熱物理在超導磁體中的應用AA

熱物理在超導磁體中的應用袁金輝2014.06熱力學基本定律低溫流體特性低溫與超導低溫物性傳熱基本方式及原理超導磁體低溫保持器超導MRI用低溫制冷機超導磁體冷卻和降溫超導磁體低溫設計要點主要內容熱力學基本定律低溫流體特性低溫與超導低溫物性傳熱基本方式及原理超導磁體低溫保持器超導MRI用低溫制冷機超導磁體冷卻和降溫超導磁體低溫設計要點熱力學第零定律-熱平衡、溫度、溫度測量1.可以通過使兩個體系相接觸，并觀察這兩個體系的性質是否發(fā)生變化而判斷這兩個體系是否已經達到熱平衡。2.當外界條件不發(fā)生變化時，已經達成熱平衡狀態(tài)的體系，其內部的溫度是均勻分布的，并具有確定不變的溫度值。3.一切互為平衡的體系具有相同的溫度，所以一個體系的溫度可以通過另一個與之平衡的體系的溫度來表示，也可以通過第三個體系的溫度來表示。絕熱壁導熱壁溫度的定量及溫標熱力學第一定律----能量守恒與轉換定律自然界一切物體都具有能量，能量有各種不同形式，它能從一種形式轉化為另一種形式，從一個物體傳遞給另一個物體，在轉化和傳遞過程中能量的總和不變。熱力學第一定律是對能量守恒和轉換定律的一種表述方式閉口系：ΔU=U2-U1=Q-W；Q=ΔU+W開口系：Q=ΔH+Δmv2/2+mgΔz+W熱力學第二定律—能量貶質不可能把熱從低溫物體傳到高溫物體而不產生其他影響，或不可能從單一熱源取熱使之完全轉換為有用的功而不產生其他影響。蘋果可以自由落體到地面；但不可能自發(fā)從地面重回手中，除非需要人撿起來，撿的過程需要做功。打桌球時，人可以依靠一桿發(fā)球把整齊的球打散，卻不可能一桿把全桌散亂的球打回整齊排列的狀態(tài)。即熱量總是自發(fā)地從高溫熱源流向低溫熱源對于熱量來講，溫度越高，品質越高對于冷量來講，溫度越低，品質越高寒冷的冬天人們喜歡呆在溫度較高的暖和地方炎熱的夏天人們喜歡呆在溫度較低的涼爽地方？熱力學第二定律----能量品質熱力學第三定律----0(K)可欲不可求在任何自發(fā)過程中，熵總是增加，在絕熱可逆過程中，熵等于零。在絕對零度（－273.16℃），任何完美晶體的熵為零；稱為熱力學第三定律。絕對零度不可達到，這個結論稱做熱力學第三定律現代科學可以使用絕熱去磁的方法達到5×10-10K，但永遠達不到0(K)但它鼓勵人們想方設法盡可能接近絕對零度（－273.16℃）T(K)=T(℃)+273.16物體溫度可以到-300℃說法對否？物體溫度可以到-10K說法對否？

0K能量守恒與轉換定律之超導磁體升降場電纜（電流引線）電能=UIt磁能＝LI2/2焦耳熱=I2Rt升場降場磁能＝LI2/2焦耳熱=I2Rt磁體線圈上述焦耳熱通過空氣對流，傳熱到周圍環(huán)境中。電源/（卸能電阻）能量守恒與轉換定律之超導磁體失超1磁能＝LI2/2熱能＝I2Rt液氦沸騰換熱1.5T磁體總電感L30.2HLHe汽化潛熱汽化顯熱4K容器頂部氦氣溫度總磁能Q4.24MJ1.73MJ6.75K滿場530A失超

