорных агрегата «Каскад – 80/25».
Компрессор выполнен в двухступенчатом варианте, с производительностью 5040 нм3/ч и давлением нагнетания 25 атм.
Винтовой компрессорный агрегат Каскад – 80/25
Ю.А. Митрофанова, 3 – 4 октября 2013 г., Дубна
Поршневые компрессоры
Поршневые компрессоры 305НП–20/30 и 2ГМ4–12/31 меньшей производительности используются для ступенчатого регулирования расхода газа и резервирования. Закачка испарившегося гелия в ресиверы осуществляется компрессорами 1ВУВ–45/150, способными работать при более высоком давлении на нагнетании.
Ю.А. Митрофанова, 3 – 4 октября 2013 г., Дубна
Основные технические характеристики компрессоров криогенной системы Нуклотрона
Каскад-80/25
305НП-20/30
2ГМ4-12/31
1ВУВ-45/150
Количество, шт. 2 3 4 4
Тип винт. порш. порш. порш.
Производительность (при условиях всасывания), м3/ч
5040 1200 840 45
Давление нагнетания, MПа 2.5 3.0 3.1 15.0
Установленная мощность электродвигателя, кВт
1 – 800
2 – 630
200 160 22
Напряжение электродвигателя, В 6000 380 380 380
Число ступеней сжатия 2 3 3 3
Число оборотов компрессора, об/мин 2970 500 740 620
Расход охлаждающей воды, м3/ч 60 15 7.2 1.5
Ю.А. Митрофанова, 3 – 4 октября 2013 г., Дубна
Гелиевое компрессорное оборудование Нуклотрона
Суммарная производительность:
17220 нм17220 нм33/час/час
Установленная мощность:
4,19 МВт4,19 МВт
Расход охлаждающей воды:
200 м200 м33/час/час
План размещения оборудования в машинном залеНуклотрона:
1 – центральный пульт,2 – поршневой компрессор 1ВУВ–45/150,3 – силовой электротехнической шкаф,4 – поршневой компрессор 305НП–20/30,5 – поршневой компрессор 2ГМ4– 2/31,6 – винтовой компрессорный агрегат «Каскад–80/25».
Ю.А. Митрофанова, 3 – 4 октября 2013 г., Дубна
NICA The Nuclotron-based Ion
Collider fAcility
Ю.А. Митрофанова, 3 – 4 октября 2013 г., Дубна
Проект NICA
В 2007 году в ОИЯИ стартовал проект нового ускорительно-накопительного комплекса NICA на базе синхротрона Нуклотрон.
Цель проекта NICA – проведение экспериментов по изучению сильного взаимодействия в горячей и плотной кварк-глюонной материи и поиск возможного образования «смешанной фазы» такой материи. Эксперименты будут реализованы в режиме столкновения встречных пучков, в том числе и легких ионов, поляризованных протонов и дейтронов.
Реализация проекта NICA/MPD призвана вывести ОИЯИ на лидирующие позиции в мире в этих областях исследований.
Ускорительный комплекс NICA будет включать в себя:
• СП бустерный синхротрон с энергий 600 МэВ/нуклон,• Существующий СП синхротрон – Нуклотрон,• Новый СП коллайдер, имеющий два кольца с периметром около 503 м каждый.
Ю.А. Митрофанова, 3 – 4 октября 2013 г., Дубна
Сверхпроводящий кабель для магнитов бустера и коллайдера комплекса NICA
Характеристики Бустер Коллайдер
Диаметр канала, мм 3 3
Количество проводов 18 16
Диаметр СП провода, мм 0,78 0,9
Сверхпроводник 50% Nb – 50% Ti
Диметр волокон, мкм 7 8
Внешний диаметр кабеля, мм 6,6 7,0
Рабочий ток (1,8 Т; 4,65 К), кА 9,68 10,4
Критический ток (2,5 Т; 4,7 К), кА 14,2 16,8
СП кабель бустера и коллайдера:
1. Мельхиоровая CuNi трубка, 2. Сверхпроводящий провод,3. Нихромовая NiCr проволока,4. Каптоновая лента,5. Стеклолента.
В бустере и коллайдере будут использованы СП магниты типа «Дубна» с холодным железным ярмом и седлообразной СП обмоткой.
