熱物理在超導(dǎo)磁體中的應(yīng)用AA

熱物理在超導(dǎo)磁體中的應(yīng)用袁金輝2014.06熱力學(xué)基本定律低溫流體特性低溫與超導(dǎo)低溫物性傳熱基本方式及原理超導(dǎo)磁體低溫保持器超導(dǎo)MRI用低溫制冷機(jī)超導(dǎo)磁體冷卻和降溫超導(dǎo)磁體低溫設(shè)計(jì)要點(diǎn)主要內(nèi)容熱力學(xué)基本定律低溫流體特性低溫與超導(dǎo)低溫物性傳熱基本方式及原理超導(dǎo)磁體低溫保持器超導(dǎo)MRI用低溫制冷機(jī)超導(dǎo)磁體冷卻和降溫超導(dǎo)磁體低溫設(shè)計(jì)要點(diǎn)熱力學(xué)第零定律-熱平衡、溫度、溫度測(cè)量1.可以通過(guò)使兩個(gè)體系相接觸，并觀察這兩個(gè)體系的性質(zhì)是否發(fā)生變化而判斷這兩個(gè)體系是否已經(jīng)達(dá)到熱平衡。2.當(dāng)外界條件不發(fā)生變化時(shí)，已經(jīng)達(dá)成熱平衡狀態(tài)的體系，其內(nèi)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(gè)體系的溫度可以通過(guò)另一個(gè)與之平衡的體系的溫度來(lái)表示，也可以通過(guò)第三個(gè)體系的溫度來(lái)表示。絕熱壁導(dǎo)熱壁溫度的定量及溫標(biāo)熱力學(xué)第一定律----能量守恒與轉(zhuǎn)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(zhuǎn)化為另一種形式，從一個(gè)物體傳遞給另一個(gè)物體，在轉(zhuǎn)化和傳遞過(guò)程中能量的總和不變。熱力學(xué)第一定律是對(duì)能量守恒和轉(zhuǎn)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(xué)第二定律—能量貶質(zhì)不可能把熱從低溫物體傳到高溫物體而不產(chǎn)生其他影響，或不可能從單一熱源取熱使之完全轉(zhuǎn)換為有用的功而不產(chǎn)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(lái)，撿的過(guò)程需要做功。打桌球時(shí)，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?zé)嵩戳飨虻蜏責(zé)嵩磳?duì)于熱量來(lái)講，溫度越高，品質(zhì)越高對(duì)于冷量來(lái)講，溫度越低，品質(zhì)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(xué)第二定律----能量品質(zhì)熱力學(xué)第三定律----0(K)可欲不可求在任何自發(fā)過(guò)程中，熵總是增加，在絕熱可逆過(guò)程中，熵等于零。在絕對(duì)零度（－273.16℃），任何完美晶體的熵為零；稱為熱力學(xué)第三定律。絕對(duì)零度不可達(dá)到，這個(gè)結(jié)論稱做熱力學(xué)第三定律現(xiàn)代科學(xué)可以使用絕熱去磁的方法達(dá)到5×10-10K，但永遠(yuǎn)達(dá)不到0(K)但它鼓勵(lì)人們想方設(shè)法盡可能接近絕對(duì)零度（－273.16℃）T(K)=T(℃)+273.16物體溫度可以到-300℃說(shuō)法對(duì)否？物體溫度可以到-10K說(shuō)法對(duì)否？

0K能量守恒與轉(zhuǎn)換定律之超導(dǎo)磁體升降場(chǎng)電纜（電流引線）電能=UIt磁能＝LI2/2焦耳熱=I2Rt升場(chǎng)降場(chǎng)磁能＝LI2/2焦耳熱=I2Rt磁體線圈上述焦耳熱通過(guò)空氣對(duì)流，傳熱到周圍環(huán)境中。電源/（卸能電阻）能量守恒與轉(zhuǎn)換定律之超導(dǎo)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(chǎng)530A失超

