Thiết bị hệ thống tuần hoàn siêu lạnh nitơ lỏng

Thiết bị hệ thống tuần hoàn siêu lạnh nitơ lỏngSLNCS (viết tắt là SLNCS) là một thiết bị ngoại vi lõi được thiết kế đặc biệt cho bộ dao động từ tính vĩnh cửu nhiệt độ thấp (CPMU). CPMU, một phần quan trọng của nguồn sáng synchrotron thế hệ thứ ba, cần phải hoạt động trong vùng nhiệt độ nitơ lỏng (khoảng 82K) để nâng cao đỉnh từ trường (tăng 30%~50% so với bộ dao động bên trong trống rỗng) và độ cứng (tăng hơn 50%) để có được ánh sáng synchrotron tia X sáng hơn. SLNCS đảm bảo hoạt động hiệu quả của CPMU bằng cách cung cấp nguồn làm mát nitơ lỏng siêu lạnh ổn định và là thiết bị kỹ thuật quan trọng trong lĩnh vực nguồn sáng bức xạ synchrotron quốc tế.

II. Chỉ số hiệu suất cốt lõi

1. Kiểm soát nhiệt độ: Nhiệt độ làm việc của đầu ra nitơ lỏng siêu lạnh 78~80K, độ chính xác kiểm soát nhiệt độ lên đến ± 0,2K, chênh lệch nhiệt độ đầu vào và đầu ra ≤3K, đảm bảo nhiệt độ nam châm CPMU ổn định.

2. Điều chỉnh dòng chảy: Lưu lượng khối lượng làm việc 9,7L/phút, phạm vi điều chỉnh 2,0~19,4L/phút, có thể linh hoạt phù hợp với nhu cầu tải nhiệt khác nhau thông qua biến tần bơm nitơ lỏng.

3. Kiểm soát áp suất: Áp suất làm việc 0,3MPa (áp suất đo), phạm vi điều chỉnh 0,15~0,5MPa, dao động áp suất ≤ ± 7,5kPa, đảm bảo ổn định trạng thái quá lạnh đơn pha nitơ lỏng.

4. Khả năng làm lạnh: Công suất làm lạnh tối đa 1300W, có thể đáp ứng nhu cầu tản nhiệt của CPU dưới tải cao.

5. 
   

Thiết bị hệ thống tuần hoàn siêu lạnh nitơ lỏng

III. Thành phần hệ thống và nguyên tắc làm việc

1. Kiến trúc tổng thể

• Hộp lạnh nhiệt độ thấp: Lõi hệ thống, tích hợp nguồn cấp lạnh và các bộ phận điện tuần hoàn, bao gồm hộp lạnh Dewar, bơm nitơ lỏng, bộ trao đổi nhiệt siêu lạnh, thiết bị điều khiển áp suất tự động, v.v.

• Hộp van: Chịu trách nhiệm điều chỉnh dòng chảy và chức năng dự phòng, điều khiển phân phối nitơ lỏng thông qua van nhiệt độ thấp, khi hộp lạnh bị hỏng có thể chuyển sang nguồn nitơ lỏng dự phòng, đảm bảo hoạt động liên tục của CPMU.

• Ống cách nhiệt chân không: Kết nối hộp lạnh, hộp van với CPMU, giảm tổn thất khối lượng lạnh và đảm bảo hiệu quả truyền nhiệt độ thấp.

