串列加速器QWR超导腔低温系统的设计分析

摘要

本文以中国原子能科学研究院HI-13串列式加速器升级工程项目中采用的四分之一波长腔（QuarterWaveResonator—QWR）超导腔恒温柜系统为研究对象。研究了恒温柜系统在低温下的若干问题，包括恒温柜系统热负载计算、低温冷却流程的模拟分析以及用FLUENT和ANSYS对恒温柜内关键设备的温度场进行了模拟。目的是为QWR超导腔恒温柜在低温下正常工作提供设计保障。
　　本文在详细描述恒温柜冷却系统的基础上，详细计算了4.2K冷质量与77K冷屏的辐射漏热，同时，还对恒温柜内部支撑系统计算了变物性下的导热漏热，得出了恒温柜系统的静态和动态热负荷分别为4.692W和38.4W，并分析比较了液氮冷屏采用夹层冷却方式与铜管缠绕冷却方式的优缺点，为流程模拟的参数确定提供了依据。
　　确定了系统中各主要设备的关键热力参数，同时计算了冷却QWR到4.2K需要的液氦量以及其冷却时间。采用恒温柜并联的冷却方式对系统建立了数学计算模型，选用了返回氦气经控制杜瓦冷却后再进入制冷机末级换热器冷端的方案，并结合超导腔对压力和温度的要求，用大型流程软件计算出了超导腔低温系统正常运行时所需的最佳氦流质量流量为31.57g/s，允许质量流量波动范围为±3g/s。同时讨论了氦流质量流量过小时对系统稳定性的影响。
　　用FLUENT数值模拟了QWR超导腔正常工作时的温度分布情况，得到其表面的最大温差，用以指导冷却系统的设计，保证超导腔的正常工作。模拟比较了液氮冷屏在采用螺旋管和蛇形管两种冷却方式情况下屏上温度分布，为冷屏冷却管线布置的选择提供理论依据。用有限元软件ANSYS模拟了4.2K冷质量支撑件的温度分布情况，同时得到了其导热漏热，并与理论计算进行了比较。

目录

串列加速器QWR 超导腔低温系统的设计分析

DESIGN AND ANALYSIS OF THE CRYOGENIC SYSTEM FOR QWR SUPERCONDUCTING CAVITY

摘要

Abstract

第1章 绪论

1.1 课题背景

1.2 国内外研究现状及分析

1.3 本文主要研究内容

1.3.1 QWR 超导腔恒温柜热负载计算

1.3.2 QWR 超导腔低温系统的流程模拟

1.3.3 QWR 恒温柜传热的数值模拟

第2章 QWR 超导腔恒温柜热负载计算

2.1 恒温柜冷却系统

2.2 冷质量的漏热计算

2.2.1 4.2K 与77K 冷屏的辐射漏热的估算

2.2.2 4.2K 与77K 冷屏的导热漏热的估算

2.2.3 超导腔的动态热负载计算

2.2.4 77K 冷屏的辐射漏热的估算

2.2.5 77K 冷屏的导热漏热的估算

2.3 本章小结

第3章 QWR 超导腔低温系统的流程模拟

3.1 QWR 超导腔低温系统的布置

3.2 QWR 超导腔低温冷却系统流程分析

3.3 计算模型简化

3.4 流程参数的确定

3.4.1 阀箱参数的确定

3.4.2 传输管线参数的确定

3.4.3 杜瓦参数的确定

3.4.4 制冷机的选定

3.5 计算结果分析

3.6 本章小结

第4章 QWR 超导腔恒温柜传热的数值模拟

4.1 温度场的有限元理论

4.2 QWR 超导腔温度场的数值模拟

4.2.1 QWR 超导腔物理模型的简化

4.2.2 边界条件的确定

4.2.3 结果分析

4.3 77K 液氮冷屏温度场的数值模拟

4.3.1 螺旋缠绕液氮冷屏方式的数值模拟

4.3.2 蛇形缠绕液氮冷屏方式的数值模拟

4.3.3 两种冷却方式对比

4.4 支撑结构与热负荷

4.4.1 液氦罐支撑结构的模拟计算

4.4.2 超导腔支撑结构的模拟计算

4.5 本章小结

结论

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文

哈尔滨工业大学硕士学位论文原创性声明

致谢