百瓦量級(jí)2K超流氦制冷系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)仿真和實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、隨著現(xiàn)代粒子加速器、可控核聚變裝置等大科學(xué)工程的建設(shè)，推進(jìn)了超導(dǎo)磁體和超導(dǎo)加速腔向更大的磁場(chǎng)強(qiáng)度和更高的加速梯度發(fā)展，同時(shí)也促進(jìn)為超導(dǎo)設(shè)備提供冷量的氦低溫系統(tǒng)也由4.2K液氦溫區(qū)向超流氦溫區(qū)發(fā)展。
　　本文以超導(dǎo)射頻腔超流氦低溫冷卻系統(tǒng)為研究對(duì)象，采用數(shù)學(xué)模擬方法深入研究了超導(dǎo)射頻腔的超流氦低溫系統(tǒng)的熱力循環(huán)性能，分析了超導(dǎo)加速腔的工作運(yùn)行溫度對(duì)超導(dǎo)腔低溫系統(tǒng)功率消耗的影響關(guān)系等；針對(duì)4.5K氦低溫系統(tǒng)和2K超流氦低溫系統(tǒng)中不同設(shè)

2、備的動(dòng)態(tài)特性，采用集中參數(shù)法和分布參數(shù)法，建立了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)仿真數(shù)學(xué)模型，編制了動(dòng)態(tài)降溫過(guò)程仿真程序，對(duì)4.5K氦低溫系統(tǒng)以及超流氦低溫系統(tǒng)的降溫過(guò)程進(jìn)行了深入的研究分析。
　　經(jīng)濟(jì)合理的超流氦熱力循環(huán)是進(jìn)行動(dòng)態(tài)降溫過(guò)程分析的前提，本文首先利用大型過(guò)程分析軟件及其用戶自定義模塊對(duì)溫度為2K、制冷量為100W的超流氦低溫冷卻的熱力循環(huán)方案進(jìn)行了研究，從提高超流氦冷卻系統(tǒng)的效率方面，對(duì)百瓦量級(jí)超流氦低溫制冷系統(tǒng)進(jìn)行了深入的冷卻流程方案的

3、熱力學(xué)分析和研究，比較了不同冷卻方案下超流氦制冷系統(tǒng)的制冷效率等因素，研究結(jié)果表明：帶回收負(fù)壓氦氣冷量的負(fù)壓換熱器和預(yù)冷用低溫?fù)Q熱器的氦制冷循環(huán)，其系統(tǒng)的制冷效率最大，但系統(tǒng)結(jié)構(gòu)也較復(fù)雜，設(shè)備投入成本高，運(yùn)行費(fèi)用低。
　　以廣泛用于高能物理加速器的1.3GHz超導(dǎo)加速腔為例，深入分析研究了影響其工作性能的BCS表面電阻和制冷系統(tǒng)耗功與超導(dǎo)腔運(yùn)行溫度之間的關(guān)系，獲得不同制冷溫度下由超導(dǎo)腔的BCS表面電阻引起的超導(dǎo)腔射頻損耗和制冷系統(tǒng)

4、功耗，研究表明：合理選擇超導(dǎo)加速腔的工作運(yùn)行溫度對(duì)于降低制冷系統(tǒng)的運(yùn)行成本效果顯著。最后，根據(jù)這兩種主要損耗確定了適合該型超導(dǎo)腔的工作運(yùn)行溫度。
　　氦系統(tǒng)動(dòng)態(tài)仿真研究，主要是為了模擬氦系統(tǒng)在降溫、升溫以及非正常穩(wěn)態(tài)運(yùn)行等動(dòng)態(tài)變化熱力過(guò)程，研究動(dòng)態(tài)過(guò)程中系統(tǒng)熱力性能的變化規(guī)律，為系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)、實(shí)際運(yùn)行操作提供理論依據(jù)。
　　針對(duì)優(yōu)化的超流氦熱力循環(huán)方案，本文將相應(yīng)的超流氦制冷系統(tǒng)劃分為4.5K氦制冷系統(tǒng)和超流氦制冷系統(tǒng)兩部

5、分。運(yùn)用制冷系統(tǒng)熱動(dòng)力學(xué)理論，采用集中參數(shù)法和分布參數(shù)法，分別根據(jù)各設(shè)備的工作特點(diǎn)，建立其動(dòng)態(tài)仿真數(shù)學(xué)模型，并采用計(jì)算機(jī)編程語(yǔ)言FORTRAN對(duì)氦低溫系統(tǒng)不同降溫方案的降溫過(guò)程進(jìn)行了仿真模擬。
　　動(dòng)態(tài)仿真中考慮并研究了主要的低溫調(diào)節(jié)閥門(mén)的開(kāi)度、相應(yīng)的氦氣質(zhì)量流量對(duì)降溫過(guò)程系統(tǒng)各點(diǎn)熱力參數(shù)的影響。結(jié)果表明，降溫過(guò)程中壓縮機(jī)旁通閥的開(kāi)度變化直接影響系統(tǒng)的降溫時(shí)間。進(jìn)入系統(tǒng)的氦氣質(zhì)量流量受到透平膨脹機(jī)和節(jié)流閥流通能力的限制，必須在降溫

6、過(guò)程中調(diào)節(jié)壓縮機(jī)的旁通閥來(lái)控制進(jìn)入冷箱的氦氣質(zhì)量流量。
　　通過(guò)動(dòng)態(tài)仿真，獲得了氦低溫系統(tǒng)動(dòng)態(tài)降溫過(guò)程中沿氦氣流動(dòng)方向上復(fù)雜的溫度變化規(guī)律，給出了氦制冷機(jī)系統(tǒng)內(nèi)部沿氦氣流動(dòng)方向上溫度測(cè)點(diǎn)的溫度值在溫熵圖上的變化趨勢(shì)。
　　通過(guò)對(duì)4.5K液氦制冷系統(tǒng)以及超流氦制冷系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)降溫過(guò)程的數(shù)值模擬還發(fā)現(xiàn)：采用低溫?fù)Q熱器的超流氦制冷系統(tǒng)在降溫過(guò)程中產(chǎn)生2K超流氦的時(shí)間要早于系統(tǒng)中產(chǎn)生130kPa的飽和液氦所需要的時(shí)間。
　　仿真