Магнит состоит из холодного (4,5 К) железного ярма типа «оконная рама» и СП обмотки, выполненной из полого сверхпроводника, внутри которого циркулирует парожидкостный поток гелия.
Ю.А. Митрофанова, 3 – 4 октября 2013 г., Дубна
Сверхпроводящие магниты бустера NICA
Поперечное сечение дипольного магнита
бустера NICA
Поперечное сечение квадрупольного магнита
бустера NICA
Ю.А. Митрофанова, 3 – 4 октября 2013 г., Дубна
Сверхпроводящие магниты бустера NICA
Характеристики Диполь Квадруполь
Количество элементов 40 48
Максимальное магнитное поле, Т(градиент поля), Т/м
1,820,2
Эффективная магнитная длина, м 2,2 0,55
Скорость изменения магнитного поля 1,2 Т/с 13,5 Т/(м·с)
Неоднородность магнитного поля при R=30 мм ≤6·10-4
Апертура по вакуумной камере, мм 128×65
Радиус кривизны средней траектории, м 14,01 –
Масса, кг 1020 110
Рабочий ток, кА 9,68
Ю.А. Митрофанова, 3 – 4 октября 2013 г., Дубна
Полномасштабный прототип дипольного магнита бустера с однослойной обмоткой был изготовлен в апреле 2011 г. Магнит имеет длину 2,2 м и радиус кривизны 14 м.Полномасштабный прототип квадрупольного магнита бустера был изготовлен в декабре 2011 г.
Сверхпроводящие магниты бустера NICA
Криогенные испытания дипольного магнита бустера были проведены в мае 2011 г., квадрупольного магнита – в апреле 2012 г.
Ю.А. Митрофанова, 3 – 4 октября 2013 г., Дубна
Сверхпроводящие магниты коллайдера NICA
Поперечное сечение двухапертурного дипольного магнита коллайдера NICA:
1 – железное ярмо, 2 – СП катушка, 3 – трубка для охлаждения железного ярма, 4 – пучковая камера.
Поперечное сечение двухапертурного квадрупольного магнита коллайдера NICA: 1 – пучковая камера, 2 – СП катушка, 3 – железное ярмо.
В коллайдере также будут использованы магниты типа «Дубна». Две одинаковые однослойные обмотки располагаются в общем железном ярме одна над другой.
Ю.А. Митрофанова, 3 – 4 октября 2013 г., Дубна
Сверхпроводящие магниты коллайдера NICA
Характеристики Диполь Квадруполь
Количество элементов 80 86(+12*)
Максимальное магнитное поле, Т(градиент поля), Т/м
1,823
Эффективная магнитная длина, м 1,94 0,46
Скорость изменения магнитного поля, Т/с ≤0,5 –
Неоднородность магнитного поля при R=30 мм ≤2·10-4
Апертура по вакуумной камере, мм 120×70 (Ø180*)
Расстояние между пучками, м 0,32
Масса, кг 1680 300
Рабочий ток, кА 10,4
* - финальные фокусирующие линзы
Ю.А. Митрофанова, 3 – 4 октября 2013 г., Дубна
Модели двухапертурного дипольного и квадрупольного магнитов коллайдера были созданы в августе 2011 г. и в сентябре 2012 г., соответственно.
Сверхпроводящие магниты коллайдера NICA
Ю.А. Митрофанова, 3 – 4 октября 2013 г., Дубна
Новый стенд для сборки и испытаний сверхпроводящих магнитов
В настоящее время создается новый стенд, предназначенный для круглосуточной сборки и серийных криогенных испытаний СП магнитов. Площадь помещения для установки необходимого оборудования составляет величину более 2600 м2 .
Ю.А. Митрофанова, 3 – 4 октября 2013 г., Дубна
Новы стенд для сборки и испытаний сверхпроводящих магнитов
Ю.А. Митрофанова, 3 – 4 октября 2013 г., Дубна
На стенде будут проведены серийные криогенные испытания СП магнитов следующих типов:
•Дипольный магнит бустера NICA 40 шт.•Квадрупольный магнит бустера NICA 48 шт. •Дипольный магнит коллайдера NICA 80 шт.•Квадрупольный магнит коллайдера NICA 86 шт.•Квадрупольный магнит SIS – 100 (проект FAIR) 175 шт.
