低温超导磁体杜瓦装置的结构设计与传热分析
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( 3 )真空多层绝热层采用铝箔和纤维织网组成的 绝热材料 ,层数在 80～100层 ,施工时现场要求清洁无 灰尘 ,并且防止出现热短路现象 。
( 4 )杜瓦真空夹层的抽真空工艺必须严格按照标 准进行 。由于绝热材料的放气以及绝热层的巨大抽气 阻力 ,抽气过程比较缓慢 ,采用边加热边抽真空方法 , 使得夹层的动态真空达到 1 ×10 - 3 Pa。
为了在输液阶段能够充分利用氦气的汽化显热 , 该装置将输液管末端设计插入到装置的最低端 ,使蒸 发的冷氦气能充分地与装置进行热交换 。否则在注液 开始就会由于液氦的猛烈蒸发而产生的高速氦气把液 氦冲上来 ,导致液氦消耗量的大大增加 。同时为了能 够再充分利用这部分氦气的冷量 ,在端盖顶端安设回 气管 ,将它们引入到下级杜瓦装置中进行热交换 。
2. 4 工艺特点 ( 1 )该装置采用真空多层绝热加上铜辐射冷屏的
超级绝热结构 ,并且在铜冷屏的外壁布置回流蒸发氦 气的排气管 ,充分利用了氦气蒸发的高 )汽化潜热 ,冷 却效率大大增加 。
(2)装置的内 、外杜瓦 ,上下端盖法兰均采用不锈 钢材料 ,焊缝均采用氩弧焊 。总体装置焊接以后必须 进行真空调试 ,确保总漏率不大于 1 ×10 - 8 Pa·m3 / s。
·30·
低温技术 Cryogenics 第 1期
3. 1 杜瓦瓶口不锈钢端盖法兰向液氦面的辐射传热 Q1
Q1 =εsoσA ( T4s - T40 ) = 0. 072 ×56. 7 ×10 - 9 ×
0. 00374 ×(3004 - 4. 24 ) = 0. 124W = 0. 45kJ / h
1 引言
低温技术作为现代科学技术的一个重要分支 ,随 着国民经济的发展 ,在能源 、化工 、机械 、动力 、航天以 及生物医疗等部门和领域得到越来越广泛应用 ,如火 箭技术 、空间低温技术 、超导磁共振成像 (MR I)技术 、 超导磁体和超导电缆的冷却等 。在低温技术的各个应 用场合中 ,首先要求能够获得有效的低温环境 ,并同时 要求设计出能够长时间的保持这样低温环境的绝热系 统 。近期我们研制了一套异型杜瓦装置 ,能够获得超 导磁体运行所需要的低温环境 ,并且设计出了能够长 时间维持该低温环境的绝热系统 。本文主要介绍了该 装置的结构设计和绝热系统的设计 ,并对该装置的绝 热系统进行了传热分析 。
外杜瓦壁和铜冷屏之间的真空夹层 ,采用的是多 层多屏的绝热系统 。传统上为了降低铜冷屏的温度使 其温度固定在 77K,常常采用液氮池保护屏的冷却方 式 。采用液氮屏虽然冷却效率高 ,但是会使系统结构 复杂 、制造困难 、操作复杂 、影响安全以及受空间制约 。 本装置在真空夹层采用的是由铝箔和纤维织网组成的 多层绝热辐射屏 4。该屏的层密度小 ,每层辐射屏与 内杜瓦 3的颈管进行热连接 ,不仅可以有效地遏制热 壁的室温辐射 ,而且可以借助辐射屏层间的平行方向 的导热 ,将屏中的热流导向颈管 ,能够被颈管中蒸发的 冷氦蒸气带走 。这种绝热系统制作容易 、重量轻 、预冷 快 、绝热性能良好 。
2 结构及特点
2. 1 结构介绍
超导磁体低温杜瓦装置的具体结构如图 1 所示 。 该装置采用的是双层杜瓦 、防辐射铜冷屏 、多层绝热辐 射屏方式的绝热系统 。
1. 外杜瓦 ; 2. 铜冷却屏 ; 3. 内杜瓦 ; 4. 真空夹层多层绝热辐射屏 ; 5. 可拔式输液 He管 ; 6. 可拔式电流引线 ; 7. 法兰端盖 ; 8. 蛇形排气冷却 管 ; 9. 内杜瓦支撑杆 ; 10. 定位构件 ; 11. 超导磁体 ; 12. 室温孔
3 传热分析
杜瓦装置由外到内的热量传递非常复杂 ,其中最 有影响的漏热有 :
( 1 )从处在室温的杜瓦瓶口金属端盖向下的热辐 射 Q1 ;
