肖毅
东莞理工学院 523000
摘要：本文主要研究模拟负载装置的研制，加热器按照加热方式大约分为电磁加热、红外线加热、电阻加热这三种，热力设计包括传热计算、流体阻力计算。热力设计与结构形式及结构参数有关。先从工艺和制造角度考虑给定一部分结构参数，再进行传热计算。通过传热计算从热交换角度来衡量已定结构参数是否合理。
关键词：低温系；模拟负载；传热面积计算
绪论：
一、中国散裂中子源发展背景
中国散裂中子源（CSNS）是国家“十一五”期间重点建设的大科学装置，是国家的战略性项目，对国家的经济领域、科学技术领域、医学领域、军事领域等各个领域具有重大的作用，其中，氦制冷机是中国散裂中子源的低温系统制冷装置，为了能够准确的知道氦制冷机的制冷量，本文是负责设计一个模拟负载装置来确定氦制冷机的制冷量，如图1.1所示。
图1.1低温系统的工作原理图
1.1主要研究内容
氦制冷机将由制冷机厂商提供，为了能够精确验收氦制冷机的制冷量，确保氦制冷机能够提供足够的设计制冷量保证低温系统的正常运行。因此需要设计一个模拟负载来准确测试氦制冷机的制冷量。模拟负载可以在常温温区（300K）以及液氮温区（80K）提供最大为3000W的加热量。
所以本文的目的是该装置的设计研发方案。
二、模拟负载装置的机械结构简介
2.1模拟负载装置结构的选择
目前应用广泛的加热器按照加热方式大约分为3种：
1、电磁加热：电磁加热是通过电子线路板组成部分产生交变磁场、当用含铁质容器放置上面时，容器表面具即切割交变磁力线而在容器底部金属部分产生交变的电流（即涡流），涡流使容器底部的铁原子高速无规则运动，原子互相碰撞、摩擦而产生热能。从而起到加热物品的效果。
2、红外线加热——红外线的传热形式是辐射传热，由电磁波传递能量。在远红外线照射到被加热的物体时，一部分射线被反射回来，一部分被穿透过去。当发射的远红外线波长和被加热物体的吸收波长一致时，被加热的物体吸收远红外线，这时，物体内部分子和原子发生“共振”——产生强烈的振动、旋转，而振动和旋转使物体温度升高，达到了加热的目的。
3、电阻加热——利用电流通过电热体放出热量来加热坯料的加热方法。常见的电阻丝加热，陶瓷加热器，以及电阻圈加热，石英管加热，原理上都属于电阻式加热。
本设计选用电阻加热器，并且加上翘片，此加热器具有以下特点：
（1）加热管体积小，功率大，控温精度高，使用性广泛，并且工作稳定，热效率高，使用寿命长。
（2）安装方便，安全可靠，并且可按照加工要求，形式多样。
（3）散热翘片结构紧凑、尺寸小、流阻小。
（4）此加热器灵活性大，并且能有效提高传热面积。
2.2模拟负载装置的结构设计
本模拟负载装置主要由两部分组成：外筒和冷箱腔体，二者之间的间隙为高真空绝热层。除了这两部分外，还设置氦气传输管道，流量计，排气阀等各装置。
因为真空腔内的压强为10-4Pa–10-3Pa，所以外筒要具有一定的刚性，且筒体与圆筒盖由螺栓进行固定，其端面应准确对中，并且在圆筒盖上按照国家标准，应准确定制各种接口。在允许公差范围内，任何错边应修整成平滑过渡；当外筒制造完成后，应清除污垢、除油、表面作酸洗钝化处理；容器内充以0.05MPa的洁净氮气，并将各接管封好，保证内筒，传输管道等流通通道清洁无颗粒物；为了方便移动，外筒上安装手柄与脚轮，圆筒盖上安装吊环，且局部最大间隙不应大于1mm。
内胆上开设氦气进出口，为方便维修加热棒，内胆上安装的加热管应该选用模具加热管，这种加热管是由金属管作外壳装入高电阻电热合金丝作发热材料，在电热丝周围填充并压实，具有良好的绝缘性能，用导热系数较高的高纯氧化镁作填充料，该产品具有功率大，热效性高，散热快等特点，模具加热管管套外套上环形翅片，套管内部充注氦气与电加热棒之间进行良好的传热。加热棒功率可以调节，最大功率可达3Kw。
更具设计任务书，本装置是为了准确测试氦制冷机的制冷量，因此需要测量进出口流量和压力以及温度，所以在进口氦气传输管道上安装温度传感器和压力传感器。
根据设计任务书的要求：
（１）模拟负载的作用是为了能够精确验收氦制冷机的制冷量，确保氦制冷机能够提供足够的设计制冷量保证低温系统的正常运行。
（2）模拟负载它是一个外形呈圆桶状、内外双层筒体之间布置有各种管路、阀门和其他元器件的真空容器。
（3）模拟负载真空腔尺寸要求：直径不小于800mm，高度不小于1000mm。腔体内管线走向和其他元器件布置，在满足图1要求基础上，可以进行优化设计。
（4）为了保证密封性，圆筒盖与外筒间安装垫圈；为了方便移动圆筒盖以及吊起此装置，在圆筒盖上有设置吊钩，并且在盖上按照标准设置其他仪器所需要的接口。
（5）真空腔体密封性良好，外筒和内筒的夹层真空度在低温可达10-4Pa–10-3Pa或以下。
（6）散热片安装均匀稳固；保证内筒，传输管道等流通通道清洁无颗粒物
（7）加热棒可在温区20K~400K温区正常工作，输出功率值不随温区变化而变化。
（8）使用的电气设备和元器件要符合相应的国标或行业规范
2.3模拟负载装置的主要部件
模拟负载装置的主要部件如表2.1和图2.2所示
即加翅片后的传热面积为原光管面积的13.24倍。
参考文献：
[1]范敏，马文石，汪国杰.硅橡胶膜的改性与应用研究进展[J].特种橡胶制品.2006（01）
[2]靳同红，王胜春.《工程机械构造与设计》.化学工业出版社，2009.6
[3]叶玉驹，焦永和，张彤.《机械制图手册》第4版.机械工业出版社，2008.3
[4]赵健.《SolidWorks2007机械设计专家指导》.机械工业出版社，2007
[5]单辉祖.《材料力学》第二版.北京：高等教育出版社，2004-08
论文作者:肖毅
论文发表刊物:《基层建设》2015年25期供稿
论文发表时间:2016/3/23
标签：制冷机论文; 负载论文; 装置论文; 圆筒论文; 加热器论文; 氦气论文; 制冷量论文; 《基层建设》2015年25期供稿论文;