氦气广泛应用于尖端科技领域，国际上诸如欧洲核子中心、国际热核聚变实验堆，国内的超导托卡马克，北京正负电子对撞机等，均配备有大型的氦低温系统。氦气是一种重要的战略资源，我国氦气主要依赖于进口，充分利用和保护氦气资源十分重要。在大型氦低温系统中，对所使用的氦气纯度要求极高，往往需要达到99.999％以上，为此需要配置纯化单元保证氦气纯度达到要求。氦低温系统在运行过程中，会存在水蒸气、氮气、氧气等杂质，低温下，这些杂质会液化、结霜，冻结在换热器表面，大幅度降低换热器的换热性能，同时增大氦循环系统的阻力，严重时导致制冷机透平膨胀机的点蚀破坏，因此需要对氦气进行纯化来保证低温系统的正常运行。
　　内纯化器是安装在冷箱内部的纯化装置，主要利用制冷系统内部的冷量将污氦气中的杂质冷凝、冷冻，从而实现分离的目的，得到纯净的氦气。大部分杂质在一级换热器中冷凝，通过气液分离器被去除，剩余的杂质在二级换热器中固化，冻结在换热器表面被分离。本文研究的主体为内纯化器冷凝换热器，在已有研究基础上，进一步揭示冷凝机理，并利用内纯化器实验平台开展纯化实验，对内纯化器冷凝换热器的设计进行优化，为今后换热器设计提供理论指导。主要研究工作有:
　　1.对氦液化器内纯化器的冷凝换热器进行CFD模拟仿真，建立全尺寸冷凝换热器模型，使用氦气-空气混合气体作为工质，进行模拟计算，得到管内外流体温度场分布，计算换热器传热系数的变化并与实验结果对比;进一步计算管外流体Nu数、Pr数及Re数的变化，并和一般设计方法计算得到的Nu数相比较;对模拟获得的无量纲数进行拟合分析，得到拟合关系式。
　　2.对内纯化器冷凝换热器内部在纯化过程中产生的冷凝液膜进行简化模拟，研究流经竖直冷壁面的氦氮混合气体的冷凝情况，建立气相及液相简化模型，求解流场中的各物理量，得到液膜厚度随工质压力及组分的变化。压力的升高有助于冷凝的发生，增加液膜厚度;随冷凝组分的增多，液膜厚度呈现先增后减的趋势。液膜厚度的变化与实验中换热器总传热系数的变化一致。
　　3.利用内纯化器实验平台，分别使用氦气-空气混合气体，氦氮混合气体及氦氧混合气体开展纯化实验，根据实验结果计算出换热器传热系数随着压力及气体组分的变化，分析冷凝液膜的变化及对内纯化器换热性能的影响;进一步获得Nu数、Pr数及Re数的变化及关系，根据大量实验数据对无量纲数进行拟合，拟合关系式可对今后同一类型的冷凝换热器设计提供指导。