稳态混合磁体装置低温系统过冷槽的设计与优化

　　1 引 言

　　稳态强磁场实验装置是中国“十一五”国家大科学工程，由中国科学院合肥物质科学研究院和中国科学技术大学共同承建。其 40 T 稳态混合磁体由内水冷磁体和外超导磁体组成，其中外超导磁体为 11 T，用铌三锡 CICC 绕制而成，使用 4. 5 K 超临界氦迫流冷却。

　　为了使通往超导磁体的超临界氦达到温度和流量上的要求，需要在冷箱和超导磁体之间设计一个过冷槽，把从制冷机出来的氦气冷却到 4. 5 K 超临界状态。过冷槽在提供冷量冷却氦气的同时，还为 HTS电流引线低温段的冷却提供冷量。本文首先根据制冷机的状态确定了过冷槽进口处的氦气状态，按最大换热面积设计了盘管换热器的大小，并提出阶梯管径理论，根据工程要求对盘管换热器进行了优化，最终确定了过冷槽的大小以及制冷机的工作状态。在本文的设计中，外超导磁体系统的稳态热负荷 Q = 100W，通往磁体的超临界氦的质量流量为 MF3= 18 g / s，制冷机压缩机的最大质量流量为 40 g/s，制冷模式下的制冷量为 360 W/4. 5 K，液化模式下的液化率为110 L / h，当稳态热负荷为 100 W 时，制冷机工作在混合状态。

　　2 冷箱进口处氦气状态的确定

　　图 1 为氦制冷循环流程图，循环包括液氮冷却级，第一级膨胀冷却级，第二级膨胀冷却级和节流冷却级，两级膨胀机采用串联方式联接，可通过变频装置调节压缩机驱动电机的转速来调节压缩机质量流量。当压缩机以最大质量流量 MF1= 40 g / s 运行时，系统的液化率最大，从制冷机出来的氦气温度最低，所需换热器面积最小; 当制冷机的制冷量 Q =100 W，液化率 MFZ = 0 时，压缩机的流量为能维持磁体正常工作的最小流量，此时，从制冷机出来的氦气温度最高，所需换热器面积最大。

　　2. 1 压力的选择与确定

　　螺杆压缩机的排气压力 p10= 1. 3 × 105Pa，吸气压力略高于大气压，考虑到换热器低压侧的阻力损失，过冷槽的压力选为 1. 1 ×105Pa，对应的饱和温度为 4. 31 K。氮气的排放压力 p40也略高于大气压，透平膨胀机得排气压力可根据磁体冷却的压力需要及透平膨胀机的设计限制确定，这里选择 5. 5 ×105Pa。

　　2. 2 热平衡计算

　　对各级换热器进行热平衡分析[1]:

　　EX6 以下的节流冷却:

　　EX7 以下:

　　EX7:

　　EX3 + EX4 + EX5:

　　膨胀机等熵效率:

　　EX5:

　　EX3:

　　EX2:

　　EX1: