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HL-2M环形低温泵的概念设计

作　者: 刘杰
导　师: 陈焕新；刘德权
学　校: 华中科技大学
专　业: 制冷及低温工程
关键词: 偏滤器抽气系统环形低温泵热力计算结构分析氦制冷循环
分类号: TB65
类　型: 硕士论文
年　份: 2008年
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内容摘要

偏滤器抽气系统是托卡马克装置重要组成部件,其作用是排除氦灰、未反应的燃料气体及杂质粒子,提高偏滤器性能。目前,世界先进托卡马克装置的偏滤器抽气系统大多数使用低温泵,其大大提高偏滤器的性能,并使等离子体密度得到更有效的控制。HL-2A装置将进行改造(HL-2M),需要设计一套内置式环形低温泵。本文给出了环形低温泵结构设计、热力计算、供冷系统、电磁场及结构应力的有限元分析。HL-2M环形低温泵是特殊抽气面的制冷机低温泵,由一系列的圆管组成,根据狭窄通道沸腾理论,采用内外套管形式来增强气液两相氦的换热,外管的外表面为低温冷凝面,液氦在内外管中间进行沸腾换热,冷却冷凝面。为了减小冷凝面的温差,提高抽气性能,在内管的顶部设置一些小切缝。对低温泵的换热系数、挡板流导以及低温泵有效抽速等进行计算及分析,通过计算得到泵的有效抽速可以满足要求。本文的另一个重点是液氦系统热负荷的计算,环形低温泵所在的真空室内设置许多线圈,这些线圈及等离子体电流是变化的,因此,将在泵上产生感应电流,从而生成焦耳热,通过简化模型,给出了焦耳热的具体计算。为了进一步验证低温泵结构设计的合理性,通过有限元法对低温泵在等离子体放电时的电磁场及温度场进行分析。由于等离子体破裂时,在低温泵上产生很大的感应电流,对泵造成很大的电动力,该力主要作用在泵的支撑结构上。文中首先计算泵的电动力,然后通过电磁场与结构的耦合,得到支撑的结构应力在许用应力范围内。最后,给出了低温泵供冷系统的设计,设计一套带有透平膨胀机的氦制冷循环,经过两次压缩、两次膨胀后通过透平膨胀机的节流获得4.3K液氦。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-8
1 绪论  8-18
  1.1 托卡马克装置中的偏滤器  8-10
  1.2 偏滤器抽气  10-12
  1.3 低温泵在偏滤器抽气中的应用  12-15
  1.4 HL-2M 中的环形低温泵  15-18
2 低温泵的基本原理及设计要求  18-25
  2.1 低温冷凝泵的原理及发展  18-21
  2.2 环形低温泵的特点  21-22
  2.3 HL-2M 环形低温泵的设计要求  22-25
3 HL-2M 环形低温泵参数指标的确定  25-33
  3.1 冷源和工作温度的确定  25-26
  3.2 抽速的计算  26-28
  3.3 极限真空度  28-30
  3.4 泵的排气容量  30-31
  3.5 泵的再生系统  31-33
4 HL-2M 低温泵的结构设计  33-49
  4.1 HL-2M 环形低温泵的总体设计考虑  33-34
  4.2 冷凝面的设计及计算  34-38
  4.3 挡板及热屏障的设计  38-42
  4.4 泵体的支撑及连接结构的设计  42-45
  4.5 泵的材料选择  45-49
5 HL-2M 环形低温泵的结构分析计算及热负荷计算  49-65
  5.1 液氦在管内的换热  49-52
  5.2 低温泵流导及有效抽速的计算  52-53
  5.3 低温泵热负荷的计算及分析  53-65
6 低温泵的电磁场及应力分析  65-77
  6.1 低温泵稳态运行时的电磁场和温度场分析  65-68
  6.2 等离子体破裂  68-70
  6.3 电动力  70-71
  6.4 破裂时低温泵支撑的应力分析  71-77
7 泵的供冷系统  77-82
  7.1 低温泵的供冷系统  77-78
  7.2 供冷系统的热负荷  78-79
  7.3 制冷循环系统的设计及计算  79-82
8 总结与结论  82-83
致谢  83-84
参考文献  84-89
附录1 攻读学位期间发表论文  89

HL-2M环形低温泵的概念设计

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