稳态强磁场实验装置低温系统360W/4.5K制冷循环热力学分析和优化计算

　　符号说明

　　T—温度，K;

　　p—压力，×105Pa;

　　h—焓值，kJ/kg;

　　q3—换热器漏热损失，W;

　　MF1—压缩机的氦流量，kg/s;

　　MF2—串联膨胀机的氦流量，kg/s;

　　MF3—节流路的氦流量，kg/s;

　　MF4—从主杜瓦返回低压回路的氦气流量，kg/s;

　　MF5—低压回路补气之前的氦气流量，kg/s;

　　MFZ—氦液化率，kg/s;

　　MFLN2—液氮的质量流量，kg/s;

　　Q—4.5K下的制冷量，W;

　　ηs1、ηs2—高低压透平膨胀机的等熵效率;

　　ηT—压缩机的等温效率。

　　1 引 言

　　稳态强磁场实验装置(steady high magnetic fieldfacility，SHMFF) 主要建设内容为一台40T的稳态混合磁体。该混合磁体由内水冷磁体和外超导磁体组成，其中外超导磁体采用Nb3Sn CICC( Cable in Con-duit Conductor)绕制而成，使用4.5K超临界氦迫流冷却，入口压力为5×10⁵Pa。混合磁体装置稳态运行时在4.5K温区的热负荷包括: 固体导热、80K冷屏对磁体的辐射热、冷屏与磁体间残余气体的对流换热、超导接头的焦耳热、电流引线超导段漏热等。根据计算，系统稳态热负荷为76W/4.5K，取安全系数1.5，最终采用120W的热负荷要求设计低温系统。此外，为满足其它浸泡式冷却磁体的液氦需求，要求制冷机有一定的液氦产量，液化模式下的液化率为110L/h，混合模式下制冷机的设计容量为30L/h+200W/4.5K，制冷模式下要求制冷量为360W/4.5K。

　　2 氦制冷循环流程

　　图1为氦制冷循环的流程图，循环包括4个冷却级: 液氮冷却级、第一膨胀冷却级、第二膨胀冷却级和节流冷却级。两级膨胀机采用串联方式联接，节流冷却级采用2个节流阀。该流程图可以对制冷模式、液化模式和混合模式进行模拟计算: 当MFZ=0时为制冷模式，当Q=0时为液化模式，二者都不为零时为混合模式。热力学分析适用于3种模式，优化计算在制冷模式下进行，同时忽略各换热器的漏热损失。

　　3 氦制冷循环的热力学分析

　　氦制冷循环热力学分析和优化计算的目的是，以满足制冷量要求为前提，合理设计氦制冷循环的热力学参数，包括压缩机的流量、膨胀机和换热器的参数以及液氮的消耗量等，使循环功最小，制冷系数最高。制冷系数COP是评价制冷循环经济性的重要指标，定义为:

　　式中: Q为制冷量，W; Wnet为循环功，W。

　　循环功为压缩机消耗的机械功与膨胀机对外做功量之差，由于后者很小，而且往往不被利用，所以将压缩机的耗功视为循环功。压缩机的耗功为[1]:

　　式中: 气体常数R、环境温度T0为常数，在压比p2/p1和压机效率ηT一定的前提下，耗功量Wc与气体流量m·成正比。