LHe

970L2.51MJ121kg磁體線圈根據(jù)理論計(jì)算，失超時(shí)線圈溫度最高可達(dá)80K，此時(shí)與液氦發(fā)生什么換熱現(xiàn)象？在載流能力及背景場(chǎng)強(qiáng)已確定的情況下，微小的熱量～10-3J(mJ)將導(dǎo)致線圈的迅速溫升，直至T>Tc，線圈失超。這是因?yàn)樵?.2K溫區(qū)超導(dǎo)線的比熱非常小（~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(zhuǎn)換定律之超導(dǎo)磁體失超2熱量-功-內(nèi)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(shí)1s，那么平均功率就是1W超導(dǎo)磁體失超時(shí)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(dǎo)磁體失超時(shí)的沸騰換熱熱力學(xué)基本定律低溫流體特性低溫與超導(dǎo)低溫物性傳熱基本方式及原理超導(dǎo)磁體低溫保持器超導(dǎo)MRI用低溫制冷機(jī)超導(dǎo)磁體冷卻和降溫超導(dǎo)磁體低溫設(shè)計(jì)要點(diǎn)常見低溫流體特性常見低溫流體特性LHe----危險(xiǎn)品國(guó)際代碼UN1963低溫冷凍液體非易燃無(wú)毒氣體窒息性氣體無(wú)色無(wú)味危險(xiǎn)品類別2.2價(jià)格昂貴、特殊商品儲(chǔ)存？運(yùn)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(dǎo)率、普朗特?cái)?shù)LHe@4.2K的瞬態(tài)傳熱熱力學(xué)基本定律低溫流體特性低溫與超導(dǎo)低溫物性傳熱基本方式及原理超導(dǎo)磁體低溫保持器超導(dǎo)MRI用低溫制冷機(jī)超導(dǎo)磁體冷卻和降溫超導(dǎo)磁體低溫設(shè)計(jì)要點(diǎn)低溫物理與超導(dǎo)1低溫物理與超導(dǎo)2低溫物理與超導(dǎo)3超導(dǎo)體實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)三要素：T-溫度<TcJ-電流密度<JcB-磁場(chǎng)強(qiáng)度<Bc一類超導(dǎo)材料二類超導(dǎo)材料-LowTc二類超導(dǎo)材料-HighTc熱力學(xué)基本定律低溫流體特性低溫與超導(dǎo)低溫物性傳熱基本方式及原理超導(dǎo)磁體低溫保持器超導(dǎo)MRI用低溫制冷機(jī)超導(dǎo)磁體冷卻和降溫超導(dǎo)磁體低溫設(shè)計(jì)要點(diǎn)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(dǎo)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(dǎo)率合金材料電阻率各種低溫用材料的比熱對(duì)于脆性材料:σu≈σy;對(duì)于易延展材料:σu>σy4K4K各種低溫用材料機(jī)械性能Table2.9showsthefigureofmeritforseveraldifferentmaterialsasafunctionoftemperature.NotethatthehighestFOMisforG-10compositeduetoitsrelativelyhighstrength.Ontheotherhand,clearlypurecopperisnotsuitableforstructuralapplications.4K各種低溫用材料機(jī)械性能熱力學(xué)基本定律低溫流體特性低溫與超導(dǎo)低溫物性傳熱基本方式及原理超導(dǎo)磁體低溫保持器超導(dǎo)MRI用低溫制冷機(jī)超導(dǎo)磁體冷卻和降溫超導(dǎo)磁體低溫設(shè)計(jì)要點(diǎn)熱量傳遞的基本方式對(duì)流導(dǎo)熱輻射傳導(dǎo)常見材料熱傳導(dǎo)屬性對(duì)流1Q=hAΔΤ真空層的氣體導(dǎo)熱4K容器內(nèi)的沸騰換熱制冷機(jī)降溫冷卻對(duì)流換熱液氦蒸發(fā)排氣時(shí)對(duì)流換熱對(duì)流2真空層氣體導(dǎo)熱1真空層氣體導(dǎo)熱2輻射1輻射2輻射3-MLI熱力學(xué)基本定律低溫流體特性低溫與超導(dǎo)低溫物性傳熱基本方式及原理超導(dǎo)磁體低溫保持器（恒溫器）超導(dǎo)MRI用低溫制冷機(jī)超導(dǎo)磁體冷卻和降溫超導(dǎo)磁體低溫設(shè)計(jì)要點(diǎn)人體正常體溫平均在36～37℃之間（腋窩），超出這個(gè)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(duì)恒定的，人體內(nèi)有一套產(chǎn)熱和散熱的自動(dòng)調(diào)控裝置，它由下丘腦的體溫調(diào)節(jié)中樞和皮膚、內(nèi)臟的許多溫度感受器組成。當(dāng)人感到冷或熱時(shí)，信號(hào)由神經(jīng)系統(tǒng)傳入，下丘腦的體溫調(diào)控“司令部”很快下達(dá)指令，使有關(guān)系統(tǒng)如肌肉、內(nèi)臟器官、皮膚、毛細(xì)血管、汗腺等全部啟動(dòng)起來(lái)，各司其職，有序地進(jìn)行體溫調(diào)控，盡量使體溫保持在恒定范圍。比如，當(dāng)環(huán)境溫度下降和寒冷刺激時(shí)，肌肉就會(huì)收縮發(fā)抖（打冷戰(zhàn)），使產(chǎn)熱增加；天熱時(shí)，人體就會(huì)排汗，利用水分蒸發(fā)來(lái)散熱。把溫度上限“設(shè)定”在37℃，同樣是進(jìn)化的選擇。科學(xué)家認(rèn)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(dòng)物38～39℃36～37℃熱力學(xué)第二定律不可能把熱從低溫物體傳到高溫物體而不產(chǎn)生其他影響，或不可能從單一熱源取熱使之完全轉(zhuǎn)換為有用的功而不產(chǎn)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(lái)，撿的過(guò)程需要做功。打桌球時(shí)，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?zé)嵩戳飨虻蜏責(zé)嵩吹蜏乇３制?--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(xué)基本定律低溫流體特性低溫與超導(dǎo)低溫物性傳熱基本方式及原理超導(dǎo)磁體低溫保持器（恒溫器）超導(dǎo)MRI用低溫制冷機(jī)超導(dǎo)磁體冷卻和降溫超導(dǎo)磁體低溫設(shè)計(jì)要點(diǎn)制冷系數(shù)：ε=Qc/W=1W/6.5KW=1/65001W@4K壓縮機(jī)輸入功率~6.5KW低溫制冷機(jī)工作示意圖對(duì)于熱量來(lái)講，溫度越高，品質(zhì)越高對(duì)于冷量來(lái)講，溫度越低，品質(zhì)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(zhì)能量品質(zhì)熱量-功-內(nèi)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(shí)1s，那么平均功率就是1W熱力學(xué)基本定律低溫流體特性低溫與超導(dǎo)低溫物性傳熱基本方式及原理超導(dǎo)磁體低溫保持器（恒溫器）超導(dǎo)MRI用低溫制冷機(jī)超導(dǎo)磁體冷卻和降溫超導(dǎo)磁體低溫設(shè)計(jì)要點(diǎn)超導(dǎo)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(guò)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(shí)驗(yàn)室常規(guī)降溫方法降溫（冷卻）----移除物體內(nèi)儲(chǔ)存的熱量超導(dǎo)磁體冷卻－低溫制冷機(jī)傳導(dǎo)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