大型氦低温系统是指以氦气为工质,制冷温度达到并维持在20K以下的制冷系统。大型氦低温系统能够为航空航天、大科学工程以及交通医疗等领域提供所需要的极端低温环境和技术支持,对于推动我国前沿科学和高科技产业的发展发挥着重要的作用。随着我国低温技术的广泛应用,对于氦低温制冷系统的制冷能力要求越来越高,使得对于大型氦低温系统的关键技术和工作特性的研究成为工作的重点。基于以上研究背景,本文围绕着研究20K温区的大型氦低温系统的工作特性,以低温系统中的关键设备的工作特性为研究对象,分别从仿真模拟和实验研究两个方面分析了超临界氦气在低温下的对流换热特性。目的是为氦低温系统在低温下安全高效的运行提供设计保障与理论依据。主要研究内容如下:(1)本文以逆布雷顿循环为基础,对2kW@20K的氦低温系统进行了流程设计与动态模拟。通过对低温系统中的螺杆压缩机、透平膨胀机、低温换热器和低温调节阀等关键设备的热力学特性的研究,给出了其在系统降温过程中的动态仿真模型,对氦低温系统降温过程进行了动态仿真模拟,并通过实验验证仿真模型的准确性。(2)针对氦低温系统对制冷工质纯度的要求,深入研究了流速、温度、滤芯参数以及活性炭吸附特性等因素对系统纯化性能的影响,研制了一套具有极高纯化性能的氦纯化系统,该纯化系统可以在2小时内将低温系统中的氦气纯化到开机要求。(3)针对氦低温系统制冷量和制冷温度,研制了一台20K温区的电加热负载,模拟计算了不同的翅片材料、翅片数量、孔隙率以及加热棒数量对负载在低温下的换热特性的影响。提出了以管内强迫对流换热和有限空间横掠圆柱换热耦合求解的方法,来解决翅片中复杂流场中的对流换热问题。通过动态仿真模拟,提出了适合本低温系统的热负载加载速率为0.2W/s。