用于低溫永磁波蕩器的過冷液氮冷卻循環(huán)系統(tǒng)

張俊峰，滕 健 ，丁懷況章學(xué)華，王 莉 ，王淑華，李 明

（1.安徽萬瑞冷電科技有限公司，合肥 230088；2.低溫技術(shù)安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，合肥 230088；3.上海應(yīng)用物理研究所，上海 201204）

0 引言

波蕩器是光源裝置中用于產(chǎn)生同步輻射光的磁鐵設(shè)備，低溫永磁波蕩器（CPMU）利用永磁材料低溫下磁性能的提高，與相同參數(shù)下的真空內(nèi)波蕩器相比，在低溫環(huán)境下波蕩器磁場峰值可提高約30%～50%，矯頑力增加50%以上[1]，從而可以獲得更高亮度的X射線同步輻射光。CPMU磁源為永磁材料，是工作在低溫下的真空內(nèi)波蕩器，最早由日本的spring-8同步輻射實(shí)驗(yàn)室研究人員提出[2]，是新型波蕩器的主要發(fā)展方向之一，是國際同步輻射光源研究以及應(yīng)用的熱點(diǎn)。

1 過冷液氮循環(huán)系統(tǒng)（SLNCS）設(shè)計(jì)要求

SLNCS為CPMU提供所需的低溫冷量。CPMU對SLNCS的指標(biāo)要求包括：（1）過冷液氮出口的工作溫度為78～80 K，控溫精度為±0.2 K；（2）過冷液氮的工作體積流量為9.7 L/min，流量調(diào)節(jié)范圍是2.0～19.4 L/min；（3）過冷液氮的工作壓力是0.3 MPa，壓力調(diào)節(jié)范圍0.15～0.5 MPa；過冷液氮工作壓力波動Δp≤±7.5 kPa；（4）過冷液氮的可供最大制冷量是1 300 W；（5）過冷液氮的進(jìn)出口溫差ΔT≤3 K。

2 總體設(shè)計(jì)思路

CPMU工作溫度為液氮溫區(qū)，約82 K，永磁塊的冷卻方式為管道內(nèi)的單相過冷液氮強(qiáng)迫對流冷卻，來自冷卻系統(tǒng)的過冷液氮進(jìn)入低溫永磁波蕩器帶走其熱量。

過冷液氮冷卻循環(huán)系統(tǒng)以常壓液氮（77.36 K）為冷源，高壓循環(huán)液氮在常壓液氮池中獲得冷量，保持單相的過冷態(tài)。過冷液氮冷卻系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)CPMU及其低溫冷卻系統(tǒng)的吹掃模式、降溫冷卻、正常運(yùn)行、復(fù)溫、故障等各種運(yùn)行模式。根據(jù)以上要求，設(shè)計(jì)了過冷液氮冷卻循環(huán)系統(tǒng)的流程如圖1所示。

圖1 過冷液氮冷卻循環(huán)系統(tǒng)流程設(shè)計(jì)圖Fig.1 Process design of subcooled liquid nitrogen cooling cycle system

過冷液氮冷卻循環(huán)系統(tǒng)主要由低溫冷箱、閥箱和真空絕熱管道組成。其中低溫冷箱為系統(tǒng)提供冷量和循環(huán)動力，為循環(huán)系統(tǒng)的核心組件；閥箱為循環(huán)系統(tǒng)提供備用液氮循環(huán)，同時可通過調(diào)節(jié)閥門控制循環(huán)流量。真空絕熱管道用來連接冷箱、閥箱和CPMU。

從CPMU（離線時用模擬負(fù)載代替）內(nèi)流出的回溫過冷液氮通過真空絕熱管道流入冷箱內(nèi)的液氮泵增壓，然后進(jìn)入過冷換熱器與常壓低溫液氮進(jìn)行熱量交換達(dá)到過冷后，進(jìn)入閥箱，之后流入CPMU帶走磁體熱量，再通過閥箱返回冷箱，循環(huán)液氮重新過冷、增壓開始新一輪循環(huán)。整個循環(huán)系統(tǒng)中，閥箱串行設(shè)計(jì)在冷箱與低溫永磁波蕩器之間，閥箱和冷箱均與備用液氮系統(tǒng)連接，一旦冷箱出現(xiàn)故障或需要檢修時，可切斷冷箱與閥箱管路，依靠備用液氮系統(tǒng)和閥箱為CPMU提供常壓液氮，暫時維持其運(yùn)行。

