稳态强磁场实验装置水冷磁体运行水质变化探究

2022-11-04周辰飞唐佳丽

低温工程 2022年5期

周彭周辰飞唐佳丽

(中国科学院合肥物质科学研究院强磁场科学中心合肥 230031)

1 引言

稳态强磁场实验装置由5 个不同用途的水冷磁体、4 个超导磁体和1 个混合磁体组成,为中国多领域科学研究提供稳态强磁场极端实验环境,其中,水冷磁体在稳态强磁场实验装置中占据重要地位。水冷磁体即有阻磁体,最重要的结构为由铜、银合金组成的比特导体片(bitter disks)。稳态强磁场实验装置使用的是一种称为Florida-Bitter 的比特片。该比特片内部均匀分布着不同大小的冷却孔,这些冷却孔可在磁体通电过程中与高速流动的去离子水直接接触,由水带走磁体因通电产生的热量。因此,用于降温的去离子水水质对于磁体运行具有重要意义,探究其变化趋势及影响因素可为磁体的稳定运行提供依据。

本研究主要探究了引起磁体水质变化的相关因素,研究了磁体静置、运行时水质的变化趋势,以及磁体入口侧过滤器滤网上粉末的成分。此外,也研究了提纯系统对维持磁体循环冷却水水质稳定的意义。

2 水质变化测试

2.1 仪器

本研究主要用到的仪器为便携式电导率仪、在线式电阻率仪、以及双向观测等离子发射光谱仪。

2.2 测试方法

利用便携式电导率仪测试静置水冷磁体的出水电阻率及总溶解性固体(the total dissolved solid,TDS)含量。在去离子水循环过程中,由于水冷磁体的低压回水管道上装有在线式电阻率仪,可通过在线仪表直接读取冷却水循环时的电阻率。循环路径中存在两处Y 型过滤器,收集滤网上的粉末状物质,经王水溶解、消解仪消解、赶酸、过滤后,利用双向观测等离子发射光谱仪测定滤后样品中铜、银和铁的含量。具体路径如图1 所示。

图1 去离子水循环流程示意图Fig.1 Flowchart of deionized water cycling

3 磁体运行水质变化分析

3.1 静置磁体的水质变化

利用便携式电导率仪测定5 台不同水冷磁体(1号—5 号磁体分别为WM1-WM5)的出水电阻率及总溶解性固体(TDS)含量,测试结果如图2 所示。

图2 不同磁体的出水电阻率和TDS 值Fig.2 Resistivity and TDS value of various magnet effluent for various magnets

由于WM2 在测试当天进行过实验,磁体的水质较好,电阻率达到18.2 MΩ·cm,TDS 值也最低的0.025 mg/L)。WM3 由于检修,磁体内部水质较差,仅为4.03 MΩ·cm,对应的TDS 值为0.112 mg/L。WM5、WM1 和WM4 距离上次使用时间分别为15天、40 天及127 天,但WM1 和WM4 水质差异不大,故需测试相同时间段内静置磁体中的去离子水的电阻率变化。选取电阻率分别为高(WM2)、中(WM5)、低(WM3)的3 台磁体测试每隔2 天测试出水电阻率值,其变化情况如图3 所示。

图3 6 天内不同磁体的出水水质变化Fig.3 Water quality changes of magnet effluent in 6 days

如图所示,各磁体出水电阻率由高到低排列分别下降了3.43 MΩ·cm(WM2)、1.90 MΩ·cm(WM5)及0.35 MΩ·cm(WM3),表明在没有外界因素干扰的条件下,静置的水冷磁体中水的电阻率相对缓慢,其中WM2 水质下降较快,是因为电阻率越高,轻微的离子干扰就会产生较大的电阻率变化。然而,在水冷磁体的实际高场实验中,如果不运行提纯系统,磁体回水水质下降会速度很快,进而本研究针对流量对水质的影响进行研究。

3.2 水冷磁体运行过程中的水质变化

由于磁体正常运行时的流量较大,会产生较大的温升,导致水质测量出现误差,因此循环实验时将流量调至正常实验流量的70%左右。根据WM1 实际运行工况,调整高压纯水泵频率至35 Hz 进行实验,此时管道对应流量约为668 m3/h。实验结果如图4 所示。

由于磁体实验时水质一般维持在≥15 MΩ·cm,在水质为17.46 MΩ·cm 时开始测试,间隔15 分钟取一个数据点。由图4 可知,在最初的120 分钟内,管道内的循环水电阻率急剧下降了5.37 MΩ·cm,为12.19 MΩ·cm,并在120—330 分钟内降到了10.22 MΩ·cm,即电阻率在5.5 小时内下降了7.24 MΩ·cm。而磁体静置时6 天内水质最高下降了3.43 MΩ·cm。这说明在大流量下磁体内的去离子水电阻率下降非常明显,这会影响磁体的正常运行。因此需对去离子水电阻率下降的原因进行分析。