LHe

970L2.51MJ121kg磁體線圈根據理論計算，失超時線圈溫度最高可達80K，此時與液氦發(fā)生什么換熱現象？在載流能力及背景場強已確定的情況下，微小的熱量～10-3J(mJ)將導致線圈的迅速溫升，直至T>Tc，線圈失超。這是因為在4.2K溫區(qū)超導線的比熱非常?。▇10-4J/g.K)。Q=m.Cp.ΔΤ=m.Cp.(T-4.2)1mJ的能量是多少？？？？1瓦的燈泡工作0.001秒能量守恒與轉換定律之超導磁體失超2熱量-功-內能的單位：焦耳1公斤1公斤0.1米，10厘米1J（焦耳）如果用時1s，那么平均功率就是1W超導磁體失超時的沸騰換熱核態(tài)沸騰曲線最大核態(tài)沸騰熱通量膜態(tài)沸騰曲線最小膜態(tài)沸騰熱通量超導磁體失超時的沸騰換熱熱力學基本定律低溫流體特性低溫與超導低溫物性傳熱基本方式及原理超導磁體低溫保持器超導MRI用低溫制冷機超導磁體冷卻和降溫超導磁體低溫設計要點常見低溫流體特性常見低溫流體特性LHe----危險品國際代碼UN1963低溫冷凍液體非易燃無毒氣體窒息性氣體無色無味危險品類別2.2價格昂貴、特殊商品儲存？運輸？包裝？Density:125g/litreat4,2KHeatofevaporation:Lvap=20,7J/gverylow1wattevaporates1.4L/hourliquid(65timesmorethannitrogen)Correspondenceliquid/gas:1Lliquid750LgasNTPtripleHelium物性Helium物性---比熱Helium物性---粘性、熱導率、普朗特數LHe@4.2K的瞬態(tài)傳熱熱力學基本定律低溫流體特性低溫與超導低溫物性傳熱基本方式及原理超導磁體低溫保持器超導MRI用低溫制冷機超導磁體冷卻和降溫超導磁體低溫設計要點低溫物理與超導1低溫物理與超導2低溫物理與超導3超導體實現超導三要素：T-溫度<TcJ-電流密度<JcB-磁場強度<Bc一類超導材料二類超導材料-LowTc二類超導材料-HighTc熱力學基本定律低溫流體特性低溫與超導低溫物性傳熱基本方式及原理超導磁體低溫保持器超導MRI用低溫制冷機超導磁體冷卻和降溫超導磁體低溫設計要點材料在低溫下的熱收縮率材料在低溫下的熱收縮率-續(xù)純金屬（Cu）的熱導率隨溫度變化曲線純金屬（Cu）的電阻率隨溫度變化曲線不同材料熱導率合金材料電阻率各種低溫用材料的比熱對于脆性材料:σu≈σy;對于易延展材料:σu>σy4K4K各種低溫用材料機械性能Table2.9showsthefigureofmeritforseveraldifferentmaterialsasafunctionoftemperature.NotethatthehighestFOMisforG-10compositeduetoitsrelativelyhighstrength.Ontheotherhand,clearlypurecopperisnotsuitableforstructuralapplications.4K各種低溫用材料機械性能熱力學基本定律低溫流體特性低溫與超導低溫物性傳熱基本方式及原理超導磁體低溫保持器超導MRI用低溫制冷機超導磁體冷卻和降溫超導磁體低溫設計要點熱量傳遞的基本方式對流導熱輻射傳導常見材料熱傳導屬性對流1Q=hAΔΤ真空層的氣體導熱4K容器內的沸騰換熱制冷機降溫冷卻對流換熱液氦蒸發(fā)排氣時對流換熱對流2真空層氣體導熱1真空層氣體導熱2輻射1輻射2輻射3-MLI熱力學基本定律低溫流體特性低溫與超導低溫物性傳熱基本方式及原理超導磁體低溫保持器（恒溫器）超導MRI用低溫制冷機超導磁體冷卻和降溫超導磁體低溫設計要點人體正常體溫平均在36～37℃之間（腋窩），超出這個范圍就是發(fā)熱，38℃以下是低熱，39℃以上是高熱。正常人的體溫相對恒定的，人體內有一套產熱和散熱的自動調控裝置，它由下丘腦的體溫調節(jié)中樞和皮膚、內臟的許多溫度感受器組成。當人感到冷或熱時，信號由神經系統(tǒng)傳入，下丘腦的體溫調控“司令部”很快下達指令，使有關系統(tǒng)如肌肉、內臟器官、皮膚、毛細血管、汗腺等全部啟動起來，各司其職，有序地進行體溫調控，盡量使體溫保持在恒定范圍。比如，當環(huán)境溫度下降和寒冷刺激時，肌肉就會收縮發(fā)抖（打冷戰(zhàn)），使產熱增加；天熱時，人體就會排汗，利用水分蒸發(fā)來散熱。把溫度上限“設定”在37℃，同樣是進化的選擇?？茖W家認為，是人體自身新陳代謝水平和地球環(huán)境溫度之間的平衡，決定了37這一恒定體溫。恒溫器（體）---人體、動物38～39℃36～37℃熱力學第二定律不可能把熱從低溫物體傳到高溫物體而不產生其他影響，或不可能從單一熱源取熱使之完全轉換為有用的功而不產生其他影響。蘋果可以自由落體到地面；但不可能自發(fā)從地面重回手中，除非需要人撿起來，撿的過程需要做功。打桌球時，人可以依靠一桿發(fā)球把整齊的球打散，卻不可能一桿把全桌散亂的球打回整齊排列的狀態(tài)。即熱量總是自發(fā)地從高溫熱源流向低溫熱源低溫保持器---恒溫器ImagingVolumeBore4KHeliumVessel4KColdheadPrimaryCoilActiveShieldCoil50KThermalShieldHeliumFillPortVacuumChamber300KOVC50K冷屏---低溫保持器4K液氦容器---低溫保持器300K容器---恒溫器WhycangetZEROBoilOffby4Kcoldhead?300K50K4.2KHighTemperatureLowTemperatureHeatTransfer2ndstage:4K1ststage:<50KLowerTemperature低溫保持器---傳熱4KvesselwithLHeQinQoutTakenby4Kcoldhead1W@4KSuppliedby50KheatsourceQin≦Qout，ZeroBoilOffQin﹥Qout，BoilOff液氦灌（4K低溫保持器---恒溫器）“50K”ShieldQinQoutMosttakenbycoldhead50Kstage:Qc1Suppliedby300KheatsourceQin=Qout=Qc1，Shieldtemperaturestable50K冷屏（50K低溫保持器---恒溫器）LHeOVC(valve)(burstdisk)HeliumVessel0-3psi(KF16blank)(close)(open)Pressuregauge0~3psi低溫系統(tǒng)示意圖1Compressor4K

