中性束系统大抽速低温泵的参数和计算(2)

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)核工业西南物理研究院 作者:江涛

2.1、辐射热负荷

  (1)77K挡板的辐射热负荷在T1>>T3时(即稳态时T1为室温器壁的温度,T1=300K;T3为挡板的温度,近似取T3=77K;)由公式:

  ε3为挡板的辐射系数,ε3=0.97;σ 为斯蒂芬-玻尔兹曼常数σ=5.7×10-8W/m2·K4;可以得到Q3为992W(即:在稳态时,77K 挡板的辐射热负荷约为992W)。

  (2)4.5K冷凝板的辐射热负荷在有辐射挡板时低温冷凝板的辐射热负荷主要来源于辐射挡板对低温冷凝板的辐射热,以及室温器壁透过辐射挡板对低温冷凝板的热辐射,即:

  式中右边第一项是挡板对低温冷凝板的辐射热;第二项是室温器壁透过挡板对低温冷凝板的辐射热;A为冷凝板的面积,A=3.4m2;σ 为斯蒂芬- 玻尔兹曼常数σ=5.7×10-8W/m2·K4;ε2为低温冷凝板的辐射率,ε2=0.5,T1为室温器壁的温度,T1=300 K,T2为低温冷凝板的温度,T2=5 K;T3为挡板的温度,近似取T3=77K;ε3 为挡板的辐射率;ε3=0.97: Tp为热透射系数,Tp=0.02(表面无黑化处理时)。将这些参数代入式(5),得Q =19.087W。

  为了进一步提高辐射挡板的防辐射性能,将辐射挡板的内表面做全发黑处理(即:黑化),以减小辐射传输几率。内表面发黑可保证从辐射挡板透射进来的室温热辐射被全部吸收,不会被反射到冷凝板上,从而减小了低温冷凝板的热荷,使其温度更低,其效果是降低了极限压力,提高了低温泵的抽气效率。辐射挡板的内表面做全黑化处理时,可近似取Tp=0.001,将其代入式得到Q=4.173W(即:在稳态时,黑化处理过的4.5K冷凝板的辐射热负荷约为4.173W)。

2.2、气体冷凝的热负荷

  空气的导热系数(大于133Pa压力时基本上是常数) 在压力减少到133Pa以下时减少得很快。在压力低于1.3×10-1Pa(这个区域气体处于分子流区),由于导热引起的传热通常可以忽略(在低温领域中,它又被称为绝热真空)。

2.3、支撑结构传入的热量

  如图4右侧所示在支撑结构上,我们仅有顶部法兰和室温相通,一些支撑截面设计成“点”接触,以减少热传导,在顶部法兰下与液氮池之间可以简化接触结构为边宽20mm 的矩形方框和外径60mm的4根77K管道和2根4.5K管道,方框的宽200mm 长950mm,我们主要考虑它们传走的热量。

  (1)对于液氮77K部分

QD=K·A0·(T1- T3)/L(6)

  其中K为材料导热系数W/(m·K),结构材料为304不锈钢,在77K时K为8.0;A0为传导

  热量的截面积,共5.572×10-2m2;支撑面两端的温差为223K;液氮池的深度L为0.25m;则QD为397.61W;

(2)对于液氦4.5K部分

  材料导热系数K在4.5K时为0.2;截面积共5.66×10-3m2,支撑面两端的温差为295.5K;L取0.25m,则QD为1.338W;这样稳态运行时,低温泵总的热负荷情况就为4.5K低温面上20.4W(没有黑化处理)/5.5W(黑化处理后),而77K辐射屏蔽上为1389.6W。

  在德国IPP中性束系统实验平台上,经作者实际了解,在4.5K低温面上对应他们的系统参数,理论上的计算值在稳态和脉冲运行时分别为4.5K低温面上为30~35.4W,77 K 辐射屏蔽上为2126~2142W;可见热负荷情况很接近,在实际使用上也证实无论是稳定状态或脉冲运行时其热负荷也几乎是相同的。

3、低温泵的极限压力

  不考虑容器和泵壁的放气量,冷凝速率和蒸发速率达到稳态平衡时就是理论上低温泵所能达到的极限压力,即:

式中Pu———极限压力
  Ps———冷凝板温度下的气体饱和蒸气压
  αc———气体分子的冷凝系数
  Tg———入射气体温度
  Ts———冷凝板表面温度

  根据公式(7)的计算值得到不同温度的低温板抽除300K气体理论极限压力如下表1。

表1 不同温度的低温板抽除300K气体理论极限压力表

  表中我们可以看出,对于氢气在300K的条件下,低温板温度低于3K才能得到很低的极限压力。这就是为什么要在低温冷凝板上涂以活性炭,分子筛等吸气材料的原因,这就是多种办法(既捕集又吸附)综合抽气方式的运用。在采用这种方式后即使对被抽容器不进行烘烤除气,也可以比较容易就达到低于10-8Pa 的极限压力。

  大抽速低温泵已经成为国际上核聚变领域,特别是当前中性束系统长脉冲运行的一个必然的需求。这个设计,从概念的角度,对原理给予了说明;从工程的角度,结合HL-2M 4MW中性束真空系统的结构特点和需求,给出了低温泵的主体基本结构,即:以顶部主法兰为固定支撑,4.5K双面活性炭涂层的低温冷面结合77K的经黑化处理过的V 字型折流板为主体部件的液氦和液氮双回路系统。同时,对中性束的主要气源进行了说明,低温泵的抽速,热负荷以及极限压力进行了初步的计算。

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