1.8K常壓超流氦低溫系統漏熱分析及真空泵抽速計算

2013-06-10 郝強旺 中國科學(xué)院等離子體物理研究所

　　給出了1.8 K 常壓超流氦低溫系統的工作原理。對HeⅡ腔的漏熱進(jìn)行了分析和計算，包括環(huán)氧隔熱板、安全閥、支撐桿以及測量線(xiàn)與電流引線(xiàn)底座同HeⅠ腔的導熱，真空夾層之間的殘余氣體導熱以及HeⅡ腔內杜瓦與其外周冷屏的輻射換熱。根據漏熱值，對所需真空泵的抽速進(jìn)行了計算，同時(shí)給出了預冷與節流相結合獲取1.75 K 超流氦方案物理過(guò)程的溫-熵圖。

引言

　　中國科學(xué)院等離子體物理研究所超導電工實(shí)驗室設計用于ITER( 國際熱核聚變實(shí)驗堆裝置) CC( 校正場(chǎng)線(xiàn)圈) 超導測試裝置的背景場(chǎng)磁體低溫杜瓦原本用于法國TORUS II Supra 托卡馬克裝置低溫超導導體性能測試，2002 法國將其贈送給中國科學(xué)院等離子所，等離子所隨后對整個(gè)裝置進(jìn)行了低溫系統、磁體電源、數據測量與采集、磁體控制和保護等方面的改造， 2009 年進(jìn)行低溫通電實(shí)驗時(shí)采用4.2 K 液氦浸泡冷卻背景磁場(chǎng)，在4.2 K 液氦浸泡冷卻能夠產(chǎn)生7 T 的背景場(chǎng)，為了滿(mǎn)足今后超導導體測試需要更大背景場(chǎng)的要求，需要采用1.8K 超流氦浸泡冷卻背景磁體。

　　背景場(chǎng)磁體杜瓦結構圖如圖1 所示，杜瓦本體包含HeⅠ、HeⅡ兩個(gè)低溫腔，當磁體采用4.2 K 液氦浸泡冷卻時(shí)，兩個(gè)腔溫度一樣都是4. 2 K 液氦; 當磁體為了獲得更高的磁場(chǎng)強度需要使用1. 8 K 常壓( 標準大氣壓) 超流氦浸泡冷卻時(shí)，HeⅠ、HeⅡ腔分別裝有4.2 K 液氦和1.8 K 超流氦，此時(shí)兩個(gè)腔體之間必須用隔熱板分開(kāi)。

背景場(chǎng)磁體杜瓦結構圖

圖1 背景場(chǎng)磁體杜瓦結構圖

　　1. 真空泵　2. 飽和HeⅡ液面計　3. 逆流熱交換器　 4. 節流膨脹閥　5. 輸液閥　6. 杜瓦容器　7. 磁體安全閥　8. 頸部熱交換器　9. 安全冷閥　10. 緊急安全閥　11. 絕熱隔板　12. HeⅡ熱交換器　13. 超導磁體線(xiàn)圈　14. 不銹鋼內杜瓦

1. 8 K 常壓超流氦低溫系統

　　1. 8 K 常壓超流氦低溫系統主要由真空泵、HeⅡ液面計、逆流熱交換器、節流膨脹閥、HeⅡ熱交換器等組成，結構如圖2 所示。當杜瓦工作在4.2 K 溫區時(shí)，HeⅡ制冷系統不參與運行，磁體線(xiàn)圈直接由HeⅠ浸泡冷卻; 當磁體需要工作在1.8 K 溫區時(shí)，HeⅠ腔的HeⅠ依次經(jīng)過(guò)HeⅡ制冷系統的逆流熱交換器、節流膨脹閥制冷后得到1.75 K 的HeⅡ; 1.75 K的HeⅡ在HeⅡ熱交換器中吸熱，將HeⅡ腔中的HeⅠ逐步冷卻為1.8 K 的超流氦。與此同時(shí)在真空泵的作下，HeⅡ熱交換器內的1.75 K 液氦不斷蒸發(fā)制取冷量，同時(shí)蒸發(fā)的低溫氦回氣經(jīng)過(guò)逆流熱交換器時(shí)又將HeⅠ預冷，從而完成了整個(gè)由HeⅠ到HeⅡ的制冷循環(huán)。

超流氦制冷系統結構圖

圖2 超流氦制冷系統結構圖

真空泵抽速計算

　　真空泵是獲得超流氦的關(guān)鍵設備，超流氦低溫循當超流氦的質(zhì)量流量小于20 g /s 時(shí)，常采用室溫泵作為超流氦的流動(dòng)動(dòng)力，而當超流氦的質(zhì)量流量超過(guò)100 g /s 時(shí)，通常采用低溫壓縮機構成的超流氦低溫循環(huán)。本設計選用室溫泵，即預冷換熱器中出來(lái)的氦氣通過(guò)加熱裝置，加熱到常溫( 300 K) 后，再經(jīng)過(guò)室溫泵將其抽出。HeⅡ的冷卻能力和真空泵的抽速有關(guān)，抽速越快則超流氦可以提供的制冷量越大。一般來(lái)講，真空泵的抽速越大，則相應的成本也會(huì )增加。為了降低真空泵組的成本，在滿(mǎn)足系統真空度的條件下，對于該低溫系統可以通過(guò)降低氦氣流量來(lái)實(shí)現該目標。

　　圖5 為超流氦循環(huán)過(guò)程中，HeⅡ換熱器中獲得1.75 K 超流氦所采用的帶有預冷的節流過(guò)程的溫-熵圖，狀態(tài)3、4 對應的熱力參數：

預冷節流方式獲取1.75 K 超流氦

圖5 預冷節流方式獲取1.75 K 超流氦

　　6 點(diǎn)：T = 1.75 K，P = 1.37 kPa，h6 = 705.6 J /kg( 飽和超流氦)；4 點(diǎn)：T = 1.75 K，P = 1.37 kPa，h4 =23 990 J /kg( 飽和氦蒸氣) 。飽和超流氦在吸收熱量后轉變?yōu)槔涞暮ふ魵�，汽化潛熱：r = h4 - h6 = 23 990- 705.6 J /kg = 23 284.4 J /kg = 23.28 J /g。通過(guò)節流閥獲得的超流氦的液體率約為72%，當系統穩定后，HeⅡ腔的漏熱為1.655 W，

　　在計算漏熱值的基礎上乘以安全系數2 來(lái)選用計算真空泵的抽速。所以，通過(guò)J-T 閥的飽和超流氦其提供的冷量為3.31 W。

結論

　　針對用于ITER( 國際熱核聚變實(shí)驗堆裝置) CC( 校正場(chǎng)線(xiàn)圈) 超導測試裝置的背景場(chǎng)磁體低溫杜瓦給出了1.8 K 常壓超流氦低溫系統部分工作原理，就設備的尺寸，對1.8 K 超流氦循環(huán)部分的漏熱做了分析和計算，并通過(guò)漏熱值計算了所需真空泵的抽速，對后期真空泵的選型提供參考。環(huán)中真空泵類(lèi)型主要有液環(huán)泵、羅茨泵、旋片泵等。