액체 질소 과냉 순환 시스템 설비

액체 질소 과냉 순환 시스템 설비(SLNCS)는 저온영구자기파동기(CPMU)를 위한 핵심 주변 장치다.CPMU는 3세대 동기 방사 광원의 핵심 삽입물로서 액체 질소 온도 영역 (약 82K) 에서 작업하여 자기장 피크 (진공 내 파동기보다 30~50% 높음) 와 교착력 (50% 이상 증가) 을 향상시켜 더 높은 밝기의 X선 동기 방사 빛을 얻어야 한다.SLNCS는 안정적인 과냉액 질소 냉원을 제공함으로써 CPMU의 효율적인 운영을 보장하는 국제 동시 방사선 광원 분야의 중요한 기술 장비이다.

2. 핵심 성능 지표

1. 온도 제어: 과냉 액체 질소 수출 작업 온도 78~80K, 온도 제어 정밀도 ± 0.2K, 수출입 온도차 ≤ 3K, CPMU 자기 온도 안정 확보.

2. 유량 조절: 작업 체적 유량 9.7L/min, 조절 범위 2.0~19.4L/min, 액체 질소 펌프 주파수 변환기를 통해 서로 다른 열 부하 수요에 유연하게 적응할 수 있다.

3. 압력 제어: 작업 압력 0.3MPa (표압), 조절 범위 0.15~0.5MPa, 압력 파동 ≤±7.5kPa, 액체 질소 단상 과냉 상태 안정을 보장한다.

4. 냉방 능력: 최대 1300W 냉방 기능을 제공하여 CPMU의 높은 부하 시 발열 요구 사항을 충족합니다.

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액체 질소 과냉 순환 시스템 설비

3. 시스템 구성과 작업 원리

1. 전체 구조

• 저온 냉동함: 시스템 핵심, 냉량 공급 및 순환 동력 부품 통합, 냉동 상자 두바, 액체 질소 펌프, 과냉 환열기, 자동 압력 제어 장치 등.

• 밸브 박스: 유량 조절과 예비 기능을 책임지고, 저온 밸브를 통해 액체 질소 분배를 제어하며, 냉동 상자가 고장났을 때 예비 액체 질소 소스로 전환할 수 있으며, CPMU의 지속적인 운행을 보장한다.

• 진공 단열 파이프: 냉동 상자, 밸브 상자, CPMU를 연결하여 냉량 손실을 줄이고 저온 전송 효율을 확보합니다.

2. 워크플로우

1. CPMU에서 흘러나온 회온 과냉 액체 질소는 진공관을 통해 냉동고에 들어가 액체 질소 펌프로 압력을 증가시킨다;

2. 증압 후의 액체 질소는 과냉 환열기에 들어가 냉동함 두바 내의 상압 액체 질소와 환열하여 과냉 상태(78~80K)를 회복한다;

3. 과냉액질소는 밸브박스의 조절을 거친 후 CPMU로 유입되어 자기체의 열을 흡수한다;

4. 열을 흡수한 액체 질소는 냉장고로 돌아가 순환을 완성한다.

4. 핵심 구성 요소 설계

1. 쿨박스 두바 밸브 상자

• 콜드 박스는 액체 질소 순환 시스템의 핵심이며 모든 중요한 부품이 콜드 박스에 통합되어 있습니다.밸브박스의 역할은 쿨박스가 제공하는 과냉액질소를 분배하여 밸브박스의 각 저온밸브의 열림과 닫기를 통해 CPMU에 공급하는 과냉액질소량이 적합한 값에 있도록 조절하는 것이다.이와 동시에 밸브상자는 랭상자가 고장났을 때 CPMU에 상압액질소와 기액을 서로 분리하는 역할을 제공할수 있으며 순환에 진입하는 것을 단상류로 보장하여 CPMU의 림시저온운행작업을 제공할수 있다.