(2)沿着内杜瓦壁颈管向下的固体传导热 Q2 ; (3)铜屏向内杜瓦壁的热辐射 Q3 ; (4) 支撑构件的传导热 Q4 ; (5)超导电流引线和输液管的传导热 ,以及通过剩 余气体的传热 。则容器由外而内传入的全部热量为 : ∑Q = Q1 + Q2 + Q3 + Q4
10 - 4 m2 ;
φ 10
- 辐射角系数 ,取值
0.
7[ 1 ] 。
3. 2 颈管管壁对液氦的固体传导热 Q2
内杜瓦部分的不锈钢颈管直径
Φ
69mm
,壁厚
δ 1
=
0.
8mm
和壁厚Leabharlann δ 2= 4mm ,液氦面上对应的高度
L1
=
300mm 和 L2 = 200mm。颈管上端处于室温 300K的环
境内 ,下端处于液氦面 4. 2K的环境中 。由于两端存
低温与超导 第 35卷 第 1期
低温技术 C ryogenics
Cryo. & Supercond. Vol. 35 No. 1
低温超导磁体杜瓦装置的结构设计与传热分析
王开松 1 ,宋云涛 2 ,赵韩 1 ,杨庆喜 2
(1. 合肥工业大学机械与汽车学院 , 合肥 230009; 2. 中国科学院等离子体物理研究所 , 合肥 230031)
关键词 :结构设计 ;传热分析 ;真空多层绝热 ;低温杜瓦 ;液氦损耗量
Structure design and hea t tran sfer ana lysis for the cryosta t of superconducting magnet
W ang Kaisong1 , Song Yuntao2 , Zhao Han1 , Yang Q ingxi2 (1. Institute of M achine and Automobile, Hefei University of Technology, Hefei 230009, China;
式中 :εso —为端盖与液氦面之间的综合发射率 ,
ε so
=εsε0
= 0.
08
×0.
9
= 0.
072。εs 为
300K时的不锈
钢端盖的发射率 ,ε0 为液氦面的发射率 。
σ—斯蒂芬 - 玻尔兹曼常数 ,σ = 56. 7 ×10 - 9 W ·
m - 2 ·K- 4 ;
A —内杜瓦颈管的流通面积 , A =πd0 2 /4 = 37. 4 ×
图 1 杜瓦装置结构图 Fig. 1 Structure of the cryostat
收稿日期 : 2006 - 09 - 21 作者简介 :王开松 (1969 - ) ,男 ,硕士 ,副教授 ,合肥工业大学博士研究生 ,研究方向为机械设计和低温传热 。
第 1期 低温技术 Cryogenics
在温差 ,沿着管壁向液氦面的固体传导热为 : Q2 =ψλA ( Ts - T0 ) /L = 0. 08 ×15. 1 ×0. 00011 ×
(300 - 4. 2) ÷0. 5 = 0. 0786W = 0. 284kJ / h 式中 :ψ—是考虑受到漏热影响后 ,蒸发的液氦气
·29·
辐射传热与两物体温度的四次方的差值成比例 , 因而减少辐射传热的最有效方法就是降低较高物体的 温度 。在低温技术中 ,常用铜等热导性好的材料做成 固定在某个低的温度下的辐射屏 ,用来吸收来自外界 温度较高物体的辐射热量 ,从而可以大大减少向内部 温度较低物体的辐射传热 。所以该装置在内 、外杜瓦 3、1之间设置一层防辐射铜冷屏 2。
同时 ,在铜屏外壁按照蛇形缠绕方式焊接了排气 冷却管 8,不仅充分地利用蒸发氦气的冷量来维持铜 冷屏的低温环境 ,而且可以使液氦的损耗得到有效的 降低 。 2. 2 装置的技术参数和性能指标
装置总高度 : 1790mm; 总宽度 : 228mm; 杜瓦颈管 高度 : 1000mm; 颈 管 直 径 : Φ148mm; 外 杜 瓦 外 径 : Φ790mm;内杜瓦内径 :Φ718mm; 环境温度 : 300K; 绝 热层真空度 : 1 ×10 - 3 Pa;液氦蒸发量 : ≤0. 9L / h;超导 磁体工作温度 : 4. 2K。 2. 3 采取的绝热技术措施
