液氮冷卻循環(huán)系統(tǒng)

一、產(chǎn)品概述

液氮冷卻循環(huán)系統(tǒng)（簡稱 SLNCS）是專為低溫永磁波蕩器（CPMU）設(shè)計(jì)的核心外圍設(shè)備。CPMU 作為第三代同步輻射光源的關(guān)鍵插入件，需在液氮溫區(qū)（約 82K）工作以提升磁場峰值（較真空內(nèi)波蕩器提高 30%~50%）和矯頑力（增加 50% 以上），從而獲得更高亮度的 X 射線同步輻射光。SLNCS 通過提供穩(wěn)定的過冷液氮冷源，確保 CPMU 高效運(yùn)行，是國際同步輻射光源領(lǐng)域的重要技術(shù)裝備。

二、核心性能指標(biāo)

1. 溫度控制：過冷液氮出口工作溫度 78~80K，控溫精度達(dá) ±0.2K，進(jìn)出口溫差≤3K，確保 CPMU 磁體溫度穩(wěn)定。

2. 流量調(diào)節(jié)：工作體積流量 9.7L/min，調(diào)節(jié)范圍 2.0~19.4L/min，可通過液氮泵變頻器靈活適配不同熱負(fù)載需求。

3. 壓力控制：工作壓力 0.3MPa（表壓），調(diào)節(jié)范圍 0.15~0.5MPa，壓力波動(dòng)≤±7.5kPa，保障液氮單相過冷態(tài)穩(wěn)定。

4. 制冷能力：最大可供制冷量 1300W，可滿足 CPMU 在高負(fù)載下的散熱需求。

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液氮冷卻循環(huán)系統(tǒng)

三、系統(tǒng)組成與工作原理

1. 總體架構(gòu)

• 低溫冷箱：系統(tǒng)核心，集成冷量供給與循環(huán)動(dòng)力部件，包括冷箱杜瓦、液氮泵、過冷換熱器、自動(dòng)控壓裝置等。

• 閥箱：負(fù)責(zé)流量調(diào)節(jié)與備用功能，通過低溫閥門控制液氮分配，冷箱故障時(shí)可切換至備用液氮源，保障 CPMU 持續(xù)運(yùn)行。

• 真空絕熱管道：連接冷箱、閥箱與 CPMU，減少冷量損失，確保低溫傳輸效率。

2. 工作流程

1. 從 CPMU 流出的回溫過冷液氮經(jīng)真空管道進(jìn)入冷箱，由液氮泵增壓；

2. 增壓后的液氮進(jìn)入過冷換熱器，與冷箱杜瓦內(nèi)的常壓液氮換熱，恢復(fù)過冷態(tài)（78~80K）；

3. 過冷液氮經(jīng)閥箱調(diào)節(jié)后流入 CPMU，吸收磁體熱量；

4. 吸熱后的液氮返回冷箱，完成循環(huán)。

四、核心組件設(shè)計(jì)

1. 冷箱杜瓦 閥箱

• 冷箱是液氮循環(huán)系統(tǒng)的核心,所有重要的部件均集成于冷箱中。閥箱的作用是分配冷箱提供的過冷液氮,通過閥箱中的各個(gè)低溫閥的開啟和關(guān)閉來調(diào)節(jié)供給CPMU的過冷液氮量處于一個(gè)合適的值;同時(shí)閥箱可在冷箱故障時(shí),為CPMU提供常壓液氮和氣液相分離的作用,保證進(jìn)入循環(huán)的為單相流,供CPMU臨時(shí)低溫運(yùn)行工作。

• 冷箱由冷箱杜瓦和上蓋板組件組成。上蓋板組件由上蓋板、過冷換熱器、液氮泵、自動(dòng)控壓裝置、控制閥門、壓力溫度測量傳感器及其它安全組件組成。閥箱主要由真空容器、低溫氣動(dòng)閥、手動(dòng)低溫閥、連接管道及其他安全測量組件組成。冷箱和閥箱三維設(shè)計(jì)如圖4所示3.1 冷箱杜瓦

