低温箱的新冷源:脉冲管制冷机

用脉冲管制冷机首次作低温箱的冷源进行可行性实验研究。已经建立起初步的系统实验装置,并进行了有关实验测试。实验结果和分析比较表明,脉冲管制冷机系统结构简单,运行可靠.具有优于低温氟里昂制冷系统的优点,而且在较高制冷温区的冷量输出可以满足冷负荷的需要,是替代低温氟里昂制冷系统的一个新途径。     

传导冷却珀尔贴电流引线的传热分析

连接超导装置和外部电源的电流引线,是制冷系统的主要漏热源,决定着超导装置的运行效率。为实现漏热的最小化,对珀尔贴电流引线(Peltier current lead,简称PCL)进行了传热分析;引入热电参数的温度特性,建立了PCL的二维模型;采用有限元法对传导冷却下的PCL进行漏热分析与结构优化,得到了电流引线的最优几何参数。分析发现引线室温端的漏热大约为低温端的2倍;忽略热电参数的温度特性将使几何参数偏离最佳值,造成额外的制冷负荷。     

EAST超导托卡马克热负荷波动对低温系统液氦槽的影响

EAST超导托卡马克的纵场和极向场磁体均采用NbTi超导材料,由3.8 K超临界氦冷却.在托卡马克实验运行时,极向场的放电脉冲和等离子体破裂产生的交流损耗带来的热负荷增加,经过超临界氦流带到低温系统控制阀箱内的液氦槽和过冷槽,造成槽内的液氦蒸发量增加.蒸发的氦回到制冷机中,从而影响制冷机的稳定运行.通过对实际超临界管道和液氦槽、过冷槽中换热过程建立换热模型,进行热工分析,分析液氦槽和过冷槽中的压力等参数的变化,指导低温系统的设计.     

大型氦低温制冷系统研究进展

低温超导技术在基础科学研究中的广泛应用,极大地带动了低温工程的发展.大型强子对撞机(LHC)、国际热核聚变实验堆(ITER)、先进实验超导托卡马克(EAST)、北京正负电子对撞机重大改造项目(BEPC-Ⅱ)所配套的大型氦低温系统,分别作为国际与国内最大的低温装置,代表了当今低温技术的最高水平.介绍了这4个典型低温系统的流程、性能指标以及运行情况,以及其它具有代表性的氦低温系统及其应用.     

EAST超导托卡马克冷屏的结构设计及受热分析

EAST是一个拥有全超导磁体系统的托卡马克实验装置.为有效减少来自真空室和外真空杜瓦的辐射热以及支撑的传导热等各项热负荷,超导纵场磁体和极向场磁体被约80 K的真空室冷屏(内冷屏)和外真空杜瓦冷屏(外冷屏)所包容,从而保证磁体运行的稳定可靠.运用大型有限元分析程序ANSYS和FLUENT,对冷屏的受热状况进行了数值分析,为其结构设计和低温制冷方案的制定提供可靠的理论依据.     

基于减压降温原理的过冷液氮冷却系统研制

随着超导技术的迅速发展,为超导材料提供低温环境的制冷系统得到了越来越多的关注。本文详细介绍了一种基于减压降温原理的高温超导电机过冷氮冷却系统,包括技术指标及相关要求、总体结构、关键技术、热负荷分析与计算等。系统采用减压降温获得过冷液氮,冷却电机中超导线圈。液氮进口温度68K,出口温度72K。主要由供液杜瓦、过冷箱、抽空泵、超导线圈杜瓦、返液杜瓦、低温管路及温度仪表组成。试验证明,该冷却系统设计合理、操作方便,成功实现了超导电机的加载运行。     