摘要 :介绍了低温超导磁体杜瓦装置的结构设计和传热分析 。为了获得有效的超导磁体运行的低温环境 ,研制了一套采 用真空多层绝热 、铜辐射冷屏 、蛇形排气管结构形式的绝热系统 ,省去了传统的在内杜瓦外面添加液氮屏的结构 ,简化了工艺 结构 ,操作方便 ,绝热效果良好 。通过传热理论计算表明 ,液氦的损耗量小于技术要求的 0. 9 L / h指标 ,能够保证超导磁体系 统能够在一定的低温环境下长时间的运行 。
2. Institute of Plasma Physics, Chinese Academy of Sciences, Hefei 230031, China) Abstract: Structure design and heat transfer analysis for the cryostat of superconducting magnet is mainly discussed in the paper. An adiabatic system is designed to obtain the cooled circulating condition for the superconducting magnet. The system is comp rised of vacuum adiabatic multilayer, copper thermal shield, snake vent - p ipe and so on, which elided the comp licated frame of liquid nitrogen thermal shield outside of the inner - cryostat, simp lified technical structures, and achieved favorable adiabatic effect. By calculation of heat thansfer theory, the target of less than 0. 9L / h of the liquid nitrogen wastage of the system is obtained, and long - time running under the cooled condition for superconducting magnet has been actualized. Keywords: Structure design, Heat transfer analysis, Vacuum adiabatic multilayer, Cooled cryostat, L iquid nitrogen wastage
液氦杜瓦瓶真空夹层的处理 :真空夹层一般只需 要用机械泵抽真空即可 。但是在向杜瓦瓶内灌注液氦 后 ,原来瓶内的其它剩余气体除氦气外会被全部冻结 ,这样就会使夹层内的真空度提高 。能否达到所设计 的真空度 ,关键在于夹层中的氦气含量的多少 。经验 的做法是 :通过夹层真空抽气管对夹层反复抽空并放
入空气 5 - 10 次 ,用空气来“冲洗 ”夹层空间 ,然后再 抽真空后封住抽气管 。
从传热机理可知 ,当杜瓦装置的真空夹层被抽成 高真空后 ,辐射传热将成为漏热的主要来源 。为了提 高装置的绝热性能 ,就必须减少辐射漏热 。在真空夹 层内增加防辐射屏和设置多层绝热 ,是有效地降低夹 层内冷热壁之间辐射漏热的方式之一 。辐射屏由紫铜 材料做成的 ,多层绝热材料由铝箔和纤维织网组成 。 以纯度为 99. 5%以上的 、厚度为 0. 006mm 的铝箔作 反射屏 。
降低物体表面的发射率 ,是减少辐射传热的另一 种有效的方法 。辐射传热近似地与发射率 ε的降低成 比例地减少 。一般采取高电导率的纯金属 ,同时对物 体表面进行抛光 、清洁和去除应力等措施 。为此 ,在装 置制造过程中 ,铜牌采用紫铜材料 ,内 、外杜瓦采用的 材料是 304不锈钢 ,并且确保各表面进行清洁和抛光 处理 。