• 冷箱杜瓦為真空絕熱廣口杜瓦結(jié)構(gòu),杜瓦內(nèi)盛放一定量的常壓液氮,通過常壓液氮的蒸發(fā)為系統(tǒng)提供冷量。內(nèi)筒設(shè)計(jì)工作壓力為0.25 MPa,材料為SUS304,尺寸為 φ850 mm,厚度為2 mm,底部為封頭結(jié)構(gòu)。夾層為真空,外筒承受0.1 MPa的外壓,材料為SUS304,經(jīng)過設(shè)計(jì)計(jì)算及ANSYS模擬,尺寸為φ 950 mm,厚度為4 mm,底部為封頭結(jié)構(gòu)。

• 功能：儲(chǔ)存常壓液氮，為過冷換熱器提供冷源。

2. 自動(dòng)控壓裝置

• 自動(dòng)控壓裝置為液氮循環(huán)系統(tǒng)的核心部件之整個(gè)循環(huán)系統(tǒng)的循環(huán)壓力在此產(chǎn)生和控制,使循環(huán)液氮處于單相流的過冷態(tài)。自動(dòng)控壓裝置包括控壓容器、補(bǔ)液閥門及放氣閥門、加熱裝置、壓力測量及控制、引壓管道和安全組件，自動(dòng)控壓裝置中應(yīng)當(dāng)保持一定的壓力。該壓力須遠(yuǎn)高于回流液氮的飽和蒸氣壓,才能確保回流液氮過冷而無氣泡產(chǎn)生。自動(dòng)控壓裝置中設(shè)有加熱器,通過加熱容器中的液氮使自動(dòng)控壓裝置中保持較高的壓力,自動(dòng)控壓裝置通過管道與循環(huán)系統(tǒng)相連,將壓力傳遞到循環(huán)系統(tǒng),壓力為0.15~0.5 MPa(表壓),其對(duì)應(yīng)的飽和溫度為86~96K。正常工作壓力為 0.3 MPa(表壓)。
  

• 在循環(huán)過程中,由于一定的系統(tǒng)泄漏,循環(huán)系統(tǒng)中的液氮會(huì)慢慢減少。當(dāng)自動(dòng)控壓裝置中液氮減少到設(shè)定值時(shí)(由液面計(jì)監(jiān)控),提示液氮儲(chǔ)槽向自動(dòng)控壓裝置內(nèi)補(bǔ)充液氮。控壓容器的設(shè)計(jì)工作壓力為0.15~0.5 MPa,常用工作壓力為0.3 MPa,設(shè)計(jì)耐壓為1.0 MPa。材料為SUS304,容量為18 L。

• 組成：含 18L 控壓容器（SUS304 材質(zhì)，耐壓 1.0MPa）、補(bǔ)液 / 放氣閥門、加熱裝置及壓力傳感器。

• 原理：通過加熱容器內(nèi)液氮維持 0.15~0.5MPa 壓力（常用 0.3MPa），確保循環(huán)液氮為單相過冷態(tài)；液位低于設(shè)定值時(shí)自動(dòng)補(bǔ)液，保障系統(tǒng)穩(wěn)定。

3. 低溫液氮泵

• 選型：采用美國 Barber-Nichols Inc 的 BNCP-30G000 型離心泵，適配變頻器調(diào)節(jié)流量。

• 性能：最大流量 33L/min，最大揚(yáng)程 43m 液氮柱，可克服系統(tǒng) 63kPa 總阻力（沿程阻力 49kPa + 局部阻力 14kPa），滿足流量調(diào)節(jié)需求。

4. 過冷換熱器

• 材質(zhì)與結(jié)構(gòu)：紫銅管（φ25×2）制成螺旋盤管，長度 27.6m（含 1.3 倍裕度），螺旋直徑 800mm，共 11 圈。

• 性能：換熱面積 1.429m2，管內(nèi)高壓液氮與管外常壓液氮高效換熱，進(jìn)口溫度 83K、出口溫度 80K，滿足 3K 換熱溫差要求。

五、測試驗(yàn)證與可靠性

• 壓力穩(wěn)定性：24h 壓力波動(dòng)≤2kPa（控壓容器液位 30%~40% 時(shí)最佳），離線測試壓力波動(dòng)僅 1.825kPa。

• 溫度與流量：進(jìn)出口溫度差 < 3K，控溫精度 ±0.2K，流量調(diào)節(jié)范圍覆蓋 2.0~19.4L/min。

• 故障冗余：備用系統(tǒng)可在冷箱故障時(shí)無縫切換，確保 CPMU 不間斷運(yùn)行。

六、應(yīng)用價(jià)值