This paper describes experimental study on GM-type pulse tube refrigerator with neon as a working fluid instead of helium. Neon gas has similar compression characteristics with helium gas because it is a monoatoimc gas. In experiments, a cooling performance test was performed with same compressor and pulse tube refrigerator for neon and helium as working gas. From experimental results, a PTR with neon show the improved cooling performance than a PTR with helium. Cooling performance and operating characteristics of a PTR were discussed and compared for two different working gas.
A cryogenic stirling cooler is currently under development at Korea Institute of Industrial Technology(KITECH). Cryocooler has many kinds of types. The stirling cooler is the most appropriate one for under 80K with the trait of long life cycle and small size. The stirling cooler uses helium as a working fluid. Helium is pressurized by the linear compressor which is driver by linear motor. In this paper, the change of pressure and volume is studied by the isothermal analysis method. It is necessary to investigate the optimized pressure to meets the highest COP. The compressor's piston and expender's displacer interact according to the working fluid's pressure level and the phase difference. This paper presents the relation between the initial pressure and the work of cryocooler. By that results, we can predict the performance of linear compressor.
The Stirling cryocooler with helium refrigerant has been widely used for the cooling of the infrared detector, and the alternatives of the helium in the Stirling cryocooler are nitrogen and hydrogen gas. In this study, the performance experiment of the small FPFD(Free Piston and Free Piston) type Stirling cooler and the moving coil type, dual acting linear compressor was performed when the nitrogen and helium is used for the working fluid The results show that the nitrogen refrigerant has small cooling capacity compared with the helium, but the performance characteristics of the linear compressor does not greatly changed.
International Journal of Air-Conditioning and Refrigeration
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제8권2호
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pp.108-118
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2000
This paper describes a design of the helium-recondensing system utilizing cascade Roebuck refrigerators. Superconducting generator or motor has the superconducting field wind-ing in its rotor that should be continuously cooled by cryogen. Since liquid helium transfer from the stationary system to the rotor is problematic, cumbersome, and inefficient, the novel concept of a rotating helium-recondensing system is contrived. The vaporized cold helium inside the rotor is isothermally compressed by centrifugal force and expanded sequentially in cascade refrigerators until the helium is recondensed at 4.2 K. There is no helium coupling between the rotor and the stationary liquid helium storage. Thermodynamic analysis of the cascade refrigeration system is performed to determine the key design parameters. The loss mechanisms are explained to identify entropy generation that degrades the performance of the system.
This paper describes experimental investigation on neon refrigeration system using commercial helium compressor. In this paper, neon refrigeration cycle is calculated with assumption of ideal heat exchanger. From analysis, 32.6 K of the lowest temperature and 0.945 of quality after expansion are predicted. Cryogenic heat exchangers for pre cooler and main heat exchanger are designed and fabricated with configuration of tube-in-tube heat exchanger. In experiments, cooling performance test are performed as variation of charging pressure and orifice hole diameter. From experimental results, the lowest temperature of 44.0 K was measured with 500 ${\mu}m$ orifice and 1500 kPa of charging pressure.
Cryogenic technology is one of the key technologies for fusion reactor equipped with superconducting coil for plasma confinement. The KSTAR(Korea Superconducting Tokamak Advanced Research)Project is in progress since 1996. Major parameters of the KSTAR tokamak are : major radius 1.8m, minor radius 0.5m, toroidal field 3.5 Tesla and plasma current 2MA with a strongly shaped plasma cross-section and double -null diverter. Considering practical engineering constraints, the KSTAR device is designed for a pulse length of 300 sec in up-graded operation mode but in the initial configuration would provide a pulse length of 20 sec provided by the poloidal coil system in base-line operation mode. The cryogenic system is composed as follows : cold box, helium compressor system, distribution box, helium gas buffer tank, helium gas purifying system, gas recovery system, liquid helium storage dewar, current lead box, current bus line and liquid nitrogen storage tank.
The Collins cryocooler is numerically analysed with the optimization technique, and the optimum operating and design conditions are searched. This paper shows that liquefied helium quantity has an external maximum w.r.t. the total mass flow rate, the mass flow rates through expander and the capacities of heat exchangers. The liquefied helium quantity increases as the compressor exit pressure of the cryocooler does. The maximum quantity of liquefied helium and the maximum coefficient of performance have been found to exist in extremum, depending on the ratios of each heat exchanger capicities to the total one. At the optimum condition, the capacity of heat exchanger in high temperature region is larger than that in low temperature region.
Korea Superconducting Tokamak Advanced Research (KSTAR) has a helium refrigeration system (HRS) with the cooling capacity of 9 kW at 4.5 K. Main cold components are composed of 300 tons of superconducting (SC) magnets, main cryostat thermal shields, and SC current feeder system. The HRS comprises six gas storage tanks, a liquid nitrogen tank, the room temperature compression sector, the cold box (C/B), the 1st stage helium distribution box (DB#1), the PLC base local control system interconnected to central control tower and so on. Between HRS and cold components, there's another distribution box (DB#2) nearby the KSTAR device. The entire KSTAR device was constructed in 2007 and has been operated since 2008. This paper will present the maintenance result of the KSTAR HRS during the campaign and discuss the operation record and maintenance history of the KSTAR HRS.
In this study, we present rotor dynamic analysis and operation test of a turbo expander for a hydrogen liquefaction plant. The turbo expander consists of a turbine and compressor wheel connected to a shaft supported by two hydrostatic radial and thrust bearings. In rotor dynamic analysis, the shaft is modeled as a rigid body, and the equations of motion for the shaft are solved using the unsteady Reynolds equation. Additionally, the operating test of the turbo expander has been performed in the test rig. Pressurized helium is supplied to the bearings at 8.5 bar. Furthermore, we monitor the shaft vibration and flow rate of the helium supplied to the bearings. The rotor dynamic analysis result shows that there are two critical speeds related with the rigid body mode under 40,000 rpm. At the first critical speed of 36,000 rpm, the vibration at the compressor side is maximum, whereas that of the turbine is maximum at the second critical speed of 40,000 rpm. The predicted maximum shaft vibration is 3 ㎛, whereas sub-synchronous vibration is not presented. The operation test results show that there are two critical speeds under the rated speed, and the measured vibration value agrees well with predicted value. The measured flow rate of the helium supplied to the bearing is 2.0 g/s, which also agrees well with the predicted data.
The main components of the KSTAR helium refrigeration system (HRS) can be classified into the warm compression system (WCS) and the cryogenic devices according to the operating temperature levels. The WCS itself consists of the compressor station (C/S) and the oil removal system (ORS). The process helium is compressed from 1 bar to 22 bar maximum in the C/S and downstream, the ORS removes the oil mixed in the helium to less than 10 ppbw as per the operation criteria of the cryogenic devices of the KSTAR HRS. After the installation, the pre-commissioning and commissioning activities were started on July, 2007. Before the start-up of the C/S, vibration measurement and the skid reinforcement jobs were performed for stable operation of the C/S. The results of the WCS performance tests met the requirements of the KSTAR HRS but satisfied the vibration level criteria only at the compressors' full load condition.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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