用于CEPC探測器超導(dǎo)磁體的小型氦虹吸回路實驗研究

1、用于cepc探測器超導(dǎo)磁體的小型氨虹 吸回路實驗研究張寶堂王美芬王恒朱自安李文雙劉旭洋牟智 慧研究所中國科學(xué)院大學(xué)摘要：在環(huán)形正負電子對撞機(cepc)大型探測器超導(dǎo)磁體擬采用低溫虹吸冷卻系統(tǒng) 的預(yù)研背景下，搭建了氨低溫虹吸冷卻回路實驗平臺，進行了氣-液兩相自然循 環(huán)傳熱傳質(zhì)特性實驗研究。實驗測量了不同充裝量下，壓力、溫度隨熱流量的變 化規(guī)律，計算了實驗段的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)。研究表明，充裝率對熱虹吸冷卻循環(huán)具 有重要影響，在40%55%合適的充裝率下能夠保證該系統(tǒng)的正常運行；另外實驗 段不同位置的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)不同，燒干先在上端發(fā)生，然后逐漸向下端發(fā)展。關(guān)鍵詞：超導(dǎo)磁體;熱虹吸管;兩相氨流;傳熱系數(shù)

2、;作者簡介：張寶堂(1992-),男，碩士生，研究方向為超導(dǎo)磁體冷卻系統(tǒng)。收稿日期:2017-08-21基金：中國科學(xué)院高能物理研究所創(chuàng)新基金(2016yfb0601101)資助experimental study of a small-sized he i thermosyphon for the detector superconducting magnet of the cepczhang baot ang wang mei fen wang heng zhu zian liwenshuang liu xuyang mu zhihuischool of energy and enviro

3、nmen t, uni vers i ty ofscience and technology beijing; institute ofhigh energy physics, chinese academy of science;abstract：in the background of the cryogenic thermosyphon cooling system design of a circular electron positron col 1ider (cepc) large detectorsupcrco nduc ting magn ct under con cep tu

4、eil phase at iiiep - ch ina, building a two-phase he i natural circulation loop, helium was used as the working fluid, to investigate the heat and mass transfer characteristics experimentally.the pressure and temperature as a function of heat flux were measured and the heat transfer coefficient were

5、 calculated at the working position. it turns out that falling ratio has a significeint effeet on thermosyphon cooling circulation, under a suitable filling ratio of 4055%, the system would work normally. otherwise heat transfer coefficient varies at different position of tube, boiling crisis origin

6、ates in the upper firstly, then develop to the entranee.keyword：superconducting magnet; thermosyphon; two-phase helium; heat transfer coefficient;received： 2017-08-211引言低溫超導(dǎo)材料廣泛應(yīng)用在高磁場線圈結(jié)構(gòu)中，磁體線圈一般冷卻到液氨溫度才 能實現(xiàn)超導(dǎo)。對于冷卻方式，主要有三種:浸泡冷卻；兩相迫流冷卻；兩相自然對 流冷卻山。目前，熱虹吸管的兩相自然對流冷卻方式因小溫差、無需外加驅(qū)動 力等優(yōu)點，越來越多的研究機構(gòu)青睞這一方式冷卻大型

7、的超導(dǎo)磁體線圈。國內(nèi)外 大型探測器超導(dǎo)磁體，如cms、mice、atlas等均采用虹吸冷卻的方式宜。中國 未來建造的環(huán)形正負電子對撞機(cepc)大型探測器，其內(nèi)部需要能夠產(chǎn)生磁 場強度為3.5t的均勻軸向磁場。探測器磁體的冷質(zhì)量約為165噸，杜瓦的室溫 孔徑為6. 8m,軸向長度為8. 05m,也擬采用虹吸間接冷卻方式將系統(tǒng)冷卻到液 氨溫度3。已有研究者針對低溫虹吸冷卻循環(huán)回路的傳熱傳質(zhì)特性進行了一些研究比z1， 包括充注率的大小、工作流體、沸騰的變化規(guī)律(單相對流和兩相沸騰)、單管 路、平行多管路等。傳熱特性是設(shè)計和計算虹吸冷卻循環(huán)系統(tǒng)的關(guān)鍵部分，和比 于單相傳熱，相變沸騰傳熱更加復(fù)雜，包

