本文關(guān)鍵詞： 低溫波蕩器 過冷氮冷卻系統(tǒng) 過冷換熱器 液氮泵 控壓技術(shù)　出處：《中國科學(xué)院研究生院(上海應(yīng)用物理研究所)》2017年碩士論文　論文類型：學(xué)位論文

【摘要】：低溫永磁波蕩器(Cryogenic Permanent Magnet Undulator,CPMU)是目前插入件技術(shù)發(fā)展的主要方向之一,其利用某些永磁材料如釹鐵硼(NdFeB)或鐠鐵棚(PrFeB)的磁場性能在低溫下明顯高于室溫的特性,達(dá)到提高波蕩器性能和光源束流品質(zhì)的目的,CPMU工作溫區(qū)在50K?150K之間。低溫冷卻技術(shù)是實(shí)現(xiàn)CPMU運(yùn)行的必要條件和關(guān)鍵技術(shù)之一。CPMU冷卻主要包括過冷液氮冷卻系統(tǒng)和CPMU磁體陣列冷卻回路,過冷液氮冷卻系統(tǒng)為CPMU磁體的冷卻提供冷量和冷卻工質(zhì)。中科院上海應(yīng)用物理研究所從2013年開始低溫波蕩器的研制工作并開展了CPMU相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)的研究,2014年和2016年分別研制出國內(nèi)首臺(tái)釹鐵硼CPMU樣機(jī)及其過冷液氮冷卻裝置。該樣機(jī)及其冷卻系統(tǒng)2016年整體安裝于上海光源進(jìn)行在線測試,其相位誤差在室溫與低溫下均小于3度,達(dá)到國際水平;其過冷液氮冷卻系統(tǒng)的性能優(yōu)于設(shè)計(jì)指標(biāo)且運(yùn)行穩(wěn)定。過冷液氮冷卻系統(tǒng)是CPMU離線測試及在線運(yùn)行的必要條件之一。本論文以上海光源自主研發(fā)的CPMU過冷液氮冷卻系統(tǒng)為對(duì)象,采用理論分析和實(shí)驗(yàn)測試的方法,開展了過冷液氮冷卻系統(tǒng)及其關(guān)鍵設(shè)備的計(jì)算分析和控壓關(guān)鍵技術(shù)的實(shí)驗(yàn)研究,研究結(jié)果為SINAP研發(fā)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的過冷液氮冷卻系統(tǒng)提供了一定的理論依據(jù)。本文首先在CPMU過冷液氮冷卻系統(tǒng)的流程設(shè)計(jì)方案和設(shè)計(jì)參數(shù)基礎(chǔ)上,進(jìn)行了系統(tǒng)主要熱負(fù)載的計(jì)算和分析,根據(jù)熱負(fù)載分析結(jié)果對(duì)系統(tǒng)的流程熱力參數(shù)進(jìn)行了計(jì)算分析,得到CPMU過冷液氮冷卻系統(tǒng)的制冷能力與流量、溫度的關(guān)系,為CPMU過冷液氮冷卻系統(tǒng)的調(diào)試提供了理論依據(jù),并對(duì)其關(guān)鍵設(shè)備過冷換熱器提供了設(shè)計(jì)參數(shù)。過冷換熱器是CPMU過冷液氮冷卻系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備之一,過冷液氮和冷源常壓飽和液氮通過過冷換熱器交換熱量,過冷換熱器選用盤管式換熱器,本文對(duì)盤管換熱器的換熱面積進(jìn)行了理論計(jì)算,得出了過冷換熱器的結(jié)構(gòu)參數(shù)。液氮泵是CPMU過冷液氮冷卻系統(tǒng)的另一關(guān)鍵設(shè)備,為過冷液氮補(bǔ)充冷卻循環(huán)過程中的壓降損失,提供循環(huán)動(dòng)力。CPMU磁體冷卻管路與過冷液氮冷卻系統(tǒng)之間通過液氮傳輸管線連接,CPMU樣機(jī)與過冷液氮冷卻系統(tǒng)之間管路較復(fù)雜,本文計(jì)算分析了過冷氮流經(jīng)CPMU冷卻系統(tǒng)的全程阻力損失,得到了循環(huán)系統(tǒng)的管路特性曲線,為液氮泵的選型和液氮泵的運(yùn)行調(diào)試提供了依據(jù)。最后,本文對(duì)CPMU過冷液氮冷卻系統(tǒng)進(jìn)行了在線測試,得到了CPMU過冷液氮冷卻系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)。實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果表明,系統(tǒng)的低溫性能達(dá)到并優(yōu)于了設(shè)計(jì)要求。同時(shí),對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了控壓技術(shù)的實(shí)驗(yàn)測試研究,得到了控壓容器內(nèi)壓力穩(wěn)定所需的運(yùn)行條件,即控壓容器內(nèi)液氮所占容積比率低于40%,使控壓容器內(nèi)壓力穩(wěn)定性2kPa,達(dá)到了系統(tǒng)壓力控制設(shè)計(jì)要求7kPa。該冷卻系統(tǒng)不僅可用于CPMU的冷卻運(yùn)行,也滿足光束線單色器的冷卻要求。
[Abstract]:Cryogenic Permanent Magnet impeller is one of the main directions in the development of insert technology. The magnetic field properties of some permanent magnetic materials, such as NdFeB or PrFeB, are obviously higher than those at room temperature at low temperature. In order to improve the performance of the waver and the beam quality of the light source, CPMU operating temperature range is 50 K? Between 150K and 150K. Low temperature cooling technology is one of the necessary conditions and key technologies to realize CPMU operation. CPMU cooling mainly includes undercooled liquid nitrogen cooling system and CPMU magnet array cooling loop. The supercooled liquid nitrogen cooling system provides cooling quantity and refrigerant for the cooling of CPMU magnets. Since 2013, the Shanghai Institute of Applied Physics of the Chinese Academy of Sciences has started the development of the low temperature waver and has carried out the research on the key technologies related to CPMU, 2014 and 2016. The first NdFeB CPMU prototype and its supercooled liquid nitrogen cooling device were developed in China in 2003. The prototype and its cooling system were installed in Shanghai Light Source for on-line testing in 2016. The phase error is less than 3 degrees at room temperature and low temperature, reaching the international level. The performance of the supercooled liquid nitrogen cooling