При параллельной работе на 6 терминалах стенда планируется проводить до 11 испытаний магнитов в месяц. Запуск стенда в эксплуатацию намечен на 2013 – 2014 гг.
Новый стенд для сборки и испытаний сверхпроводящих магнитов
Ю.А. Митрофанова, 3 – 4 октября 2013 г., Дубна
Криогенная система ускорительного комплекса NICA создается как результат модернизации существующего оборудования для криогенного обеспечения Нуклотрона.
Основные цели модернизации:
• повышение вдвое холодопроизводительности на температурном уровне 4,5 К от существующего значения до 8000 Вт, • создание новой системы распределения жидкого гелия, • обеспечение кратчайшего времени охлаждения трех колец ускорителей с протяженностью около 1 км и «холодной» массой 290 тонн.
Эти цели будут достигнуты посредством ввода в эксплуатацию:
• дополнительного ожижителя гелия 1000 л/ч,• новой системы распределения холодильной мощности, основанной на сателлитных рефрижераторах,• гелиевых винтовых компрессоров нового дизайна.
Кроме того, на основе азотных турбокомпрессоров будет создана новая азотная криогенная система.
Гелиевая криогенная система ускорительного комплекса NICA
Ю.А. Митрофанова, 3 – 4 октября 2013 г., Дубна
Гелиевая криогенная система ускорительного комплекса NICA
1. 6600 нм3/ч винтовой компрессорный агрегат «Каскад–110/30»,
2. 1300 кг/ч азотный ожижитель ОА–1,3,
3. Азотный турбокомпрессор Samsung Techwin SM–5000,
4. Транспортный сосуд жидкого гелия 40 м3,
5. Азотный реконденсатор РА–0,5 бустера,
6. Сателлитный рефрижератор бустера,
7. Блок маслоочистки МО–800,
8. 1000 л/ч гелиевый ожижитель ОГ–1000,
9. Сателлитный рефрижератор коллайдера,
10. Азотный реконденсатор РА–0,5 коллайдера.
Рабочая температура, К 4,5
Холодопроизводительность при 4,5 К, Вт
8000
Суммарная производительность компрессоров, нм3/час
30420
Суммарная установленная мощность электродвигателей компрессоров, кВт
7400
Расход охлаждающей воды, м3/ч 356
Суммарная «холодная» масса, т 290
Ю.А. Митрофанова, 3 – 4 октября 2013 г., Дубна
Гелиевое компрессорное оборудование комплекса NICA
В криогенной системе ускорительного комплекса NICA в качестве основных компрессоров будут служить два имеющихся винтовых компрессорных винтовых компрессорных агрегата «Каскад–80/25»агрегата «Каскад–80/25» и два вновь изготовленных агрегата «Каскад–110/30»,«Каскад–110/30», разработанных в ОАО «НИИТурбокомпрессор» (Казань).
Характеристика Каскад – 80/25
Каскад – 110/30
Объемная производительность (при условиях всасывания), м3/мин (м3/час)
84(5040)84(5040) 110(6600)110(6600)
Давление нагнетания, МПа 2,5 3
Давление всасывания, МПа 0,1 0,1
Количество компрессоров, шт.
1 ступень
2 ступень
2
1
2
1
Диаметр роторов, мм
1 ступень
2 ступень
315
250
315
250
Отношение длины нарезной части ротора к диаметру L/D
1 ступень
2 ступень1,35
1,0
1,5
1,35
Установленная мощность электродвигателей, кВт
1 ступень
2 ступень800800
630
22××400400
800
Ю.А. Митрофанова, 3 – 4 октября 2013 г., Дубна
Гелиевое компрессорное оборудование комплекса NICA
Общий вид гелиевого винтового компрессорного агрегата Каскад–110/30:
1 – два винтовых компрессора первой ступени сжатия; 2 – винтовой компрессор второй ступени сжатия; 3 – масляный насос; 4 – маслобак; 5 – фильтр грубой очистки второй ступени; 6 – фильтры грубой очистки первой ступени; 7 – пусковой масляный насос компрессоров первой ступени; 8 – сепаратор; 9 – маслоохладитель второй ступени; 10 – два маслоохладителя первой ступени; 11 – фильтры тонкой очистки.
