用于cepc探测器超导磁体的小型氦虹吸回路实验研究

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1、用于CEPC探测器超导磁体的小型氨虹吸回路实验研究张宝堂王美芬王恒朱自安李文双刘旭洋牟智慧研究所中国科学院大学摘要：在环形正负电子对撞机(CEPC)大型探测器超导磁体拟采用低温虹吸冷却系统的预研背景下，搭建了氨低温虹吸冷却回路实验平台，进行了气-液两相自然循环传热传质特性实验研究。实验测量了不同充装量下，压力、温度随热流量的变化规律，计算了实验段的表面传热系数。研究表明，充装率对热虹吸冷却循环具有重要影响，在40%55%合适的充装率下能够保证该系统的正常运行；另外实验段不同位置的表面传热系数不同，烧干先在上端发生，然后逐渐向

2、下端发展。关键词：超导磁体;热虹吸管;两相氨流;传热系数;作者简介：张宝堂(1992-),男，硕士生，研究方向为超导磁体冷却系统。收稿日期:2017-08-21基金：中国科学院高能物理研究所创新基金(2016YFB0601101)资助Experimentalstudyofasmall-sizedHeIthermosyphonforthedetectorsuperconductingmagnetoftheCEPCZhangBaotangWangMeifenWangHengZhuZianLiWenshuangLiuXuyangM

3、uZhihuiSchoolofEnergyandEnvironment,UniversityofScienceandTechnologyBeijing;InstituteofHighEnergyPhysics,ChineseAcademyofScience;Abstract：Inthebackgroundofthecryogenicthermosyphoncoolingsystemdesignofacircularelectronpositroncol1ider(CEPC)largedetectorsupcrconducti

4、ngmagnctunderconceptueilphaseatIIIEP-China,buildingatwo-phaseHeInaturalcirculationloop,heliumwasusedastheworkingfluid,toinvestigatetheheatandmasstransfercharacteristicsexperimentally.Thepressureandtemperatureasafunctionofheatfluxweremeasuredandtheheattransfercoeffi

5、cientwerecalculatedattheworkingposition.Itturnsoutthatfallingratiohasasignificeinteffeetonthermosyphoncoolingcirculation,underasuitablefillingratioof4055%,thesystemwouldworknormally.Otherwiseheattransfercoefficientvariesatdifferentpositionoftube,boilingcrisisorigin

6、atesintheupperfirstly,thendeveloptotheentranee.Keyword：Superconductingmagnet;Thermosyphon;Two-phasehelium;Heattransfercoefficient;Received：2017-08-211引言低温超导材料广泛应用在高磁场线圈结构中，磁体线圈一般冷却到液氨温度才能实现超导。对于冷却方式，主要有三种:浸泡冷却；两相迫流冷却；两相自然对流冷却山。目前，热虹吸管的两相自然对流冷却方式因小温差、无需外加驱动力等优点，越来越多

7、的研究机构青睐这一方式冷却大型的超导磁体线圈。国内外大型探测器超导磁体，如CMS、MICE、ATLAS等均采用虹吸冷却的方式宜。中国未来建造的环形正负电子对撞机(CEPC)大型探测器，其内部需要能够产生磁场强度为3.5T的均匀轴向磁场。探测器磁体的冷质量约为165吨，杜瓦的室温孔径为6.8m,轴向长度为8.05m,也拟采用虹吸间接冷却方式将系统冷却到液氨温度［3］。已有研究者针对低温虹吸冷却循环回路的传热传质特性进行了一些研究比Z1，包括充注率的大小、工作流体、沸腾的变化规律(单相对流和两相沸腾)、单管路、平行多管路等。传热

8、特性是设计和计算虹吸冷却循环系统的关键部分，和比于单相传热，相变沸腾传热更加复杂，包括对流换热和沸腾换热两部分。基于流动沸腾的两种换热机理，RohsenowWM和ClarkBB[8]提出了强迫对流和池沸腾共同作用的流动沸腾壁面热流量计算公式。ShahM回和KandlikaS[10]通过在单