低温与超导抽真空获取1 8K超流氦方案分析以及真空泵抽速的预测陈煜，郑青榕，林文胜，鲁雪生，顾安忠（上海交通大学制冷与低温工程研究所，上海200030）根据上述简化原理及系统的能量守恒方程，终确定了可以预测抽真空过程He液体得率的计算方程：miAhu-hL2）+（hc1-hci）（mu-mL2）=r（mu-mL2）（上的mu、mL分别是杜瓦中初始状态和终状态的液体质量，hthu分别对应于4 8K的饱和液氦焓值，而hcPhra则分别是对应于42K和1.8K的饱和汽氦焓值，r是液氦在42K时的汽化潜热。根据杜瓦的容积以及HeI和He在上述温度下的物性参数，方程（1）可以求解，从而预知He液体得率。

　　1他七等人艮据後哝针对荔空C获取跑穿出了数学模型方程6即方呈的漏热以及容器内气相空间的焓变。对于He而言，有如下热力学关系式成立18对于液氦这种特殊的低温流体在HeI和He温区，定压比热与温度T之间的变化关系完全不同。

　　上为入点上的定压比热。方程（3）中多项式表达式的系数列于表1中。

　　表1HeI温区c；）与T多项式关系表达式系数蒸发潜热r与温度在HeI与He温区也表现出完全不同的变化关系，如所示。

　　Tiouton定律认为，蒸发潜热r与液体的常沸点温度之间的比率近似于常数，即方程（5）从以上两图的计算结果可以看出，Mironer模型得到的液体率大，从而所需要的真空泵的抽速小。三种模型之间的差异主要是由于其本身原理和假设条件的差异性所引起的。

　　本文提出的模型方程（1）是以能量守恒原理为基础的。认为在整个抽真空的过程中，蒸汽和液氦的温度始终保持均匀一致，因此液氦蒸发吸收的蒸发潜热不仅要提供液氦降温需要的冷量，还要提供容器内蒸汽降温所需要的冷量。正因为如此，才增大了液氦的蒸发量，使其终的液体得率降低，真空泵的抽速变大。

　　而Carandang模型在忽略高真空超级绝热容器漏热的同时，还忽略了容器内气相空间的焓变。从而认为液氦蒸发吸收的热量完全用来使剩余液氦降温。因此，利用Carandang模型计算的结果是，液氦得率较模型方程（1）的结果高，所以需要的真空泵抽速也相应降低。

　　与上述两个模型不同，Mironer模型认为当蒸发的氦汽流过容器的边界时，会做功，这种功就是所谓的流动功19.蒸汽做功所需要的能量是由液体来提供的。因此，这种流动功会引起液体的附加冷却。换言之，可以弥补一部分液氦的蒸发。因此，采用这种模型得到的终He得率将高于上述两种模型方程的结果，所需要的真空泵抽速也是小的。

　　如果在模型方程（1）中，忽略蒸汽焓变的影响，同样认为液氦的蒸发完全提供液氦降温冷却的冷量，则液氦得率会提高，真空泵抽速会下降。其计算结果开始接近于Carandang模型的结论。将根据能量守恒原理模型、Carandang模型、Mironer模型以及忽略蒸汽焓变得率能量守恒原理模型计算得到的He液体、要求的真空泵抽速结果示于和中。

　　5其他获取方案讨论51直接节流大气压力下的饱和液体氦位于图中的1点，对应焓值h，=10020当采用节流阀直接将饱和液体氦节流到1638Pa后，获得的超流氦温度达到了系统要求的1 8IK此时的状态对应于图中的状态点2 2点位于汽液两相区，是压力为1638Pa温度为18K的饱和He（点3）和饱和蒸汽（点4）的混合物。根据中的曲线特点咿以发焓节流过程曲线从饱和状态点将1次穿过多e条等温线：进入两相区并与的等温线52带预冷的节流过程带预冷的节流过程是针对直接节流过程的缺点而提出的一种改进方案。此方案在充分利用1和蒸汽冷量的同时，可以提高其液体率。此过程为0T-s图上的过程1-5-6 1点为对应于大气压力下的饱和液体，=10020/过程1 -5为利用4点的饱和蒸汽进行预冷的等压冷却过程，过程4-7为与其相对应的饱和蒸汽的等压升温过程。为了便于方案的分析与计算，假设蒸汽的出口温度与液体氦的出口温度相同。过程5-6为预冷结束后的节流过程，即h5=h6 53抽真空与节流相结合启动系统的真空机组，液氦容器抽真空至5335Pa液氦温度降到2 2~23IK随后将5335Pa的液氦节流，利用节流效应获得超流氦。此过程的T-s图如1所示，图中的1-8为抽真空过程，而8-9为抽真空后的节流过程。h8为5335Pa压力下的饱和He焓值，h8=3090/kg利用节流前后的等焓效应，可以计算节流到1638Pa压力下的液体得率为623.此方案的液体得率与直接节流方案的结果相近，却略微高于单纯的抽真空方案。但是此方案需要同时配备有真空机组和节流设备，因此整个系统变得相当复杂。

　　6结论以上几种方案的对比分析与计算结果、相应的主要设备如表2和2所示。

　　表2可看出，对于100L的液氦杜瓦而言，抽真空方案和直接节流方案在理论上可以得到近乎相同的He液体率，但是这两种方案的技术原理和需要配备的设备却完全不同。直接节流方案利用节流效应获取Hell而抽真空方案却是利用减压降温法获取He对于大型的工程应用而言，利用节流效应获得He不论是在操作上还是在实际运行的控制上，难度都很大。

　　表2获取18K4种方案的对比分析结果而通过对液氦减压，其温度与饱和压力18KHe对应He的这种获得方法通常方案序号方案名称液体得率主要设备1直接节流方案60节流机构2带预冷的节流方案719节流机构、换热器节流机构、带蒸汽冷却屏的输液管3抽真空方案598真空机组4抽真空与节流相结合623真空机组。节流机构根据1°°L液氦杜瓦和简化能量守恒模型计算得到的。

　　以饱和压力或者是饱和温度为控制手段，通过对液氦浴减压或液氦浴加热，可以有效地控制He的饱和蒸汽压或饱和温度"°1.抽真空与节流相结合方案可以得到62 3的He液体率，但是此方案要求同时具备真空机组和节流设备，设备的复杂程度远高于单纯抽真空和直接节流。随着系统复杂程度的增加，其不可靠性也随着增加，因此抽真空与节流相结合不是获得He的方案。带有预冷的节流过程方案，是在方案1基础上的改进方案，利用低温饱和He蒸汽的冷量进行预冷，可以使终的He液体率提高11，达到719，但是这一方案同样需要节流机构，因此并不能降低系统运行过程中的控制难度和操作难度。

　　对于抽真空方案来说，系统的可靠性和可操作性相对较强，但是困难之一就是真空泵抽速的确定。因此针对AMS-02中CGSE的模拟实验系统，在一定的简化和假设条件下，对可以实现1 8KHe的真空泵抽速进行了理论分析和预测。结果说明，对于100L的杜瓦，需要的真空泵抽速达到了