8、括對流換熱和沸騰換熱兩部分。基于流 動沸騰的兩種換熱機理，rohsenow w m和clark b b8提出了強迫對流和池沸 騰共同作用的流動沸騰壁面熱流量計算公式。shah m回和kandlika s10通過 在單相對流換熱系數(shù)hi上增加修正系數(shù)，來考慮沸騰的影響。chen jll提出 了對流和池沸騰相互疊加的計算關(guān)聯(lián)式。此外，被大多數(shù)學(xué)者接受、認同的兩相 流動沸騰關(guān)聯(lián)式，如kutateladz s12提出的對流效應(yīng)和池沸騰效應(yīng)相互耦合 的指數(shù)形式。掌握氨的兩相流動沸騰傳熱特點，對于大型超導(dǎo)磁體冷卻系統(tǒng)的設(shè)計至關(guān)重要。 本課題旨在建立小型低溫虹吸冷卻冋路系統(tǒng)，重點研究充注率對虹吸冷卻循環(huán) 的

9、影響，測量不同加熱功率條件下溫度、回路壓力、質(zhì)量流率的變化規(guī)律，計算 實驗段不同位置的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)。因系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和制冷機冷量的限制，氨包含了正 常態(tài)和超臨界態(tài)兩種狀態(tài)。 ni實驗系統(tǒng)由兩部分組成:虹吸回路部分(包括u型管、相分離器、真空杜瓦)和 數(shù)據(jù)采集部分。冷凝器頂端與g-m制冷機二級冷頭相連接，制冷能力為1. 0w4. 2k,實驗過程中蒸發(fā)汽化的氨氣經(jīng)冷凝器冷凝回流到蒸發(fā)段重復(fù)循環(huán)， 無需補充氨氣，整個實驗系統(tǒng)放置于真空杜瓦內(nèi)，如圖1 (a)所示。實驗過程維持在10pa真空環(huán)境下，輻射漏熱和傳導(dǎo)漏熱為主要漏熱來源。為了 減少輻射漏熱，増設(shè)了兩個冷屏。一級冷屏連接在制冷機一級冷頭上，冷屏上端

10、溫度40k左右，下端50k左右。二級冷屏與二級冷頭相連，材料為紫銅。因為氨 的標準沸點很低(4. 2k),定壓比熱容和氣化潛熱很小，極易汽化，所以相比 較于常溫虹吸回路，系統(tǒng)很難啟動，所以控制外界最少的漏熱，在木實驗中顯 得尤為重要。通過輸氣管路的導(dǎo)熱是系統(tǒng)傳導(dǎo)漏熱的主要形式，因此輸氣管路材料的選取和 布置方式非常重要。如圖1 (b)所示，采用三段盤繞布置結(jié)構(gòu):一級汽缸上盤繞 外徑6imn的不銹鋼管;一級冷頭上盤繞相同外徑的紫銅管。其優(yōu)點是在氨氣充入 液化的過程中，紫銅盤管能充分利用冷頭上的冷量，實現(xiàn)預(yù)冷，縮短液化時間； 而在實驗過程屮，不銹鋼盤管能夠降低回路從低溫至室溫沿程的傳導(dǎo)漏熱。圖 1

11、 實驗系統(tǒng)局部裝置示意圖 fig. ischematic diagrams of local device of experimental system下載原圖圖2實驗回路數(shù)據(jù)測量分布圖fig. 2 schematic of the experimental measurement on circu-lation loop下載原圖 圖2為實驗回路數(shù)據(jù)測量分布圖。溫度傳感器選用硅二極管傳感器，在2. 025k 溫度范圍內(nèi)精度為土0. 1k, 一臺恒流源對虹吸管蒸發(fā)側(cè)的加熱絲供電，加熱段 長& 5cm,利用labvicw采集系統(tǒng)進行溫度采集。3實驗結(jié)果3. 1充裝率充裝率對虹吸冷卻循環(huán)傳熱