低溫系統(tǒng)從常溫的待機(jī)狀態(tài)到處于低溫下的正常運(yùn)行狀態(tài)，都需要經(jīng)過系統(tǒng)的壓力檢漏、吹掃、預(yù)冷、正常運(yùn)行、故障切換（如果有故障）及復(fù)溫等階段。

當(dāng)主系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，可轉(zhuǎn)入備用冷卻系統(tǒng)。備用冷卻系統(tǒng)用外接液氮源通過管道直接通入CPMU中，以保證CPMU的正常運(yùn)行。備用冷卻系統(tǒng)需要通過低溫永磁波蕩器的閥箱系統(tǒng)為波蕩器供液。當(dāng)整個循環(huán)系統(tǒng)運(yùn)行結(jié)束后，為了保證循環(huán)系統(tǒng)的安全，需對系統(tǒng)進(jìn)行復(fù)溫，使整個系統(tǒng)從低溫狀態(tài)慢慢恢復(fù)到室溫狀態(tài)，如圖2所示。整個系統(tǒng)三維設(shè)計(jì)如圖3所示。

圖2 過冷液氮冷卻循環(huán)系統(tǒng)運(yùn)行流程設(shè)計(jì)圖Fig.2 Operation flow chart of subcooled liquid nitrogen cooling cycle system

圖3 過冷液氮冷卻循環(huán)三維設(shè)計(jì)圖Fig.3 3D design drawing of subcooled liquid nitrogen cooling cycle

3 冷箱及閥箱設(shè)計(jì)

冷箱是液氮循環(huán)系統(tǒng)的核心，所有重要的部件均集成于冷箱中。閥箱的作用是分配冷箱提供的過冷液氮，通過閥箱中的各個低溫閥的開啟和關(guān)閉來調(diào)節(jié)供給CPMU的過冷液氮量處于一個合適的值；同時閥箱可在冷箱故障時，為CPMU提供常壓液氮和氣液相分離的作用，保證進(jìn)入循環(huán)的為單相流，供CPMU臨時低溫運(yùn)行工作。

冷箱由冷箱杜瓦和上蓋板組件組成。上蓋板組件由上蓋板、過冷換熱器、液氮泵、自動控壓裝置、控制閥門、壓力溫度測量傳感器及其它安全組件組成。閥箱主要由真空容器、低溫氣動閥、手動低溫閥、連接管道及其他安全測量組件組成。冷箱和閥箱三維設(shè)計(jì)如圖4所示。

3.1 冷箱杜瓦

冷箱杜瓦為真空絕熱廣口杜瓦結(jié)構(gòu)，杜瓦內(nèi)盛放一定量的常壓液氮，通過常壓液氮的蒸發(fā)為系統(tǒng)提供冷量。內(nèi)筒設(shè)計(jì)工作壓力為0.25 MPa，材料為SUS304，尺寸為φ850 mm，厚度為2 mm，底部為封頭結(jié)構(gòu)。夾層為真空，外筒承受0.1 MPa的外壓，材料為SUS304，經(jīng)過設(shè)計(jì)計(jì)算及ANSYS模擬，尺寸為φ950 mm，厚度為4 mm，底部為封頭結(jié)構(gòu)。

圖4 冷箱及閥箱三維設(shè)計(jì)圖Fig.4 3D design drawing of cold box and valve box

3.2 自動控壓裝置

自動控壓裝置為液氮循環(huán)系統(tǒng)的核心部件之一，整個循環(huán)系統(tǒng)的循環(huán)壓力在此產(chǎn)生和控制，使循環(huán)液氮處于單相流的過冷態(tài)。自動控壓裝置包括控壓容器、補(bǔ)液閥門及放氣閥門、加熱裝置、壓力測量及控制、引壓管道和安全組件。

自動控壓裝置中應(yīng)當(dāng)保持一定的壓力。該壓力須遠(yuǎn)高于回流液氮的飽和蒸氣壓，才能確保回流液氮過冷而無氣泡產(chǎn)生。自動控壓裝置中設(shè)有加熱器，通過加熱容器中的液氮使自動控壓裝置中保持較高的壓力，自動控壓裝置通過管道與循環(huán)系統(tǒng)相連，將壓力傳遞到循環(huán)系統(tǒng)，壓力為0.15～0.5 MPa（表壓），其對應(yīng)的飽和溫度為86～96 K。正常工作壓力為0.3 MPa（表壓）。

在循環(huán)過程中，由于一定的系統(tǒng)泄漏，循環(huán)系統(tǒng)中的液氮會慢慢減少。當(dāng)自動控壓裝置中液氮減少到設(shè)定值時（由液面計(jì)監(jiān)控），提示液氮儲槽向自動控壓裝置內(nèi)補(bǔ)充液氮。

