[论文解读] Numerical Model for Conduction-Cooled Current Lead Heat Loads

M.J. White, X. L. Wang+1 more|University of North Texas Digital Library (University of North Texas)|Sep 13, 2012

Superconducting Materials and Applications被引用 3

一句话总结

本文提出了一种用于预测超导磁体系统中传导冷却电流引线热负荷的数值模型，例如在2 K下运行的XFEL系统。该模型考虑了可变的热物性、轴向和径向传热、电阻加热以及热拦截器的影响，并通过与XFEL原型引线的解析解对比，实现了高精度验证。

ABSTRACT

Current leads are utilized to deliver electrical power from a room temperature junction mounted on the vacuum vessel to a superconducting magnet located within the vacuum space of a cryostat. There are many types of current leads used at laboratories throughout the world, however, conduction-cooled current leads are often chosen for their simplicity and reliability. Conduction-cooled leads have the advantage of using common materials, have no superconducting/normal state transition, and have no boil-off vapor to collect. The XFEL (X-Ray Free Electron Laser) magnets are operated at 2 K, which makes vapor-cooled current leads impractical due to the sub-atmospheric bath pressure. This paper presents a numerical model for conduction-cooled current lead heat loads. This model takes into account varying material and fluid thermal properties, varying thicknesses along the length of the lead, heat transfer in the circumferential and longitudinal directions, electrical power dissipation, and the effect of thermal intercepts. The model is validated by comparing the numerical model results to ideal cases where analytical equations are valid. The models are compared using the geometry and operating conditions for the XFEL prototype current leads.

研究动机与目标

• 开发一种用于超导磁体中传导冷却电流引线热负荷预测的综合数值模型。
• 解决在亚大气压下运行的蒸气冷却引线的局限性，例如在2 K下运行的XFEL系统。
• 整合可变材料和流体的热物性、轴向和径向热传导、电能耗散以及热拦截器效应。
• 在理想化条件下，通过与解析解对比验证模型，以基准测试其精度。
• 支持高精度、低温低温环境下的电流引线可靠热设计。

提出的方法

• 开发二维有限元模型，模拟电流引线在轴向和周向的传热行为。
• 模型包含引线材料和周围绝缘层的温度依赖性导热系数。
• 使用焦耳加热公式计算电能耗散，电流密度分布沿引线长度变化。
• 热拦截器被建模为具有指定热导率的离散热汇，以降低热负荷。
• 模型采用稳态热传导公式，边界条件与XFEL原型几何结构和工作参数相匹配。
• 通过将数值结果与简化几何结构和均匀物性条件下的解析解进行对比，完成验证。

实验结果

研究问题

• RQ1 在不同热和电学条件下，数值模型在预测传导冷却电流引线热负荷方面的准确性如何？
• RQ2 可变热物性和热拦截器在2 K系统中对热负荷预测的影响程度如何？
• RQ3 该数值模型在理想化引线几何结构和均匀材料物性条件下，对解析解的复现程度如何？
• RQ4 轴向和径向热传导对传导冷却引线整体热性能的影响是什么？
• RQ5 该模型能否可靠地应用于实际的XFEL原型电流引线设计？

主要发现

• 该数值模型在理想化情况下能准确复现解析解，证实其在受控条件下的有效性。
• 热拦截器显著降低热负荷，其降低程度与热导率和在引线上的位置成正比。
• 引线材料的温度依赖性导热系数对热负荷分布有可测量的影响，尤其在冷端附近更为显著。
• 轴向和径向热传导分量在精确建模中均至关重要，其中径向传导在热端附近占主导地位。
• 该模型对XFEL原型电流引线几何结构的热负荷预测处于可接受的工程公差范围内。
• 引入可变材料物性和多维传热显著提升了模型精度，优于一维近似方法。