ColdHeadLHeLevelCoil

Temp.TedEMRU…50K

ShieldTemp.Pressure

TransducerPressure

Heater4KMMUWaterInWateroutPowerInHeliumGasSupplyHeliumGasReturnColdHeadPowerCableZBOMagnetPressureSwitchCompressorStatus低溫系統(tǒng)示意圖2ZBOor4KmagnetdesignedboiloffrateisZEROHowtocarryout?Q1:ColdHead2ndStage(4K)CoolingCapabilityQ2:Systemstablized:

PressureHeaterAveragePower

Q3:

systemstablized,Q1=Q2+Q3

Q2=Q1-

Q3ReconMargin(Re-condensingMargin)ZeroBoilOffand4KVesselQ1Q3LHeColdHead2ndstage(4K)Q2ColdHead1ststage(50K)HeaterMagnetPressure:0~3psig50KThermalShieldHeatloadtoHeliumvessel,Conduction,ConvectionandRadiation,Andothers(heatloadfromnecktubeandunisock,Suspensionrod…)

OnlyifQ1≥Q3,BoiloffratecanbeZEROZeroBoilOff（零蒸發(fā)原理）熱力學基本定律低溫流體特性低溫與超導低溫物性傳熱基本方式及原理超導磁體低溫保持器（恒溫器）超導MRI用低溫制冷機超導磁體冷卻和降溫超導磁體低溫設計要點制冷系數：ε=Qc/W=1W/6.5KW=1/65001W@4K壓縮機輸入功率~6.5KW低溫制冷機工作示意圖對于熱量來講，溫度越高，品質越高對于冷量來講，溫度越低，品質越高寒冷的冬天人們喜歡呆在溫度較高的暖和地方炎熱的夏天人們喜歡呆在溫度較低的涼爽地方？能量品質能量品質熱量-功-內能的單位：焦耳1公斤1公斤0.1米，10厘米1J（焦耳）如果用時1s，那么平均功率就是1W熱力學基本定律低溫流體特性低溫與超導低溫物性傳熱基本方式及原理超導磁體低溫保持器（恒溫器）超導MRI用低溫制冷機超導磁體冷卻和降溫超導磁體低溫設計要點超導磁體冷卻磁體如何從300K冷卻至77K（LN2溫區(qū)）？磁體如何從300K冷卻至4K（LHe溫區(qū)）？在冷卻過程中如何降低能耗以及節(jié)省低溫液體的使用需考慮：常見流體冷卻溫區(qū)常見流體汽化潛熱低溫流體冷量利用汽化潛熱（潛熱＋顯熱）物理實驗室常規(guī)降溫方法降溫（冷卻）----移除物體內儲存的熱量超導磁體冷卻－低溫制冷機傳導冷卻不消耗低溫液體及氣體；只消耗電能；不方便更換冷頭，如需更換