12、特性有重要影響。當(dāng)氨氣充入壓力分別為0. 4mpa.0. 8mpa> 1. 3mpa,對應(yīng)的體積百分比為26%、52%、87%時，進行虹吸循環(huán)實驗研 究。圖3為熱流密度137w/m (0. 365w)時，溫度t：,對應(yīng)的飽和壓力隨時間的變 化曲線。充裝率26%時，溫度a從3.24k升高到4. 97k后，逐漸下降至4. 25k,而 后周期振蕩循環(huán)。充裝率在52%、87%時，對應(yīng)的溫度h維持相對恒定，但87% 對應(yīng)的溫度略高，溫差約0. 160. 24ko實驗結(jié)果表明：充注量過多或過少對虹吸自然循環(huán)都是不利的，液氨量為0.21l 時，工作過程中壓力、溫度有波動，熱負荷越大，波動越劇烈，這是因

13、為循環(huán)液 氨較少，不能滿足蒸發(fā)段的吸熱汽化量，導(dǎo)致管路壓力波動，傳熱效果差。液氨 量為0. 69l時，隨著熱流量增加，回路內(nèi)壓力、溫度升高較快，傳熱效率隨熱流 量的增加而變差，這主要是因為充入的液氨過多，冷凝換熱面積減少，未冷凝 的氨氣逐漸增多，管內(nèi)壓力增大。而液氨量為0. 43l時，實驗回路工作穩(wěn)定，溫 度、壓力無明顯波動，總溫差小，傳熱效率高。下面以氨的充裝率52%為實驗基礎(chǔ)，測量了回路璧溫、回路壓力隨熱流密度的變 化規(guī)律，利用牛頓冷卻公式，計算得到了不同位置的傳熱系數(shù)隨熱流密度的變 化規(guī)律，并借助數(shù)值計算軟件計算了不同熱流密度下對應(yīng)的總質(zhì)量流率。圖3熱流密度137w/m (0. 365w

14、)不同充裝率下飽和壓力隨時間的變化fig. 3 the saturation pressure change of different falling ratios with time in 137w/mheat flux 下載原圖3. 2溫度和壓力在封閉的虹吸回路中氨量一定，向蒸發(fā)段施加熱流，氨流不斷升溫，達到飽和 溫度后汽化，回路壓力隨熱流密度增加緩慢升高，相應(yīng)的氨流溫度也緩慢增加， 下面為冷凝器上的溫度計h和真空壓力表測量的壓力隨熱流密度的變化規(guī)律， 如圖4、5所示。由圖可見，當(dāng)熱流密度從0增加到270w/m (對應(yīng)的熱負荷00. 72w) 的過程屮，實驗回路壓力從3.25x10pa增加

15、到2. 73x10pa,溫度從3.21k上升 到5. 42ko隨著熱流密度的增加，實驗溫度線略微高于飽和溫度線，熱流密度越 大差別越明顯。這是由于制冷機液化效率的限制，隨氣泡量不斷增多，氨氣無法 充分冷凝，在某一熱流量下氣液兩相會達到新的動態(tài)平衡。當(dāng)熱流密度超過 247w/01 (對應(yīng)的熱負荷0. 66w)時，溫度超過5. 2k,壓力超過0. 23mpa,氨從正 常態(tài)進入超臨界態(tài)。圖4回路壓力隨熱流密度的變化曲線fig. 4 pressure change with heat flux in circulation loop下載原圖圖 5 實驗溫度變化曲線 fig. 5 the curve o