• 쿨 박스는 쿨 박스 듀와 상단 덮개 패널 구성 요소로 구성되어 있습니다.상단 덮개판 부품은 상단 덮개판, 과냉 환열기, 액체 질소 펌프, 자동 압력 제어 장치, 제어 밸브, 압력 온도 측정 센서 및 기타 안전 부품으로 구성되어 있다.밸브 상자는 주로 진공 용기, 저온 공기압 밸브, 수동 저온 밸브, 연결 파이프 및 기타 안전 측정 부품으로 구성되어 있다.쿨 박스 및 밸브 박스 3D 설계 그림 4와 같이 3.1 쿨 박스 듀바

• 냉동함 두바는 진공 단열 광구 두바 구조로, 두바 내에 일정량의 상압 액체 질소를 담고, 상압 액체 질소의 증발을 통해 시스템에 냉량을 제공한다.내통 설계 작업 압력은 0.25MPa, 재료는 SUS304, 크기는 850mm, 두께는 2mm, 하단은 봉투 구조이다.메자닌은 진공이고 외통은 0.1MPa의 외압을 견디며 재료는 SUS304이고 설계계산 및 ANSYS 시뮬레이션을 거쳐 크기는 950mm, 두께는 4mm이며 밑부분은 봉두구조이다.

• 기능: 상압 액체 질소를 저장하여 과냉 환열기에 냉원을 제공한다.

2. 자동 압력 제어 장치

• 자동 압력 제어 장치는 액체 질소 순환 시스템의 핵심 부품인 전체 순환 시스템의 순환 압력이 여기서 발생하고 제어되어 순환 액체 질소를 단상류의 과냉 상태에 처하게 한다.자동 압력 제어 장치는 압력 제어 용기, 보액 밸브 및 방기 밸브, 가열 장치, 압력 측정 및 제어, 인압 파이프와 안전 부품을 포함하며, 자동 압력 제어 장치에는 일정한 압력을 유지해야 한다.이 압력은 반드시 회류액질소의 포화증기압보다 훨씬 높아야만 회류액질소가 너무 차가워 기포가 생기지 않도록 보장할수 있다.자동제어장치에는 가열기가 설치돼 용기의 액체질소를 가열해 자동제어장치에서 높은 압력을 유지하고, 자동제어장치는 파이프를 통해 순환시스템과 연결돼 압력을 순환시스템으로 전달하며 압력은 0.15~0.5MPa(표압)로 그에 대응하는 포만과 온도는 86~96K다. 정상 작동 압력은 0.3MPa(표압)이다.
  

• 순환 과정에서 일정한 시스템이 누출되기 때문에 순환 시스템의 액체 질소는 서서히 감소한다.자동 압력 제어 장치에서 액체 질소가 설정 값으로 감소할 때 (액면계가 모니터링) 액체 질소 저장 슬롯이 자동 압력 제어 장치 내에 액체 질소를 보충하도록 제시한다.압력조절용기의 설계작업압력은 0.15~0.5MPa, 상용작업압력은 0.3MPa, 설계내압은 1.0MPa이다.재료는 SUS304이고 용량은 18L입니다.

• 구성: 18L 압력 제어 용기 (SUS304 재질, 내압 1.0MPa), 보액/방기 밸브, 가열 장치 및 압력 센서 포함.

• 원리: 용기 내 액체 질소를 가열하여 0.15~0.5MPa 압력(상용 0.3MPa)을 유지하고 순환 액체 질소를 단상 과냉 상태로 확보한다.액위가 설정치보다 낮을 때 자동으로 수액을 보충하여 시스템의 안정을 보장한다.

3.저온 액체 질소 펌프

• 모델 선택: 미국 Barber-Nichols Inc의 BNCP-30G000형 원심 분리 펌프를 사용하여 인버터로 트래픽을 조절할 수 있습니다.

• 성능: 최대 유량 33L/min, 최대 양정 43m 액체 질소 기둥, 시스템 63kPa 총 저항 (연정 저항 49kPa + 국부 저항 14kPa) 을 극복하고 유량 조절 수요를 만족시킬 수 있다.

4.과냉환열기

• 재료 및 구조: 자동관(25×2)은 나선형판관으로 만들어지며 길이는 27.6m(1.3배의 여유 포함), 나선형직경은 800mm로 총 11바퀴이다.

• 성능: 환열면적 1.429m², 관내 고압액질소와 관외 상압액질소의 고효률환열, 수입온도 83K, 수출온도 80K, 3K 환열온도차요구를 만족시킨다.

5. 테스트 검증과 신뢰성

• 압력 안정성: 24h 압력 파동 ≤ 2kPa (제압 용기 액위 30%~40% 시 양호), 오프라인 테스트 압력 파동은 1.825kPa에 불과하다.

• 온도 및 유량: 수출입 온도차 <3K, 온도조절 정밀도 ±0.2K, 유량 조절 범위는 2.0~19.4L/min을 커버한다.

• 장애 이중화: 예비 시스템은 콜드박스 장애 시 원활하게 전환되므로 CPMU가 중단 없이 작동합니다.

6. 응용가치