控壓容器的設(shè)計(jì)工作壓力為0.15～0.5 MPa，常用工作壓力為0.3 MPa，設(shè)計(jì)耐壓為1.0 MPa。材料為SUS304，容量為18 L。

3.3 低溫液氮泵的選擇

整個循環(huán)系統(tǒng)由低溫液氮泵提供驅(qū)動力來保證制冷工質(zhì)的循環(huán)流動，液氮泵配備變頻器，通過調(diào)節(jié)頻率改變液氮泵轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)循環(huán)流量。液氮泵的選擇主要考慮兩個參數(shù)：流量和揚(yáng)程。

系統(tǒng)流量的選取以CPMU在1 300 W負(fù)載時所允許的溫升計(jì)算。

式中：qv為系統(tǒng)所需要的體積流量，L/min；ρ為液氮密度，kg/m3；Q為過冷液氮最大制冷量，W；Cp為液氮定壓比熱容，J/kg·K；ΔT為進(jìn)出CPMU的溫度差，K。代入?yún)?shù)值求得過冷液氮的體積流量為qv=15.7 L/min。

在制冷功率不變的情況下，為保證進(jìn)出口溫差不大于3 K的要求，循環(huán)液氮的流量最小為15.7 L/min。因此，液氮泵的選型中流量參數(shù)應(yīng)參考設(shè)計(jì)需求給出較大值（19.4 L/min）。選擇泵的揚(yáng)程以克服系統(tǒng)內(nèi)流動時所產(chǎn)生的阻力，系統(tǒng)阻力應(yīng)包括沿程阻力和局部阻力。沿程阻力和局部阻力計(jì)算公式[3]為：

式中：λ為沿程阻力系數(shù)，如表1所列；L為管長；ζ為局部阻力系數(shù)。沿程阻力及局部阻力如表2所列。按照8 L/min常用流量計(jì)算時，整個系統(tǒng)流動阻力約為ΔP=63 kPa。

根據(jù)前面設(shè)計(jì)要求可知，過冷液氮循環(huán)系統(tǒng)所需過冷液氮的體積流量qv最大為19.4 L/min，同時泵的流量大小應(yīng)能調(diào)節(jié)；系統(tǒng)所需揚(yáng)程應(yīng)以系統(tǒng)流動阻力為依據(jù)，根據(jù)計(jì)算系統(tǒng)總阻力約為63 kPa，折算成液氮柱高度約為8 m。所以在選擇低溫液體泵時，泵的揚(yáng)程應(yīng)不小于8 m液氮柱高度。

表1 沿程阻力系數(shù)Tab.1 Resistance coefficient along the way

表2 沿程阻力和局部阻力Tab.2 Resistance along the way

由以上液氮泵所需的最大流量和楊程計(jì)算，選美國Barber-Nichols Inc公司生產(chǎn)的BNCP-30G-000加長型液氮泵，如圖5所示，壓頭流量曲線如圖6所示。

圖5 BNCP-30G-000型液氮泵Fig.5 BNCP-30G-000 liquid nitrogen pump

圖6 BNCP-30G-000型液氮泵壓頭流量曲線Fig.6 Pressure head-flow curve of BNCP-30G-000 liquid nitrogen pump

這種液氮泵為離心泵，可以通過設(shè)定變頻器的頻率調(diào)節(jié)泵的轉(zhuǎn)速，從而調(diào)節(jié)泵的流量，由流量曲線可知，最大流量達(dá)到33 L/min，最大揚(yáng)程達(dá)到43 m液氮柱，滿足了液氮循環(huán)系統(tǒng)的流量及揚(yáng)程需求。

3.4 過冷換熱器

系統(tǒng)過冷由冷箱中的過冷換熱器來實(shí)現(xiàn)冷量的交換。過冷換熱器內(nèi)部為流動的高壓力過冷循環(huán)液氮，外部為飽和常壓液氮，管道內(nèi)外的液氮通過過冷換熱器交換冷量，因此過冷換熱器既要承受一定的壓力，又要有良好的換熱性能。在本系統(tǒng)中，過冷換熱器選用傳熱性能良好的紫銅管制作，其規(guī)格為φ25×2。當(dāng)壓力為0.3 MPa、平均溫度為80 K時，液氮的熱物性參數(shù)如表3所列[4]。技術(shù)要求中規(guī)定換熱器換熱溫差為3 K，出口溫度為78～80 K，此處計(jì)算選擇換熱器出口溫度為80 K。即換熱器出口80 K，進(jìn)口83 K，冷箱溫度77 K。

