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摘 要

最近这些年，出现了很多高临界温度的超导材料，利用低温氦气去冷却高温超导磁铁的这种冷却系统有了更好的应用前景。对低温的研究也有了进一步的发展，低温技术的发展衍生了超导射频技术、超高真空技术、超导技术等等的应用技术。在物性研究领域也有很重要的建树，物质在低温会出现超导、电子相变等，这种性质也是当下研究的热门方向，研究低温极端条件下有很多的研究空间。要发展德布罗意波光学、超冷原子物理学等新兴的学科就要对超低温系统进行开发和研制。本文设计了基于液氮预冷的氦气循环冷却系统，对冷却过程进行热力计算并设计选型，结果表明，利用液氮预冷的冷却方式是科学的，不影响整个冷却系统的循环。

本文首先分析了几种物质冷却方案的对比，选择了比较经济的液氮预冷，确定了本文的冷却方案。通过热力计算，设计出适合本文的低温循环泵的参数，对叶轮直径、叶片数等等进行计算选择，还通过对比选出最适合的叶轮比转速，选取最合适的比转速，完成对低温循环泵的选型。

接着对换热器的形式作出选择，采用多通道换热器，根据已知数据对换热器进行设计计算，利用数学迭代，采用Excel计算功能求出不同方案，分析几种方案，对换热器方案进行最优选型。

然后对循环过程低温循环泵泵热力损失、接头漏热、管道沿程阻力换热损失进行热力计算，对降温部件的换热进行分析，分析冷却磁铁部分的热力过程，利用数学公式迭代，Excel验证降温时间，并且绘制出整个降温曲线图。

最后对整个计算过程进行整理，利用CAD绘制系统示意图，完成为液氮预冷的氦气循环系统实验作好数据依据。

关键词：液氮预冷；低温循环过程；低温循环泵；多通道换热器；降温过程

Abstract

In recent years, with the emergence of superconducting materials with high critical temperature, the cooling system of high temperature superconducting magnets using cryogenic helium gas with higher than liquid helium temperature has a wide application prospect. The study of cryology gradually developed a whole set of cryogenic refrigeration technologies, followed by ultra-high vacuum technology, superconducting technology, high-strength magnetic field technology, superconducting radio frequency technology and other application technologies. Low temperature technology also play an important role in the field of physical research, under the low temperature superconducting orderly, electronic, magnetic material of phase transformation, such as low temperature under the condition of extreme physical property research is the current hot spot. The development and development of the ultra-low temperature system have laid a technical foundation for the formation and development of the new academic fields such as ultra-cold atomic physics and DE Broglie spectroscopy. In this paper, a helium circulating cooling system using liquid nitrogen was designed, and the related thermal calculation was carried out. The results show that the liquid nitrogen precooling method is scientific and does not affect the circulation of the whole cooling system.

This paper first analyzes the comparison of several material cooling schemes, selects the economical liquid nitrogen precooling, and determines the cooling scheme in this paper. Through thermodynamic calculation, the design is suitable for the low temperature in this paper, the parameters of the circulating pump, the impeller diameter, leaf number calculation and selection, and so on, also choose the most suitable for specific speed impeller by comparison and select the most appropriate specific speed, complete selection of low temperature circulation pump.

Then choose to the form of heat exchanger, the use of multi-channel heat exchanger, heat exchanger design calculation according to the known data, and using mathematical iteration, using Excel computing functions find out different scheme, analysis of several schemes, the optimum scheme of the heat exchanger type.

Then the circulation process of low temperature circulation pump leakage heat pump heat loss, joint, pipeline resistance heat loss along the thermodynamic calculation and analysis of heat transfer of cooling, cooling magnet part of the thermal process, using a mathematical formula iteration, Excel validation of temperature and time, and draw the whole cooling curve.

Finally, the whole calculation process was sorted out and CAD was used to draw the system diagram to complete the data basis for the experiment of liquid nitrogen precooling helium circulation system.

KEY WORDS: Liquid nitrogen precooling; Cryogenic cycle; Low temperature circulating pump; Multichannel heat exchanger; The cooling process

目录

摘要 I

Abstract II

第一章 绪论 2

1.1研究背景 2

1.2研究历史 2

1.3低温技术 3

1.4本文的主要研究内容 4

1.4.1冷却方案 4

1.4.2.预冷方式 5

1.4.3本文的主要工作 5

1.4.4系统组成 6

1.5本章小结 6

第二章 低温离心泵的设计 7

2.1引言 7

2.2设计计算 7

2.2.1已知条件 7

2.2.2主要结构参数的确定 8

第三章 换热器的设计 13

3.1引言 13

3.1.1、换热器材料的选择 13

3.1.2、冷头换热器形式的选择 13

3.2、换热器的设计计算 13

第四章 低温系统降温过程计算与结果分析 17

4.1各组成部件降温过程分析 17

4.1.1进气和管道 17

4.1.2低温循环泵 18

4.2低温系统降温过程计算与结果分析 18

4.3液氮消耗量计算 21

第五章 结论与展望 22

参考文献 23

致谢 25

绪论

1.1研究背景

什么是超导材料？我们把在特定低温下，电阻变成零和排斥磁力线的材料叫作超导材料。在上世纪末的时候，这种超导材料就已经被合成出来了，科学家对超导材料的研究使其被应用有了可能。但是由于超导材料的转变温度非常低，低到绝对零度附近，这个温度就很大程度上限制了它被广泛应用。目前对超导材料的研究主要是在高温还有低温领域，如果研究成功，超导材料将很大程度上改变我们的生活！

1.2研究历史

超导体材料独特的物理化学性质，可能会在各种领域得到很多我们想不到的应用。但是由于早期的超导体存在条件比较苛刻，超导体材料需要用液氮保持在很低的温度下才能存在。在过去这些年科学家们一直在研究超导高温领域的超导体材料，但是研究过程进步比较缓慢，比如研究水银温度在4.2k左右，科学家们经历了75年的时间才把温度提高到了23.22K,由此可见，高温领域超导体材料研究之艰难。

一开始超导材料的发现是一个叫昂尼斯的荷兰物理学家发现的。在1911年，他发现水银处在4.15K温度时，电阻没有随温度降低而降低，而是突然接近于零。昂尼斯经过反复试验终于相信了自己所得到的结论。后来他把这种现象即某些物质在温度降到极低接近绝对零度时候电阻不随温度变化反而变成零的现象称作超导现象，这些物质包括一些金属、合金和化合物。超导物质开始变为这种状态时的温度称为临界温度。在这之后，很多物质都被发现具有超导性，比如铅、铝、锌等等，还有很多合金、化合物。

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