16、f temperature in experiment 下 載原圖3. 3質(zhì)量流率實驗虹吸回路的總質(zhì)量流率反應(yīng)了工質(zhì)的運動狀態(tài)?？紤]到實際的管路結(jié)構(gòu)、安 裝難易、漏熱控制，本實驗利用數(shù)值模擬計算了不同熱流密度下的質(zhì)量流率，結(jié) 果見圖6。隨熱流密度的施加，流體溫度升高，氣泡不斷產(chǎn)牛，循環(huán)壓差增加，氣泡越多 壓差越大，質(zhì)量流率也越大，c點之前，重力驅(qū)動壓差起主導(dǎo)作用。超過c點 q=210w/m后，氣膜摩擦阻力起主導(dǎo)作用，氣泡開始相互結(jié)合體積變大，流動摩 擦阻力增大，導(dǎo)致質(zhì)量流率不再隨熱流的增加而增加，反而逐漸降低。3.4傳熱系數(shù)根據(jù)實驗段壁面上溫度傳感器的測量值可知，實驗管段的不同位置傳熱能力不

17、同。由牛頓冷卻公式，可計算出各位置的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)。t”表示壁面溫度，t表示流體溫度，單位k;h表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，單位w/ (m - k)。忽略壓力和動能相，氨流溫度還可由能量守恒方程計算得到1：其中：z訕為過冷區(qū)高度，取0. 065m, t加為氨飽和溫度，當(dāng)當(dāng)z>zsub, tf=tsat,其中z為計算高度(m) , q為熱流密度(w/m) , d為管壁直 徑(m) , g為質(zhì)量流率(kg/s) , g為氨比熱。本實驗屮壁面溫度1；由溫度傳 感器1、l、a測得，冷凝器上的溫度傳感器幾近似作為液氨的飽和溫度 titsalt4o圖6總質(zhì)量流率隨熱流密度變化曲線fig. 6 the total m

18、ass f 1 ow rate change with the heat flux下載原圖圖7不同位置傳熱系數(shù)隨熱流密度的變化曲線fig. 7 the heat transfer cocff ici ent cha ngeswith the heat flux in differ ent positions 下載 原圖圖7為實驗段不同位置傳熱系數(shù)隨熱流密度的變化關(guān)系。在b點之前，表面?zhèn)鳠?系數(shù)h和熱流密度q幾乎呈線性關(guān)系，此時z二15cm處的傳熱系數(shù)值略微高于z二24cm處的h值，但總體差別不大;超過b點后，z=15cm> 24cm位置的傳熱系數(shù) 隨熱流密度增加而快速增加，當(dāng)q>2

19、12w/m, z=24cm處的傳熱系數(shù)突然下降，當(dāng) q>220w/m, z=15cm處傳熱系數(shù)也開始下降。由圖可知，表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)h隨熱流 密度q的增加而增加，z值越大表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)h增加越快，chf值(最大傳熱系 數(shù)對應(yīng)的熱流密度)越靠前，實驗上端最先進入膜態(tài)沸騰出現(xiàn)燒干，隨著熱流 量增加，燒干逐漸向入口段發(fā)展。4結(jié)論本實驗以氨為工作介質(zhì)，兩級g-m制冷機為冷源，研究了閉式低溫?zé)岷缥軆?nèi) 氣-液兩相自然循環(huán)傳熱特性，得到了以下結(jié)論：(1) 充注率對于虹吸冷卻循環(huán)有重要影響。充裝量過多或過少對整個循環(huán)都是不 利的，甚至無法工作，對于本實驗回路，合適的充注率在40%55%之間。(2) 總質(zhì)量流

20、率隨熱負荷的增加，先上升后降低。這是由于在低熱流區(qū)，重力驅(qū) 動壓差起到主導(dǎo)作用，氣泡越多作用越強;在高熱流密度區(qū)，氣膜產(chǎn)生，摩擦阻 力占據(jù)主導(dǎo)作用。(3) 實驗段不同位置臨界熱流密度(chf)不同。上端chf最小，最先進入膜態(tài) 沸騰出現(xiàn)燒干，隨高度降低chf逐漸增大，燒干由上端逐漸向下端發(fā)展。(4) 實驗段不同位置的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)h不同。在單相對流階段，傳熱系數(shù)與熱流 密度近似為呈線性關(guān)系，此時位置高度無明顯影響;在核態(tài)沸騰階段，上端h最 大，底部最小，隨著高度的降低h逐漸減小。參考文獻ljbenkheira l, baudouy b, souha m. heat transfer charac

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