5kW45K氦制冷系统除油及纯化装置设计研究聚变堆总体研究室.pptx
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1、 5kW4.5K氦制冷系统除油及纯化装置设计研究郝德松2014年5月21日主要内容主要内容研究背景及系统概况研究背景及系统概况研究内容:研究内容:除油系统油气分离设计研究除油系统油气分离设计研究除油系统后级干燥及除尘设计除油系统后级干燥及除尘设计低温吸附器设计计算及外纯化系统低温吸附器设计计算及外纯化系统P&ID工艺流程设计工艺流程设计内容总结内容总结Page 1研究背景研究背景 CFETR是中国聚变工程实验堆简称是中国聚变工程实验堆简称,氦制冷系统是氦制冷系统是其其主要辅助系统之一,主要辅助系统之一,为为超导磁体、冷屏、低温真空泵、中超导磁体、冷屏、低温真空泵、中性注入、弹丸注入等低温用户提
2、供冷源性注入、弹丸注入等低温用户提供冷源。5kW/4.5K氦制冷氦制冷系统为系统为CFETR聚变堆超导磁体聚变堆超导磁体R&D的低温测试提供冷源,的低温测试提供冷源,为建造为建造CFETR低温系统做重要预研。低温系统做重要预研。系统中的杂质会降低热交换器的效率,冲击点蚀透平,系统中的杂质会降低热交换器的效率,冲击点蚀透平,造成系统的不稳定,需将氦气中的杂质降到合理范围内。造成系统的不稳定,需将氦气中的杂质降到合理范围内。我国天然气资源中氦的含量仅为我国天然气资源中氦的含量仅为0.03%-0.16%,氦气资源,氦气资源相对匮乏,价格十分昂贵,应配备氦气回收及纯化系统。相对匮乏,价格十分昂贵,应配
3、备氦气回收及纯化系统。Page 2系统组成概况系统组成概况Page 3图1 KSTAR回收压缩机图7 EAST氦气储罐图2 LHC压缩机站系统图图3 Mycom喷油螺杆压缩机图4 KSTAR除油系统图6 LHC干燥器图9 KSTAR氦气回收气袋图5 IPR纯化器图8 系统的工艺流程框图除油系统与氦气回收纯化系统除油系统与氦气回收纯化系统除油系统设计计算;滤油器实验;活性炭吸附曲线测试实验方案设计;Page 4图11 氦气回收纯化系统图10 压机站除油系统外纯化吸附计算及筒体设计与分析;P&ID工艺流程设计。除油净化系统压机出口一级滤油二级滤油油吸附器含油量100ppm(w)10 ppm(w)0
4、.5 ppm(w)1m)和亲和聚结法(2)。Page 8参数数值工作压力P(bar)20工作温度T(K)303工质(氦气)密度He(kg/m3)3.149工质(氦气)体积流量q1(m3/h)731.32工质(氦气)质量流量G1(g/h)2325.6工质(氦气)进口含油量Cim(ppm)0.5工质(氦气)出口含油量Cout(ppb)10连续使用时间tS(h)80003号活性炭比表面积(m2/g)10503号活性炭堆重比(t/m3)0.5吸附剂量计算:其中,a取20mg/g;床层直径计算:空床流速v1取0.3m/s参数数值吸附床高度H2(m)2.8吸附床直径d1(m)0.9288吸附床高径比3.0
5、15活性炭体积V2(m3)1.896活性炭质量m2(kg)948.01实际可用时间t实(h)13588表2 油吸附器初始参数及设计要求表3 油吸附床层计算结果吸附容量工艺参数测试研究吸附容量工艺参数测试研究三号活性炭对压缩机润滑油的吸附容量未知,该值是设计活性炭油吸附器活性炭油吸附器的关键参数;为低温下杂质吸附容量测试的研究提供帮助;先测量经过二级滤油器后的气体含油量,经过二级滤油器后气体含油量小于0.5ppm;方案分为吸附柱进气口油含量测试吸附柱进气口油含量测试和活性炭吸附曲活性炭吸附曲线测试线测试。Page 9吸附容量测试理论基础吸附容量测试理论基础(1)(1)理想吸附负荷曲线与实际吸附负
6、荷曲线;吸附剂中的吸附质吸附剂中的吸附质的含量不易直接测得,用床层中混合床层中混合气体的杂质含量气体的杂质含量来替代;很难测得床层中各点混合气体的杂质含量,用床层出口床层出口处混合气体中杂质含量处混合气体中杂质含量来替代;穿透曲线的曲线部分斜率大,则传质层传质层短,吸附过程快,床层的吸附能力比较强。Page 10图25 吸附负荷曲线图26 穿透曲线随时间t变化吸附容量测试理论基础吸附容量测试理论基础(2)(2)传质区形成以后,其移动一个本身长度所需时间tD为:其中,W为流经吸附柱的工质总质量;G为氦气的质量流量;传质区长度Z为:其中,H为吸附柱床层长度;吸附传质区形成时间tF=(1-)tD;未
7、饱和分率为:其中,C0为进气口油含量浓度;求得传质区长度Z为:Page 11图27穿透曲线随质量W变化吸附床的饱和度饱和度为:吸附容量Nd可以由穿透曲线求得:求得吸附床对油的吸附容量N床为:吸附容量测试方案设计吸附容量测试方案设计控制阀流量QC,记录温度T1和压力P1,流量、质量;A、B点完整的穿透吸附曲线;到0.45ppm时,结束。Page 12图28 活性炭对油吸附实验工艺流程图29 实验吸附器活性炭油吸附器设计研究活性炭油吸附器设计研究l伯哈特和亚当斯通过实验发现:l其中,tA(h)为穿透时间;Nd(kg/m3)为吸附容量;H(m)为吸附床高;C0(kg/m3)为进气口杂质含量;v(m/
8、h)为空床流速;K为比例系数,单位为m3/(kgh);CA(kg/m3)为穿透时吸附床出气口中的杂质含量;l即:l其中B为斜率,A为截距;Page 13l绘制tA-H线;l根据穿透曲线做求得的吸附容量Nd来求得B,可求得吸附器设计高度HS为:l当tA=0时,床层高度H0即为传质区高度ZS,即:l若HS2ZS,则满足吸附设计要求;若2ZSHSZS,经济性不达标;若ZSHS,吸附床层高小于传质层高,进气即穿透,需重新选取空床流速进行设计。吸附柱进气口油含量测试方案设计吸附柱进气口油含量测试方案设计A组先通高纯气体,再通二级滤油后的气体;B组先通二级滤油后的气体,再通高纯气体;压力(P)随时间(t)
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