M线圈的冷却水管的规划.pptx

1、HL-2M TF线圈的水冷管规划江嘉铭,1 纵场线圈的水管截面的设计,1 纵场线圈的水管截面的设计 1.1纵场线圈的圆管与椭圆管的压降 圆管的沿程水头损失： h = 2 2 （1） 上式中，d为圆管道的直径； 非圆管的沿程水头损失： h = 2 2 （2） = 4 2 + 上式中，为管道沿程阻力系数（柯列勃洛克公式）； de为非圆管道的当量直径； a、b为椭圆的长、短轴的轴长。,非圆管与圆管的比较： 当要求流体的通过圆管和通过椭圆管的流量相等，流速相等时；椭圆的截面积为： 1 = （3） 圆截面的面积为： 2 = 2 2 =ab 得出，相同流速和流量的椭圆管和圆管的当量直径的关系为： 2 即，

2、公式(1)和(2)中的只跟雷诺数有关，椭圆管与圆管基本一致，因 2，椭圆管的流体压降比圆管稍大。,1.2纵场线圈的椭圆管与圆管的换热分析,图中的为管道的换热面,管道的换热为： h= （4） = () 因为Nu是流体状态的一个函数，而椭圆管和圆管是一样的，所以椭圆管和圆管的换热系数基本一致。 换热面积：,椭圆换热面积： = 2 = + 2 （5） 圆管的换热面积： = 2 =rl （6） 因为设计的标准是流速和流量相等，那么管截面积也得相等，有 2 =,带入上式（6）中，得出： 所以得出一个结论，椭圆管比圆管在同等条件下，有流阻小，换热效果好等优点；但是椭圆管不能承受很高的水压，不便于加工和安装

3、。,纵场线圈的椭圆管与圆管的换热分析,根据布拉修斯公式得出管道的流阻系数： = 0.3164 0.25 线圈与冷却水的换热计算公式： h = 2 上式中，因h与Re有关系，那么不同的流速和截面积得出的h不同，根据上式，我们得出一匝线圈的平均温度； 为线圈的平均温度， 为冷却水的平均温度，为纵场线圈的加载电流,为了计算纵场线圈的极限发热，电流取最大140kA，持续14s不变，这样计算的发热就是极限发热量 。 下面是欧姆电阻的计算值，计算纵场TF线圈的极限电流载荷情况下的绝对温升，,R= ,取最窄的面积为1.1 10 2 2,根据l=18m,R=2.83 10 5 ,= 2 R=555kW,那根据

4、铜的比热为390J/(kg C),14s的绝对温升为：61.5 C,那么不加水冷的绝对温度为81.5 C,在水管截面积为64 mm2，经理论分析得出，椭圆管的单位长度的压降稍大，最大0.097MPa/m，但是椭圆管散热的线圈平均温度要比圆管散热的线圈低，最低为70.3C,线圈施加电流140kA，持续14s，冷却水持续以表格中的流速冷却线圈，根据线圈的极限发热和换热，得出冷却14s时的线圈温度。,简化的TF模型,这个TF模型由七匝组成了一饼线圈，每匝线圈是串联的，每匝之间留出了绝缘材料的间隙，水管槽也抠掉了，能比较真是反应TF线圈的真实热载荷。,最高温度为57C，中心柱的温度比较集中，上、下拐角

5、处温度最高，最高温度与邻近温差较小，热应力不会集中，因此，我下面主要是对中心柱的冷却水路进行优化。,TF线圈绝对温度,TF线圈绝对温度,最高温度为55.4C，中心柱的温度比较集中，上、下拐角处温度最高，最高温度与邻近温差较小，热应力不会集中，因此，我下面主要是对中心柱的冷却水路进行优化。,TF线圈绝对温度,最高温度为62.9C，中心柱的温度比较集中，上、下拐角处温度最高，最高温度与邻近温差较小，热应力不会集中，因此，我下面主要是对中心柱的冷却水路进行优化。,TF线圈内直段局部的优化方案,DIII-D的管道布置方案,优化方案1,优化方案2,此方案的水管布置有两个优点： 1、分三路冷却TF，每路的

6、流体相对独立，维持了冷却水流的稳定； 2、水温不会升的很高，线圈的冷却循环时间间隔短。 此方案的缺点: 1、外回路水管很多，空间布置困难。,此方案的水管布置有两个优点： 1、水温不会升的很高，线圈的冷却循环时间间隔短。 2、优化了DIII-D的外回路，减少了外回路的管道数量。 缺点： 1、可能会在三路水管的流速分布会出现波动。 2、分三路冷却TF，进出口的流量和压降大。,此方案的水管布置有两个优点： 1、分两路冷却TF，进出口的流量和压降小。 2、线圈的加工制造成本下降了，线圈的截面结构强度比较好。 优化了DIII-D的外回路，减少了外回路的管道数量。,DIII-D的方案 -TF线圈内直段局部

7、的热应力分析,TF内直段最大温度场分布,TF内直段线圈有三路冷却水管，冷却水的流速5m/s，加载最大电流在140KA，右图上、右图下分别为TF内直段线圈的温度分布和水管侧的压力加载。,TF内直段水管侧的压力加载,最高温度为44.16C，对应的最大无约束时的热变形为0.44mm；对TF内直段线圈施加全位移约束时，线圈的热应力分布，可见最大的热应力在冷却水管位置，最大应力值为53.5MPa，图中负值表示应力指向x轴负方向。,DIII-D的方案-TF线圈内直段局部的热应力分析,TF线圈内直段局部的优化方案,优化方案1,优化方案2,从上面的计算结构来看，两种优化方案的压降在各管的分叉处均匀，各分叉管的水流场相对稳定，没有出现局部的高压损和涡流压损，流场计算结果表明两种方案都可行。,欧姆线圈的水冷, 2 R= 2 2 2,为了避免重复建立欧姆有限元模型，欧姆1线圈优化的前后，只变了单匝线圈的截面积，根据上式，也就是改变了电阻和电流，,由于冷却水孔直径没变，为了能利用优化前的模型计算优化后的冷却效果，只需让优化前后的线圈发热量相等即可，根据欧姆定理，得出，优化后加载在欧姆原模型上的电流为：, 2 2 = 2 1 1 2,欧姆