( 4 )杜瓦真空夹层的抽真空工艺必须严格按照标 准进行 。由于绝热材料的放气以及绝热层的巨大抽气 阻力 ,抽气过程比较缓慢 ,采用边加热边抽真空方法 , 使得夹层的动态真空达到 1 ×10 - 3 Pa。
为了在输液阶段能够充分利用氦气的汽化显热 , 该装置将输液管末端设计插入到装置的最低端 ,使蒸 发的冷氦气能充分地与装置进行热交换 。否则在注液 开始就会由于液氦的猛烈蒸发而产生的高速氦气把液 氦冲上来 ,导致液氦消耗量的大大增加 。同时为了能 够再充分利用这部分氦气的冷量 ,在端盖顶端安设回 气管 ,将它们引入到下级杜瓦装置中进行热交换 。
2. 4 工艺特点 ( 1 )该装置采用真空多层绝热加上铜辐射冷屏的
超级绝热结构 ,并且在铜冷屏的外壁布置回流蒸发氦 气的排气管 ,充分利用了氦气蒸发的高 )汽化潜热 ,冷 却效率大大增加 。
(2)装置的内 、外杜瓦 ,上下端盖法兰均采用不锈 钢材料 ,焊缝均采用氩弧焊 。总体装置焊接以后必须 进行真空调试 ,确保总漏率不大于 1 ×10 - 8 Pa·m3 / s。
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低温技术 Cryogenics 第 1期
3. 1 杜瓦瓶口不锈钢端盖法兰向液氦面的辐射传热 Q1
Q1 =εsoσA ( T4s - T40 ) = 0. 072 ×56. 7 ×10 - 9 ×
0. 00374 ×(3004 - 4. 24 ) = 0. 124W = 0. 45kJ / h
1 引言
低温技术作为现代科学技术的一个重要分支 ,随 着国民经济的发展 ,在能源 、化工 、机械 、动力 、航天以 及生物医疗等部门和领域得到越来越广泛应用 ,如火 箭技术 、空间低温技术 、超导磁共振成像 (MR I)技术 、 超导磁体和超导电缆的冷却等 。在低温技术的各个应 用场合中 ,首先要求能够获得有效的低温环境 ,并同时 要求设计出能够长时间的保持这样低温环境的绝热系 统 。近期我们研制了一套异型杜瓦装置 ,能够获得超 导磁体运行所需要的低温环境 ,并且设计出了能够长 时间维持该低温环境的绝热系统 。本文主要介绍了该 装置的结构设计和绝热系统的设计 ,并对该装置的绝 热系统进行了传热分析 。
外杜瓦壁和铜冷屏之间的真空夹层 ,采用的是多 层多屏的绝热系统 。传统上为了降低铜冷屏的温度使 其温度固定在 77K,常常采用液氮池保护屏的冷却方 式 。采用液氮屏虽然冷却效率高 ,但是会使系统结构 复杂 、制造困难 、操作复杂 、影响安全以及受空间制约 。 本装置在真空夹层采用的是由铝箔和纤维织网组成的 多层绝热辐射屏 4。该屏的层密度小 ,每层辐射屏与 内杜瓦 3的颈管进行热连接 ,不仅可以有效地遏制热 壁的室温辐射 ,而且可以借助辐射屏层间的平行方向 的导热 ,将屏中的热流导向颈管 ,能够被颈管中蒸发的 冷氦蒸气带走 。这种绝热系统制作容易 、重量轻 、预冷 快 、绝热性能良好 。
2 结构及特点
2. 1 结构介绍
超导磁体低温杜瓦装置的具体结构如图 1 所示 。 该装置采用的是双层杜瓦 、防辐射铜冷屏 、多层绝热辐 射屏方式的绝热系统 。
1. 外杜瓦 ; 2. 铜冷却屏 ; 3. 内杜瓦 ; 4. 真空夹层多层绝热辐射屏 ; 5. 可拔式输液 He管 ; 6. 可拔式电流引线 ; 7. 法兰端盖 ; 8. 蛇形排气冷却 管 ; 9. 内杜瓦支撑杆 ; 10. 定位构件 ; 11. 超导磁体 ; 12. 室温孔
3 传热分析
杜瓦装置由外到内的热量传递非常复杂 ,其中最 有影响的漏热有 :
( 1 )从处在室温的杜瓦瓶口金属端盖向下的热辐 射 Q1 ;
(2)沿着内杜瓦壁颈管向下的固体传导热 Q2 ; (3)铜屏向内杜瓦壁的热辐射 Q3 ; (4) 支撑构件的传导热 Q4 ; (5)超导电流引线和输液管的传导热 ,以及通过剩 余气体的传热 。则容器由外而内传入的全部热量为 : ∑Q = Q1 + Q2 + Q3 + Q4
10 - 4 m2 ;
φ 10
- 辐射角系数 ,取值
0.