Ю.А. Митрофанова, 3 – 4 октября 2013 г., Дубна
Гелиевое компрессорное оборудование комплекса NICA
Характеристики Каскад – 80/25Каскад – 80/25 Каскад – 11Каскад – 1100/30/30 305НП –305НП – 20/3020/30 2ГМ4 – 12/312ГМ4 – 12/31 1ВУВ – 45/1501ВУВ – 45/150
Количество, шт. 2 2 3 4 4
Тип винтовой винтовой поршневой поршневой поршневой
Производительность (при условии всасывания), м3/час (м3/мин)
5040 (84) 6600 (110) 1200 840 45
Давление нагнетания, МПа
2,5 3,0 3,0 3,1 15
Установленная мощность электродвигателей, кВт
1 ст. – 800
2 ст. – 630
1 ст. – 2×400
2 ст. – 800
200 160 22
Напряжение питания электродвигателей, В
6000 6000 380 380 380
Число ступеней сжатия
2 2 3 3 3
Число оборотов компрессора, об/мин
2970 2970 500 710 620
Расход охлаждающей воды, м3/час
60 78 15 7,2 1,5
Ю.А. Митрофанова, 3 – 4 октября 2013 г., Дубна
Гелиевое компрессорное оборудование комплекса NICA
План размещения оборудования в новом здании:
1 – винтовой компрессорный агрегат «Каскад–110/30», 2 – азотный турбокомпрессор Samsung Techwin SM–5000, 3 – азотный ожижитель ОА–1,3.
Суммарная производительность:
30420 нм30420 нм33/час/час
Установленная мощность:
7,4 МВт7,4 МВт
Расход охлаждающей воды:
356 м356 м33/час/час
Ю.А. Митрофанова, 3 – 4 октября 2013 г., Дубна
Ожижитель гелия ОГ–1000
Ю.А. Митрофанова, 3 – 4 октября 2013 г., Дубна
Ожижитель гелия ОГ – 1000
Гелиевый ожижитель ОГ–1000:
1, 2 – блоки очистки гелия от примесей азота и кислорода; 3, 4 – блоки теплообменников; 5 – блок турбодетандерного агрегата; 6 – блок сжижения.
Ю.А. Митрофанова, 3 – 4 октября 2013 г., Дубна
Ожижитель гелия ОГ – 1000
Схема ступеней охлаждения и ожижения с турбодетандерами:
Е50, Е51, Е52, Е53, Е54, Е61 – теплообменные аппараты;
D71, D72, D60 – турбодетандеры;
ДВ – дроссельный вентиль;
АВ – ванна жидкого азота.
Рабочий газ гелий
Производительность, л/ч 1100±100
Потребление жидкого азота, кг/ч ≤560
Удельные энергозатраты, кВт·ч/л 1,6
Давление гелия в цикле, МПа (абс) 2,5
Расход гелия (на входе в ОГ – 1000), нм3/ч 6600
Давление жидкого гелия (на выходе), МПа (абс)
0,15
Общая масса, кг 14000
Внешние размеры, м×м×м 5×5×10
Время непрерывной работы, не менее, ч 3000
Назначенный срок службы, лет 20
Ю.А. Митрофанова, 3 – 4 октября 2013 г., Дубна
Азотная криогенная система комплекса NICA
Для процессов охлаждения и поддержания при гелиевой температуре сверхпроводящих магнитов ускорительного комплекса NICA потребуется испарять значительные количества жидкого азота.
В рабочем режимеВ рабочем режиме, когда вся магнитная система находится при гелиевых температурах, затраты жидкого азота составят величину 1640 кг/час1640 кг/час, в том числе:
На охлаждение теплозащитных экранов криостатаНуклотрона, кг/час 250Бустера, кг/час 200Коллайдера, кг/час 300
Затраты в рабочем режимеНа двух рефрижераторах КГУ–1600/4,5 Нуклотрона, кг/час 330На гелиевом ожижителе ОГ–1000, кг/час 560
Для получения жидкого азота, реконденсации паров и транспортировки продукта к местам потребления будет создана новая азотная криогенная система, состоящая из ожижителя азотаожижителя азота ОА–1,3 производительностью 1300 кг/ч1300 кг/ч и двух реконденсаторов реконденсаторов паров азотапаров азота РА–0,5 производительностью 500 кг/час500 кг/час.