大型氦低温系统多变量控制

大型氦低温系统广泛应用于各类大科学装置中,运行中往往会产生热脉冲,通过负载端传导给制冷系统,对制冷系统产生热冲击。为了研究和应对热冲击,建立了一种多变量控制策略并得到了相关仿真和实验结果。首先以真实系统为基础建立了氦低温系统的动态仿真模型,同时建立了一个基于模糊神经网络的多变量协同控制策略,并将其应用在仿真液化器模型和一个真实的氦透平制冷系统上,得到了低温系统降温过程和控制过程的仿真和实验数据。仿真和实验结果显示本策略的偏差积分量为0.016 5,下降时间为102 s,上升时间为112 s。普通PID的的偏差积分量为0.026 9,下降时间为154 s,上升时间为170 s。通过仿真和实验过程的比较,验证了本文建立的动态仿真模型具有可用的精度,证明了本策略具有较好的控制效果。     

氦制冷机的效率

随着超导技术发展和广泛应用,它对低温系统的容量要求也越来越庞大。对于大型超导磁体系统的氦制冷系统,其效率直接影响大型超导装置的运行费用。论述了影响氦制冷机效率的各种因素,并指出了提高制冷机效率的各种基本途径。     

HT-7U超导托卡马克装置低温杜瓦的真空问题

分析了HT－7U大型全超导托卡马克装置低温杜瓦内的真空状况，对影响真空指标至关重要的磁体主机氦泄漏漏率作了计算，介绍了在试验杜瓦成功实现超导磁体正常运行的真空调试与检漏实践。     

我国"人造太阳"本世纪中叶点亮

世界上第一台非圆截面和全超导核聚变托卡马克装置，是我国新一代“人造太阳”实验装置-EAST，目前已进入总装冲剌阶段，2005年将如期完工。为了探索和平使用热核聚变能源的方式，我国从1990年开始兴建托卡马克实验装置，历时3年终建成国内第一代超导托卡马克装置-HT-7，使我国成为继俄、法、日之后第4个拥有同类实验装置的国家。经过十年探索，     

大型氦低温系统中的杂质净化

EAST是一个全超导的托卡马克核聚变实验装置,磁体采用超临界氦迫流冷却.磁体在降温过程中对氦气的纯度有很高的要求,净化系统是整个低温系统的重要环节之一,以防各种杂质气体在低温下凝结固化威胁低温系统的稳定可靠运行.理论分析了氦气纯化的基本原理及固定床吸附器的吸附机理,对低温纯化器的运行进行了阐述,并介绍了杂质成分检测系统,以对净化效果进行评估,实验得知氦气净化系统能满足低温系统氦气高纯度的要求.     

超导线材短样测试装置测量系统

介绍了自行研制的超导线材短样测试装置的实时测量系统,包括温度、压力、液位、电流、电压降测量5个方面.该系统基于计算机和MCGS组态软件,选用合适的传感器和测量方法,采用A/D数据采集卡实现超导线材短样测试装置数据的实时显示和记录.测量系统具有操作简便、运行可靠等优点,已经通过与超导线材短样测试和超导磁体失超等实验,给出实验结果.这些结果表明,测量系统能满足超导线材短样测试装置的各项数据测量要求.该系统实现了低温测量和电量测量的有机结合,其成功研制为应用超导低温制冷系统的数据采集提供了参考.     

EAST-NBI低温真空系统

为了产生并维持中性束生成与传输过程所要求的洁净真空压力分布环境,设计了全超导托卡马克核聚变实验装置"东方超环"(Experimental Advanced Superconducting Tokamak,简称EAST)的中性束注入器(Neutral Beam Injector,简称NBI)的低温真空系统。对低温真空系统的总体布局、低温冷凝屏的结构设计、冷却方式与冷量供应、运行温度的确定等关键问题进行了详细分析。通过性能测试,验证了所设计的低温真空系统能满足EAST的NBI(简称EAST-NBI)对洁净真空压力分布环境的要求。     