7[ 1 ] 。
3. 2 颈管管壁对液氦的固体传导热 Q2
内杜瓦部分的不锈钢颈管直径
Φ
69mm
,壁厚
δ 1
=
0.
8mm
和壁厚Leabharlann δ 2= 4mm ,液氦面上对应的高度
L1
=
300mm 和 L2 = 200mm。颈管上端处于室温 300K的环
境内 ,下端处于液氦面 4. 2K的环境中 。由于两端存
低温与超导 第 35卷 第 1期
低温技术 C ryogenics
Cryo. & Supercond. Vol. 35 No. 1
低温超导磁体杜瓦装置的结构设计与传热分析
王开松 1 ,宋云涛 2 ,赵韩 1 ,杨庆喜 2
(1. 合肥工业大学机械与汽车学院 , 合肥 230009; 2. 中国科学院等离子体物理研究所 , 合肥 230031)
关键词 :结构设计 ;传热分析 ;真空多层绝热 ;低温杜瓦 ;液氦损耗量
Structure design and hea t tran sfer ana lysis for the cryosta t of superconducting magnet
W ang Kaisong1 , Song Yuntao2 , Zhao Han1 , Yang Q ingxi2 (1. Institute of M achine and Automobile, Hefei University of Technology, Hefei 230009, China;
式中 :εso —为端盖与液氦面之间的综合发射率 ,
ε so
=εsε0
= 0.
08
×0.
9
= 0.
072。εs 为
300K时的不锈
钢端盖的发射率 ,ε0 为液氦面的发射率 。
σ—斯蒂芬 - 玻尔兹曼常数 ,σ = 56. 7 ×10 - 9 W ·
m - 2 ·K- 4 ;
A —内杜瓦颈管的流通面积 , A =πd0 2 /4 = 37. 4 ×
图 1 杜瓦装置结构图 Fig. 1 Structure of the cryostat
收稿日期 : 2006 - 09 - 21 作者简介 :王开松 (1969 - ) ,男 ,硕士 ,副教授 ,合肥工业大学博士研究生 ,研究方向为机械设计和低温传热 。
第 1期 低温技术 Cryogenics
在温差 ,沿着管壁向液氦面的固体传导热为 : Q2 =ψλA ( Ts - T0 ) /L = 0. 08 ×15. 1 ×0. 00011 ×
(300 - 4. 2) ÷0. 5 = 0. 0786W = 0. 284kJ / h 式中 :ψ—是考虑受到漏热影响后 ,蒸发的液氦气
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辐射传热与两物体温度的四次方的差值成比例 , 因而减少辐射传热的最有效方法就是降低较高物体的 温度 。在低温技术中 ,常用铜等热导性好的材料做成 固定在某个低的温度下的辐射屏 ,用来吸收来自外界 温度较高物体的辐射热量 ,从而可以大大减少向内部 温度较低物体的辐射传热 。所以该装置在内 、外杜瓦 3、1之间设置一层防辐射铜冷屏 2。
同时 ,在铜屏外壁按照蛇形缠绕方式焊接了排气 冷却管 8,不仅充分地利用蒸发氦气的冷量来维持铜 冷屏的低温环境 ,而且可以使液氦的损耗得到有效的 降低 。 2. 2 装置的技术参数和性能指标
装置总高度 : 1790mm; 总宽度 : 228mm; 杜瓦颈管 高度 : 1000mm; 颈 管 直 径 : Φ148mm; 外 杜 瓦 外 径 : Φ790mm;内杜瓦内径 :Φ718mm; 环境温度 : 300K; 绝 热层真空度 : 1 ×10 - 3 Pa;液氦蒸发量 : ≤0. 9L / h;超导 磁体工作温度 : 4. 2K。 2. 3 采取的绝热技术措施