2. Quy trình làm việc

1. Nitơ lỏng siêu lạnh trở lại từ CPMU đi vào hộp lạnh qua đường ống chân không, được tăng cường bởi bơm nitơ lỏng;

2. Nitơ lỏng sau khi tăng áp đi vào bộ trao đổi nhiệt siêu lạnh, trao đổi nhiệt với nitơ lỏng áp suất bình thường trong hộp lạnh Duvaline, khôi phục trạng thái siêu lạnh (78~80K);

3. Nitơ lỏng siêu lạnh chảy vào CPU sau khi được điều chỉnh bởi hộp van, hấp thụ nhiệt nam châm;

4. Nitơ lỏng sau khi hấp thụ nhiệt trở lại hộp lạnh để hoàn thành chu kỳ.

IV. Thiết kế thành phần cốt lõi

1. Hộp lạnh Hộp van Duva

• Hộp lạnh là trung tâm của hệ thống tuần hoàn nitơ lỏng và tất cả các thành phần quan trọng được tích hợp trong hộp lạnh. Vai trò của hộp van là phân phối nitơ lỏng siêu lạnh được cung cấp bởi hộp lạnh, thông qua việc mở và đóng các van nhiệt độ thấp khác nhau trong hộp van để điều chỉnh lượng nitơ lỏng siêu lạnh cung cấp cho CPMU ở một giá trị thích hợp; Đồng thời, hộp van có thể cung cấp cho CPMU vai trò của nitơ lỏng áp suất bình thường và tách pha khí lỏng trong trường hợp hộp lạnh bị hỏng, đảm bảo việc đi vào chu kỳ là dòng chảy một pha, cung cấp cho CPMU hoạt động ở nhiệt độ thấp tạm thời.

• Hộp lạnh bao gồm hộp lạnh duva và lắp ráp tấm bìa trên. Lắp ráp tấm bìa trên bao gồm tấm bìa trên, bộ trao đổi nhiệt quá lạnh, bơm nitơ lỏng, thiết bị điều khiển áp suất tự động, van điều khiển, cảm biến đo nhiệt độ áp suất và các thành phần an toàn khác. Hộp van chủ yếu bao gồm bình chân không, van khí nén nhiệt độ thấp, van nhiệt độ thấp bằng tay, đường ống kết nối và các thành phần đo lường an toàn khác. Hộp lạnh và hộp van thiết kế ba chiều như trong hình 4 3.1 Hộp lạnh Dewar

• Hộp lạnh Duva là một cấu trúc Duva miệng rộng cách nhiệt chân không. Duva chứa một lượng nitơ lỏng áp suất bình thường nhất định để cung cấp lượng lạnh cho hệ thống thông qua sự bay hơi của nitơ lỏng áp suất bình thường. Thiết kế thùng bên trong có áp suất làm việc 0,25 MPa, vật liệu SUS304, kích thước φ850 mm, độ dày 2 mm, cấu trúc đầu ở phía dưới. Sandwich là chân không, xi lanh bên ngoài chịu được áp suất bên ngoài 0,1 MPa, vật liệu là SUS304, được tính toán theo thiết kế và mô phỏng ANSYS, kích thước là φ950 mm, độ dày là 4 mm, dưới cùng là cấu trúc đầu.

• chức năng: Lưu trữ nitơ lỏng áp suất bình thường, cung cấp nguồn lạnh cho bộ trao đổi nhiệt quá lạnh.

2. Thiết bị điều khiển áp suất tự động

• Thiết bị điều khiển áp suất tự động là thành phần cốt lõi của hệ thống tuần hoàn nitơ lỏng, áp suất tuần hoàn của toàn bộ hệ thống tuần hoàn được tạo ra và kiểm soát ở đây, làm cho nitơ lỏng tuần hoàn ở trạng thái siêu lạnh của dòng chảy một pha. Thiết bị điều khiển áp suất tự động bao gồm bình điều khiển áp suất, van bù nước và van xả khí, thiết bị sưởi ấm, đo áp suất và điều khiển, đường ống dẫn áp suất và các thành phần an toàn, thiết bị điều khiển áp suất tự động nên duy trì áp suất nhất định. Áp suất này phải cao hơn nhiều so với áp suất hơi bão hòa của nitơ lỏng hồi lưu để đảm bảo nitơ lỏng hồi lưu quá lạnh mà không tạo ra bong bóng. Thiết bị điều khiển áp suất tự động được trang bị lò sưởi, bằng cách làm nóng nitơ lỏng trong bình chứa để giữ áp suất cao hơn trong thiết bị điều khiển áp suất tự động, thiết bị điều khiển áp suất tự động được kết nối với hệ thống tuần hoàn bằng đường ống, truyền áp suất đến hệ thống tuần hoàn, áp suất là 0,15~0,5 MPa (áp suất đo), sự no và nhiệt độ tương ứng của nó là 86~96K. Áp suất làm việc bình thường là 0,3 MPa (áp suất đo).
  