-70℃大容量低温制冷装置的设计

介绍了一套大容量低温制冷装置的设计情况。该装置中的低温箱体的工作净容积为1．375m3（1．5m×1．5m×1．1m），由两个单级压缩制冷系统组成的复叠制冷系统构成，其中高温制冷系统采用R22作为制冷剂，低温制冷系统采用R23作为制冷剂。高温制冷系统单独运行时可制取．35℃的低温，当与低温制冷系统复叠运行时，低温制冷系统可制取．70℃的低温。该装置可以应用于食品行业、医疗临床、军事工程以及航天等很多领域。     

四极质谱计在超导托卡马克装置上的应用

四极质谱计广泛用于托卡马克装置上,用来监测聚变装置的真空品质,为真空系统的状态提供判断依据。本文介绍了四极质谱计在全超导非圆截面托卡马克装置(EAST)上的多种应用,为聚变装置的第一壁处理和聚变过程中多种残余气体成分含量变化提供数据。实验证明四极质谱计是EAST装置真空系统运行、等离子体与器壁相互作用研究过程中一种较为基础的测量工具。     

基于Monte-Carlo方法模拟分析NBI真空压力分布的研究

中性束注入装置是产生高能中性粒子以加热托卡马克等离子体的装置。NBI真空压力分布是影响中性束传输效率特别是再电离损失的关键因素之一。研究分析了超导托卡马克实验装置中NBI的工作原理和结构特点,建立了EAST NBI的几何与物理模型,利用Monte-Carlo方法建立NBI主真空室内分子运动及碰撞的数学模型,并运用Matlab软件编程实现对NBI主真空室内真空压力分布的模拟计算,得到主真空室内三段区域在进气过程中的气体分子三维分布图和平均压力变化曲线。研究可为EAST NBI主真空室内的中性化室、偏转系统、低温抽气系统的结构设计提供指导。     

氦低温系统螺杆压缩机组运行分析及节能优化

主要分析了EAST全超导托卡马克可控核聚变装置低温系统的喷油螺杆压缩机组,对其运行状况做了一些分析研究,并分析导致压机等温效率偏低的原因;最后提出一些节能优化措施,改善螺杆压缩机组的运行状况.     

低温工程的未来(二)

五、低温获得在今后的20年之内,低温获得的应用仍将在大型和小型低温装置这两个方面获得更大的进展。大型低温获得装置的应用引人注目。超大型氦液化器和氢液化器将在大型托卡马克装置和超导贮能装置中获得应用。这时,需要100千瓦(3万升/小时)的氦液化器或500千瓦(2.5万升/小时)的氢液化器。相比较之下,这样大的氢液化装置更容易实现。2.5万升/小时相当于42.2吨/天,目前美国已有60吨/天的液氢生产设备。对于更大型的托卡马克装置需要的冷量在4.2K 时为211千瓦,对于10~(10)瓦的超导贮能装置来说,需要的冷量在4.2K 时为51千瓦。这种需要就意味着必须考虑设计200吨/天的液氢生产设备。液氢在航空工业中的应用将会逐渐实现。氢是一种清洁的高能燃料,由于易爆性的原因     

Spoke型超导腔水平测试低温恒温器的设计

Spoke型射频超导(SRF)加速腔水平测试低温恒温器是中国科学院先导专项加速器驱动次临界系统(ADS)项目的重要设备之一,水平测试成功与否,直接影响到超导腔、耦合器、调谐器等能否带束流运行。对水平测试恒温器的功能及工作流程进行了初步分析,通过对恒温器中部分关键部件结构及热力学分析,以及不同温区热负荷模拟分析研究,确定恒温器的结构形式,同时为恒温器的低温测试和运行的稳定性提供理论依据。     

超导腔2K垂直测试低温恒温器的设计

基于中国近年来超导腔的研究及发展趋势,设计了一种新型超导腔2K垂直测试低温恒温器,该恒温器集外真空容器、80 K液氮冷屏、液氦低温杜瓦、2K回冷换热器、J-T阀门以及低温分配与传输为一体.利用恒温器内部回冷提高2K超流氦的产生效率,并且使得相分离器的回流冷量得到充分利用,以最大限度减少2K温度的低温热负荷.