摘要 :介绍了低温超导磁体杜瓦装置的结构设计和传热分析 。为了获得有效的超导磁体运行的低温环境 ,研制了一套采 用真空多层绝热 、铜辐射冷屏 、蛇形排气管结构形式的绝热系统 ,省去了传统的在内杜瓦外面添加液氮屏的结构 ,简化了工艺 结构 ,操作方便 ,绝热效果良好 。通过传热理论计算表明 ,液氦的损耗量小于技术要求的 0. 9 L / h指标 ,能够保证超导磁体系 统能够在一定的低温环境下长时间的运行 。
2. Institute of Plasma Physics, Chinese Academy of Sciences, Hefei 230031, China) Abstract: Structure design and heat transfer analysis for the cryostat of superconducting magnet is mainly discussed in the paper. An adiabatic system is designed to obtain the cooled circulating condition for the superconducting magnet. The system is comp rised of vacuum adiabatic multilayer, copper thermal shield, snake vent - p ipe and so on, which elided the comp licated frame of liquid nitrogen thermal shield outside of the inner - cryostat, simp lified technical structures, and achieved favorable adiabatic effect. By calculation of heat thansfer theory, the target of less than 0. 9L / h of the liquid nitrogen wastage of the system is obtained, and long - time running under the cooled condition for superconducting magnet has been actualized. Keywords: Structure design, Heat transfer analysis, Vacuum adiabatic multilayer, Cooled cryostat, L iquid nitrogen wastage
液氦杜瓦瓶真空夹层的处理 :真空夹层一般只需 要用机械泵抽真空即可 。但是在向杜瓦瓶内灌注液氦 后 ,原来瓶内的其它剩余气体除氦气外会被全部冻结 ,这样就会使夹层内的真空度提高 。能否达到所设计 的真空度 ,关键在于夹层中的氦气含量的多少 。经验 的做法是 :通过夹层真空抽气管对夹层反复抽空并放
入空气 5 - 10 次 ,用空气来“冲洗 ”夹层空间 ,然后再 抽真空后封住抽气管 。
从传热机理可知 ,当杜瓦装置的真空夹层被抽成 高真空后 ,辐射传热将成为漏热的主要来源 。为了提 高装置的绝热性能 ,就必须减少辐射漏热 。在真空夹 层内增加防辐射屏和设置多层绝热 ,是有效地降低夹 层内冷热壁之间辐射漏热的方式之一 。辐射屏由紫铜 材料做成的 ,多层绝热材料由铝箔和纤维织网组成 。 以纯度为 99. 5%以上的 、厚度为 0. 006mm 的铝箔作 反射屏 。
降低物体表面的发射率 ,是减少辐射传热的另一 种有效的方法 。辐射传热近似地与发射率 ε的降低成 比例地减少 。一般采取高电导率的纯金属 ,同时对物 体表面进行抛光 、清洁和去除应力等措施 。为此 ,在装 置制造过程中 ,铜牌采用紫铜材料 ,内 、外杜瓦采用的 材料是 304不锈钢 ,并且确保各表面进行清洁和抛光 处理 。