图4 大流量下的磁体水质变化Fig.4 Water quality changes of magnet with large flow rates

3.3 水冷磁体水质下降因素分析

磁体冷却循环水系统是一个密闭的循环管路,因此无法直接对磁体内部过水部件进行分析。但是无论是磁体入口过滤器还是回水管道上的过滤器(图1),在磁体运行一段时间后总是因为滤网堵塞需要更换,更换下来的滤网上存在较多的粉末状固体。由于磁体在运行过程中循环水处于高压的状态(图5),且最大的运行流量约为1 000 m3/h,因此去离子水的冲刷作用有可能是导致磁体循环水电阻率下降的原因之一。基于此,收集磁体入口过滤器及循环管道上的回水过滤器滤网上存在的固体粉末进行元素分析,探究其可能的来源。

图5 磁体的去离子水循环管路Fig.5 Deionized water circulation line of magnet

由于磁体冷却循环水的主要过水部件为比特片、管道、滤网及高压纯水泵,因此分析这些过水部件的主要组成元素以探究粉末的来源。磁体中的比特片的主要成分是Cu 和Ag(Cu:76%,Ag:24%)[1],而循环管道、滤网和纯水泵过水部件的主要材质皆为不锈钢,故利用双向观测等离子发射光谱仪对粉末中存在的Ag、Cu 及Fe 进行定量分析。样品分别来自4 个不同的滤网(a、b、c 位于磁体入口,d 来自回水管道)分析结果如表1 所示。

表1 滤网表面粉末铜、银及铁的含量Table 1 Concentrations of Cu,Ag and Fe in powders from strainer

由表可知,各粉末中均出现不同浓度的Cu 和Ag,说明循环冷却水在带走磁体热量的同时也对磁体有冲刷作用。a、b、d 3 个过滤器滤网上的粉末中,Ag 和Cu 的含量都是远高于Fe 的,其中a、b、d 过滤器的粉末中Cu 的含量分别是Fe 的111.54、316.10和93.60 倍,而Ag 的含量则为93.38、35.40 和8.16倍。这表明在大流量水冷却磁体的过程中,水的冲刷会对磁体产生剥蚀,冲刷累积的粉末成为磁体运行中水质下降的原因之一。

4 磁体水质的恢复

4.1 去离子水制备与提纯系统

为了保证磁体循环管道内的去离子水水质,稳态强磁场实验装置去离子水冷却系统建设了一套纯水制备及提纯系统,目的是为磁体冷却循环系统提供高电阻率的补充水[2]。系统主要由脱气膜装置、TOC、UV、抛光混床和0.2 μm 过滤器组成等组成[3]。

4.2 磁体水质恢复实验

如前所述,去离子冷却水对水冷磁体的运行至关重要,因此其水质需时刻保持较高的水平。在3.2 节中进行了大流量循环实验,在330 分钟后磁体中去离子水的电阻率已经降到了10.22 MΩ·cm,需要将水质恢复至≥15 MΩ·cm。在水质下降到10.22 MΩ·cm 后,打开了提纯装置,对循环管道及磁体的水质进行提纯,此时循环冷却水的水质变化如图6 所示。由图可知水质从10.23 MΩ·cm 提升到17.92 MΩ·cm 仅用了2 小时45 分钟(165 分钟),之后也可以保持水质的相对稳定。说明提纯系统可以在较短的时间内恢复磁体循环水的水质,保证磁体正常运行时水质的稳定。

图6 提纯系统对水质恢复的影响Fig.6 Effect of purification system on water quality recovery

4.3 提纯系统对高场运行时水质的影响

对于稳态强磁场实验装置来说,其核心功能是提供稳定的强磁场,因此实验过程中的循环水水质对水冷磁体来说意义重大。通过调取WM1 的4 次高场稳场实验(即一直维持很高的场强进行实验)过程中水质的变化数据,探究在磁体通电时提纯对大流量循环冷却水水质的影响。水质的变化如图2.6 所示,其中场强分别为20.00 T,25.00 T,30.00 T 和35.00 T,对应的电流分别为19 703 A,24 630 A,29 558 A,和35 000 A。由图7 可以看出,在4 个不同场强的高场实验中,水质最低为15.87 MΩ·cm,且水质基本保持在均值附近,标准偏差均小于0.3,表明高场实验过程中磁体及循环冷却水的水质一直保持稳定。上述两组数据,表明现有提纯系统的提纯流量(最大循环流量的6.5%,约为65 m3/h)完全可以满足水冷磁体实验过程中水质的优良稳定,这对于稳态强磁场实验装置的稳定运行来说至关重要。