1.8K常压超流氦低温系统漏热分析及真空泵抽速计算

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)中国科学院等离子体物理研究所 作者:郝强旺

  给出了1.8 K 常压超流氦低温系统的工作原理。对HeⅡ腔的漏热进行了分析和计算,包括环氧隔热板、安全阀、支撑杆以及测量线与电流引线底座同HeⅠ腔的导热,真空夹层之间的残余气体导热以及HeⅡ腔内杜瓦与其外周冷屏的辐射换热。根据漏热值,对所需真空泵的抽速进行了计算,同时给出了预冷与节流相结合获取1.75 K 超流氦方案物理过程的温-熵图。

引言

  中国科学院等离子体物理研究所超导电工实验室设计用于ITER( 国际热核聚变实验堆装置) CC( 校正场线圈) 超导测试装置的背景场磁体低温杜瓦原本用于法国TORUS II Supra 托卡马克装置低温超导导体性能测试,2002 法国将其赠送给中国科学院等离子所,等离子所随后对整个装置进行了低温系统、磁体电源、数据测量与采集、磁体控制和保护等方面的改造, 2009 年进行低温通电实验时采用4.2 K 液氦浸泡冷却背景磁场,在4.2 K 液氦浸泡冷却能够产生7 T 的背景场,为了满足今后超导导体测试需要更大背景场的要求,需要采用1.8K 超流氦浸泡冷却背景磁体。

  背景场磁体杜瓦结构图如图1 所示,杜瓦本体包含HeⅠ、HeⅡ两个低温腔,当磁体采用4.2 K 液氦浸泡冷却时,两个腔温度一样都是4. 2 K 液氦; 当磁体为了获得更高的磁场强度需要使用1. 8 K 常压( 标准大气压) 超流氦浸泡冷却时,HeⅠ、HeⅡ腔分别装有4.2 K 液氦和1.8 K 超流氦,此时两个腔体之间必须用隔热板分开。

背景场磁体杜瓦结构图

图1 背景场磁体杜瓦结构图

  1. 真空泵 2. 饱和HeⅡ液面计 3. 逆流热交换器  4. 节流膨胀阀 5. 输液阀 6. 杜瓦容器 7. 磁体安全阀 8. 颈部热交换器 9. 安全冷阀 10. 紧急安全阀 11. 绝热隔板 12. HeⅡ热交换器 13. 超导磁体线圈 14. 不锈钢内杜瓦

1. 8 K 常压超流氦低温系统

  1. 8 K 常压超流氦低温系统主要由真空泵、HeⅡ液面计、逆流热交换器、节流膨胀阀、HeⅡ热交换器等组成,结构如图2 所示。当杜瓦工作在4.2 K 温区时,HeⅡ制冷系统不参与运行,磁体线圈直接由HeⅠ浸泡冷却; 当磁体需要工作在1.8 K 温区时,HeⅠ腔的HeⅠ依次经过HeⅡ制冷系统的逆流热交换器、节流膨胀阀制冷后得到1.75 K 的HeⅡ; 1.75 K的HeⅡ在HeⅡ热交换器中吸热,将HeⅡ腔中的HeⅠ逐步冷却为1.8 K 的超流氦。与此同时在真空泵的作下,HeⅡ热交换器内的1.75 K 液氦不断蒸发制取冷量,同时蒸发的低温氦回气经过逆流热交换器时又将HeⅠ预冷,从而完成了整个由HeⅠ到HeⅡ的制冷循环。

超流氦制冷系统结构图

图2 超流氦制冷系统结构图

真空泵抽速计算

  真空泵是获得超流氦的关键设备,超流氦低温循当超流氦的质量流量小于20 g /s 时,常采用室温泵作为超流氦的流动动力,而当超流氦的质量流量超过100 g /s 时,通常采用低温压缩机构成的超流氦低温循环。本设计选用室温泵,即预冷换热器中出来的氦气通过加热装置,加热到常温( 300 K) 后,再经过室温泵将其抽出。HeⅡ的冷却能力和真空泵的抽速有关,抽速越快则超流氦可以提供的制冷量越大。一般来讲,真空泵的抽速越大,则相应的成本也会增加。为了降低真空泵组的成本,在满足系统真空度的条件下,对于该低温系统可以通过降低氦气流量来实现该目标。

  图5 为超流氦循环过程中,HeⅡ换热器中获得1.75 K 超流氦所采用的带有预冷的节流过程的温-熵图,状态3、4 对应的热力参数:

 预冷节流方式获取1.75 K 超流氦

图5 预冷节流方式获取1.75 K 超流氦

  6 点:T = 1.75 K,P = 1.37 kPa,h6 = 705.6 J /kg( 饱和超流氦);4 点:T = 1.75 K,P = 1.37 kPa,h4 =23 990 J /kg( 饱和氦蒸气) 。饱和超流氦在吸收热量后转变为冷的氦蒸气,汽化潜热:r = h4 - h6 = 23 990- 705.6 J /kg = 23 284.4 J /kg = 23.28 J /g。通过节流阀获得的超流氦的液体率约为72%,当系统稳定后,HeⅡ腔的漏热为1.655 W,

  在计算漏热值的基础上乘以安全系数2 来选用计算真空泵的抽速。所以,通过J-T 阀的饱和超流氦其提供的冷量为3.31 W。

结论

  针对用于ITER( 国际热核聚变实验堆装置) CC( 校正场线圈) 超导测试装置的背景场磁体低温杜瓦给出了1.8 K 常压超流氦低温系统部分工作原理,就设备的尺寸,对1.8 K 超流氦循环部分的漏热做了分析和计算,并通过漏热值计算了所需真空泵的抽速,对后期真空泵的选型提供参考。环中真空泵类型主要有液环泵罗茨泵旋片泵等。

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