Ю.А. Митрофанова, 3 – 4 октября 2013 г., Дубна
Азотная криогенная система комплекса NICA
Принципиальная схема азотной криогенной системы комплекса NICA: 1 – пять 20 м3 ресиверов; 2 – три турбокомпрессора; 3 – два 198 м3 газгольдера; 4 – адсорбционная установка для производства азота; 5 – три 30 м3 танка для жидкого азота; 6 – два 500 кг/ч азотных реконденсатора; 7 – 1300 кг/ч азотный ожижитель; 8 – ванна жидкого азота сателлитного рефрижератора коллайдера; 9 – азотный экран криостата коллайдера; 10 – шесть насосов жидкого азота; 11 – ванна жидкого азота сателлитного гелиевого рефрижератора бустера; 12 – азотный экран криостата бустера; 13 – азотный экран криостат Нуклотрона; 14 – вакуумный насос; 15 – ванна жидкого азота гелиевого ожижителя ОГ – 1000; 16 – ванны жидкого азота гелиевых рефрижераторов КГУ – 1600/4,5.
Ю.А. Митрофанова, 3 – 4 октября 2013 г., Дубна
Азотная криогенная система комплекса NICA
1. 6600 нм3/ч винтовой компрессорный агрегат «Каскад–110/30», 2. 1300 кг/ч азотный ожижитель ОА–1,3, 3. Азотный турбокомпрессор Samsung Techwin SM–5000, 4. Транспортный сосуд жидкого гелия 40 м3, 5. Азотный реконденсатор РА–0,5 бустера, 6. Сателлитный рефрижератор бустера, 7. Блок маслоочистки МО–800, 8. 1000 л/ч гелиевый ожижитель ОГ–1000, 9. Сателлитный рефрижератор коллайдера, 10. Азотный реконденсатор РА–0,5 коллайдера.
Ю.А. Митрофанова, 3 – 4 октября 2013 г., Дубна
Заключение
В настоящее время в ЛФВЭ ОИЯИ действует сверхпроводящий ускоритель Нуклотронсверхпроводящий ускоритель Нуклотрон, криогенная система которого является крупнейшим в России криогенным гелиевым комплексом с холодопроизводительностью 4000 Вт 4000 Вт при температуре 4,5 К.4,5 К.
В ходе развития и реконструкции криогенной системы ЛФВЭ для ускорительного комплекса ускорительного комплекса NICA NICA в период времени с 2013 по 2016 гг. будет:
• создана криогенная гелиевая система с холодопроизводительностью 8000 Вт 8000 Вт при температуре 4,5 К 4,5 К • создана криогенная азотная система с производительностью 2300 кг/час 2300 кг/час по жидкому азоту
В криогенной гелиевой системе комплекса NICA будут задействованы:
1. Крупнейшие в России ожижители гелия:
КГУ – 1600КГУ – 1600 500 л/час500 л/час или 2000 Вт при 4,5 К2000 Вт при 4,5 КОГ – 1000ОГ – 1000 1000 л/час1000 л/час или 4000 Вт при 4,5 К4000 Вт при 4,5 К
2. Впервые в мировой практике двухступенчатые винтовые гелиевые компрессоры двухступенчатые винтовые гелиевые компрессоры «Каскад–80/25» и «Каскад–110/30»«Каскад–80/25» и «Каскад–110/30» с давлением на выходе 2525 и 30 атм;30 атм; производительностью 50405040 и 6600 нм6600 нм33/час, /час, соответственно..
В криогенной азотной системе комплекса NICA будут задействованы:
1.Ожижитель азота ОА – 1,3ОА – 1,3 производительностью 1300 кг/ч,1300 кг/ч,
2. Реконденсаторы паров азота РА – 0,5РА – 0,5 производительностью 500 кг/ч500 кг/ч.
Ю.А. Митрофанова, 3 – 4 октября 2013 г., Дубна
Спасибо за внимание
Ю.А. Митрофанова, 3 – 4 октября 2013 г., Дубна