表3 液氮的熱物性參數(shù)Tab.3 Thermophysical parameters of liquid nitrogen

過冷換熱器所需的換熱面積及其他參數(shù)計(jì)算公式[5]如下：

式中：L為過冷換熱器所需銅管長度，m；F為過冷換熱器所需換熱面積，m2；Pr為普朗特?cái)?shù)，對于液氮，當(dāng)Pr≥0.7時，公式成立；Re為雷諾數(shù)；Q為CPMU冷卻系統(tǒng)熱負(fù)載，Q=1 300 W；K為過冷換熱器傳熱系數(shù)，W·（m2·k）-1；ΔT為換熱器對數(shù)平均溫差，K；Δt1為換熱器兩端較大溫差，K，Δt1=83-77=6 K；Δt2為換熱器兩端較小溫差，K，Δt2=80-77=3 K；d1、d2為換熱器管內(nèi)、外直徑，d1=0.021 m，d2=0.025 m；α1、α2分別為管內(nèi)、外流體換熱系數(shù)，α2=369.4 W·（m2·k）-1為自然對流；R為盤管曲率半徑，m，取R=0.4；ω1為盤管內(nèi)流速，m·s-1；qm為盤管內(nèi)質(zhì)量流速，kg·s-1。

由以上分析計(jì)算得：F=1.429 m2，L=18.2 m。管道長度考慮1.3的裕度，選擇為25 m。過冷換熱器為螺旋盤管，螺旋直徑為800 mm時，所需圈數(shù)為11圈，最終盤管長度27.6 m。

4 試驗(yàn)測試驗(yàn)證

過冷液氮系統(tǒng)（SLNCS）組裝完成后分別進(jìn)行了離線測試和在線測試。其中，離線測試時主要關(guān)注不同流量下的制冷功率、循環(huán)系統(tǒng)的壓力穩(wěn)定性等參數(shù)。在加載1 300 W負(fù)載，運(yùn)行表壓力為400 kPa，運(yùn)行流量10 L/min時的運(yùn)行曲線如圖7所示，壓力波動小于1.825 kPa。

圖7 離線測試壓力穩(wěn)定性數(shù)據(jù)曲線Fig.7 Off-line test pressure stability data curve

在線測試則對系統(tǒng)的進(jìn)出口溫度及其穩(wěn)定性、不同流量下的制冷功率、循環(huán)系統(tǒng)的壓力穩(wěn)定性等參數(shù)全部進(jìn)行了測試。

過冷液氮供液、回液溫度及流量隨時間變化如圖8所示。系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行過程中，過冷液氮進(jìn)出口溫度變化很?。ā?.2 K），CPMU運(yùn)行過程中磁體冷卻管道液氮進(jìn)出口溫差＜3 K，滿足設(shè)計(jì)要求。過冷液氮流量約為8.2 L/min，冷卻系統(tǒng)中過冷液氮的進(jìn)出口壓差約為67 kPa。

針對控壓容器的不同液位高度對循環(huán)壓力穩(wěn)定性的影響也做了測試，結(jié)果表明，控壓容器液位在30%～40%時循環(huán)壓力穩(wěn)定性最好，測試曲線如圖7所示，24 h壓力穩(wěn)定性小于2 kPa，如圖9所示。

圖8 過冷液氮供液、回液溫度及流量隨時間變化曲線Fig.8 T emperature and flow rate of subcooled liquid nitrogen with time

圖9 控壓容器液位占比33%時24 h壓力穩(wěn)定性曲線Fig.9 24 h pressure stability of pressure control vessel with 33%liquid level

5 結(jié)論

本文介紹了為CPMU提供過冷液氮循環(huán)的SLNCS系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案和設(shè)計(jì)流程；按照設(shè)計(jì)要求對液氮泵的選型進(jìn)行了計(jì)算和選擇；對過冷換熱器的規(guī)格和換熱面積進(jìn)行了計(jì)算和設(shè)計(jì)；對自動控壓裝置進(jìn)行了計(jì)算和設(shè)計(jì)；對冷箱杜瓦進(jìn)行了設(shè)計(jì)和模擬。系統(tǒng)裝配完畢后進(jìn)行了離線和在線的測試。測試結(jié)果表明，系統(tǒng)設(shè)計(jì)是合理的，各項(xiàng)性能滿足CPMU的運(yùn)行要求，甚至滿足了單色器的壓力穩(wěn)定性和溫度穩(wěn)定性的要求，為單色器的過冷液氮循環(huán)國產(chǎn)化奠定了基礎(chǔ)。