低温永磁波荡器过冷液氮冷却系统及其关键设备的计算分析和控压关键技术的实验研究
刘莉军
学位类型硕士
导师王莉
2017
学位授予单位中国科学院研究生院(上海应用物理研究所)
关键词低温波荡器 过冷氮冷却系统 过冷换热器 液氮泵 控压技术
摘要低温永磁波荡器(Cryogenic Permanent Magnet Undulator,CPMU)是目前插入件技术发展的主要方向之一,其利用某些永磁材料如钕铁硼(NdFeB)或镨铁棚(PrFeB)的磁场性能在低温下明显高于室温的特性,达到提高波荡器性能和光源束流品质的目的,CPMU工作温区在50K?150K之间。低温冷却技术是实现CPMU运行的必要条件和关键技术之一。CPMU冷却主要包括过冷液氮冷却系统和CPMU磁体阵列冷却回路,过冷液氮冷却系统为CPMU磁体的冷却提供冷量和冷却工质。中科院上海应用物理研究所从2013年开始低温波荡器的研制工作并开展了CPMU相关关键技术的研究,2014年和2016年分别研制出国内首台钕铁硼CPMU样机及其过冷液氮冷却装置。该样机及其冷却系统2016年整体安装于上海光源进行在线测试,其相位误差在室温与低温下均小于3度,达到国际水平;其过冷液氮冷却系统的性能优于设计指标且运行稳定。过冷液氮冷却系统是CPMU离线测试及在线运行的必要条件之一。本论文以上海光源自主研发的CPMU过冷液氮冷却系统为对象,采用理论分析和实验测试的方法,开展了过冷液氮冷却系统及其关键设备的计算分析和控压关键技术的实验研究,研究结果为SINAP研发具有自主知识产权的过冷液氮冷却系统提供了一定的理论依据。本文首先在CPMU过冷液氮冷却系统的流程设计方案和设计参数基础上,进行了系统主要热负载的计算和分析,根据热负载分析结果对系统的流程热力参数进行了计算分析,得到CPMU过冷液氮冷却系统的制冷能力与流量、温度的关系,为CPMU过冷液氮冷却系统的调试提供了理论依据,并对其关键设备过冷换热器提供了设计参数。过冷换热器是CPMU过冷液氮冷却系统的关键设备之一,过冷液氮和冷源常压饱和液氮通过过冷换热器交换热量,过冷换热器选用盘管式换热器,本文对盘管换热器的换热面积进行了理论计算,得出了过冷换热器的结构参数。液氮泵是CPMU过冷液氮冷却系统的另一关键设备,为过冷液氮补充冷却循环过程中的压降损失,提供循环动力。CPMU磁体冷却管路与过冷液氮冷却系统之间通过液氮传输管线连接,CPMU样机与过冷液氮冷却系统之间管路较复杂,本文计算分析了过冷氮流经CPMU冷却系统的全程阻力损失,得到了循环系统的管路特性曲线,为液氮泵的选型和液氮泵的运行调试提供了依据。最后,本文对CPMU过冷液氮冷却系统进行了在线测试,得到了CPMU过冷液氮冷却系统的运行参数。实验测试结果表明,系统的低温性能达到并优于了设计要求。同时,对系统进行了控压技术的实验测试研究,得到了控压容器内压力稳定所需的运行条件,即控压容器内液氮所占容积比率低于40%,使控压容器内压力稳定性<2kPa,达到了系统压力控制设计要求<7kPa。该冷却系统不仅可用于CPMU的冷却运行,也满足光束线单色器的冷却要求。
语种中文
文献类型学位论文
条目标识符http://ir.sinap.ac.cn/handle/331007/27531
专题中科院上海应用物理研究所2011-2018年
作者单位中国科学院上海应用物理研究所
推荐引用方式
GB/T 7714
刘莉军. 低温永磁波荡器过冷液氮冷却系统及其关键设备的计算分析和控压关键技术的实验研究[D]. 中国科学院研究生院(上海应用物理研究所),2017.
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