• Trong quá trình lưu thông, nitơ lỏng trong hệ thống lưu thông sẽ giảm dần do rò rỉ hệ thống nhất định. Khi nitơ lỏng trong thiết bị điều khiển áp suất tự động giảm xuống giá trị cài đặt (được giám sát bởi máy đo bề mặt), bể chứa nitơ lỏng được nhắc để bổ sung nitơ lỏng vào thiết bị điều khiển áp suất tự động. Áp suất làm việc thiết kế của tàu điều khiển áp suất là 0,15~0,5 MPa, áp suất làm việc phổ biến là 0,3 MPa và áp suất thiết kế là 1,0 MPa. Vật liệu là SUS304 và công suất là 18 L.

• Thành phần: Chứa bình điều khiển áp suất 18L (vật liệu SUS304, chịu áp suất 1.0MPa), van bù/xả, thiết bị sưởi ấm và cảm biến áp suất.

• Nguyên tắc: Duy trì áp suất 0,15~0,5 MPa (0,3 MPa thường được sử dụng) bằng cách nung nitơ lỏng trong bình chứa, đảm bảo nitơ lỏng tuần hoàn ở trạng thái siêu lạnh một pha; Khi mức dịch thấp hơn giá trị thiết lập thì tự động bổ dịch, bảo đảm hệ thống ổn định.

3. Bơm nitơ lỏng nhiệt độ thấp

• Chọn loại: Áp dụng máy bơm ly tâm BNCP-30G000 của Barber Nichols Inc. Hoa Kỳ, phù hợp với bộ chuyển đổi tần số để điều chỉnh lưu lượng.

• Hiệu suất: Lưu lượng tối đa 33L/phút, cột nitơ lỏng đầu tối đa 43m, có thể vượt qua tổng lực cản 63kPa của hệ thống (49kPa dọc theo kháng cự+14kPa cục bộ), đáp ứng nhu cầu điều chỉnh lưu lượng.

4. Bộ trao đổi nhiệt siêu lạnh

• Vật liệu và cấu trúc: Ống đồng đỏ (φ25 × 2) được làm thành cuộn dây xoắn ốc, chiều dài 27,6m (bao gồm biên độ 1,3 lần), đường kính xoắn ốc 800mm, tổng cộng 11 vòng.

• Hiệu suất: Diện tích trao đổi nhiệt 1,429m². Nitơ lỏng áp suất cao trong ống và Nitơ lỏng áp suất bình thường ngoài ống trao đổi nhiệt hiệu quả cao. Nhiệt độ đầu vào 83K, nhiệt độ đầu ra 80K, đáp ứng yêu cầu chênh lệch nhiệt độ trao đổi nhiệt độ 3K.

V. Kiểm tra xác minh và độ tin cậy

• Ổn định áp suất: Biến động áp suất 24h ≤2kPa (tốt ở mức tàu điều khiển áp suất 30%~40%), biến động áp suất thử nghiệm ngoại tuyến chỉ 1,825kPa.

• Nhiệt độ và dòng chảy: Chênh lệch nhiệt độ đầu vào và đầu ra<3K, độ chính xác kiểm soát nhiệt độ ± 0,2K, phạm vi điều chỉnh lưu lượng bao gồm 2,0~19,4L/phút.

• Dự phòng lỗi: Hệ thống dự phòng có thể được chuyển đổi liền mạch trong trường hợp hộp lạnh bị hỏng, đảm bảo hoạt động liên tục của CPU.

VI. Giá trị ứng dụng