system is superior to the design index and the operation is stable. The supercooled liquid nitrogen cooling system is one of the necessary conditions for the offline test and on-line operation of CPMU. This paper takes the CPMU supercooled liquid nitrogen cooling system developed by Shanghai Light Source as the object. By means of theoretical analysis and experimental test, the calculation and analysis of the supercooled liquid nitrogen cooling system and its key equipment and the experimental research on the key technology of pressure control are carried out. The results provide a theoretical basis for SINAP to develop an undercooled liquid nitrogen cooling system with independent intellectual property rights. Firstly, based on the process design scheme and design parameters of CPMU supercooled liquid nitrogen cooling system, The calculation and analysis of the main heat load of the system are carried out, and the thermodynamic parameters of the system are calculated and analyzed according to the results of the thermal load analysis. The relationship between the cooling capacity of the CPMU subcooled liquid nitrogen cooling system and the flow rate and temperature is obtained. It provides a theoretical basis for the commissioning of the CPMU supercooled liquid nitrogen cooling system, and provides the design parameters for the supercooled heat exchanger, which is one of the key equipments of the CPMU supercooled liquid nitrogen cooling system. The supercooled liquid nitrogen and saturated liquid nitrogen exchange heat through the supercooled heat exchanger. The coiled tube heat exchanger is used in the supercooled heat exchanger. The heat transfer area of the disc tube heat exchanger is calculated theoretically in this paper. The structural parameters of the supercooled heat exchanger are obtained. The liquid nitrogen pump is another key equipment of the CPMU supercooled liquid nitrogen cooling system, which replenishes the pressure drop loss during the cooling cycle for the supercooled liquid nitrogen. Providing circulating power. CPMU magnet cooling line and supercooled liquid nitrogen cooling system. The connection between CPMU prototype and undercooled liquid nitrogen cooling system through liquid nitrogen transmission pipeline is more complicated. In this paper, the total resistance loss of undercooled nitrogen flowing through CPMU cooling system is calculated and analyzed, and the characteristic curve of the circulating system is obtained, which provides the basis for the selection of liquid nitrogen pump and the operation and adjustment of liquid nitrogen pump. In this paper, the on-line test of the CPMU supercooled liquid nitrogen cooling system is carried out, and the operating parameters of the CPMU supercooled liquid nitrogen cooling system are obtained. The experimental results show that the low temperature performance of the system is up to and superior to the design requirements. The pressure control technology of the system is experimentally tested and studied, and the operating conditions for the pressure stability in the controlled pressure vessel are obtained. The ratio of liquid nitrogen in the controlled pressure vessel is less than 40, which makes the pressure stability of the controlled pressure vessel 2kPa, which meets the design requirement of system pressure control. The cooling system can be used not only for the cooling operation of CPMU, but also for the beam line Monochromator.
【學(xué)位授予單位】：中國科學(xué)院研究生院(上海應(yīng)用物理研究所)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號(hào)】：TM273;TB65

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本文編號(hào)：1523529