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《兰州理工大学》 2019年
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超导腔垂直测试低温恒温器结构及热性能研究

金树峰  
【摘要】:超导腔垂直测试系统用于检测超导腔的低温性能,为加速器的安全、稳定运行提供支撑。低温恒温器是超导腔垂直测试系统的关键设备,为敞口液氦容器。液氦受外界热载荷极易蒸发,因此低温恒温器的绝热性能显得尤为重要,其主体为高真空变密度多层绝热(VD-MLI)加气冷屏的组合绝热,敞口侧为多屏绝热。本文围绕低温恒温器主体绝热结构与敞口侧绝热方式,开展低温恒温器热性能优化研究,旨在提高绝热性能,减少低温恒温器漏热,降低液氦消耗。主要研究工作和相关结论如下:(1)低温恒温器敞口侧漏热分析。针对敞口侧多屏绝热,提出了辐射屏变密度布置,建立了辐射屏与氦气的耦合传热模型,数值计算获得了辐射屏分布对漏热的影响规律以及最优辐射屏布置密度。结果表明:屏数大于11层后热流密度变化不明显,对漏热影响较小;11层辐射屏数下,靠近外部环境的高温区域布置7层、临近液面低温区域布置4层的辐射屏变密度布置漏热最小。此外,通过分析靠近液面第一层辐射屏与液面间氦气的Gr数发现,Gr随该辐射屏温度的变化存在极大值,为了减少氦气的对流传热,降低漏热,该辐射屏温度需避开Gr为极大值时所对应的温度。(2)低温恒温器主体绝热结构对漏热的影响。位于VD-MLI中气冷屏与内筒体相连接,该连接点(热阻断位置)在内筒体轴向传热路径上形成了热阻断。本文基于此构建了低温恒温器整体传热模型,依据卡诺定律对热阻断位置进行了优化研究。同时,建立了VD-MLI传热模型和气冷屏传热模型,分析了VD-MLI厚度和气冷屏在VD-MLI绝热层中的位置(气冷屏位置)对漏热的影响。研究发现:随着热阻断位置向液面靠近,低温恒温器的漏热呈现先减小后增大的趋势,可见存在最优热阻断位置使得漏热最小;随着VD-MLI厚度增加,低温恒温器的漏热减小,且下降幅度逐步趋于平缓;随着气冷屏位置沿VD-MLI厚度向外筒侧移动,漏热逐渐下降。(3)低温恒温器结构及液位对氦气出口温度的影响。低温恒温器内筒体上部的一部分未包裹绝热层(内筒体未绝热部分),提高了氦气出口温度,可防止法兰盖表面结霜。针对该结构基于低温恒温器整体传热模型,探究了内筒体未绝热部分高度及液位对氦气出口温度的影响。结果表明:低温恒温器漏热随内筒体未绝热部分高度的增加逐渐上升,而对液位的变化不敏感;内筒体未绝热部分高度的增加可明显提高气体出口温度,相比而言,氦气出口温度随液位的变化不明显。(4)低温恒温器热性能分析及实验。基于中国科学院近代物理研究所的超导腔垂直测试系统搭建了实验平台,进行了预冷和漏热实验,验证了传热模型的合理性。基于优化后的低温恒温器结构,开展了低温恒温器热性能优化研究,相比优化前液氦蒸发量下降了约6%。
【学位授予单位】:兰州理工大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2019
【分类号】:TB65

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