金利民 徐中民 王納秀

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螺旋線圈在同步輻射光源冷卻系統(tǒng)中的應(yīng)用

金利民 徐中民 王納秀

（中國科學(xué)院上海應(yīng)用物理研究所張江園區(qū) 上海201204）

在冷卻流體管道中插入銅質(zhì)線圈的強(qiáng)化冷卻方法可以較為顯著地提高管道的對流換熱系數(shù)，從而增強(qiáng)冷卻效果，此法已在國際上的同步輻射光源中得以應(yīng)用。根據(jù)現(xiàn)有相關(guān)文獻(xiàn)，總結(jié)介紹了此種強(qiáng)化冷卻方法，闡述該機(jī)構(gòu)的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)與強(qiáng)化冷卻工作機(jī)理，并對其在國際上各同步輻射光源的應(yīng)用情況作出描述，同時指出關(guān)鍵技術(shù)問題與未來的發(fā)展趨勢，從而為此強(qiáng)化冷卻方法在我國同步輻射裝置，特別是高能高熱的第三代同步輻射裝置冷卻系統(tǒng)的應(yīng)用提供前瞻與有益的探索。

螺旋線圈，強(qiáng)化冷卻，同步輻射

近年來，隨著同步輻射光源技術(shù)的快速發(fā)展與設(shè)備的升級換代，其能量與強(qiáng)度得到不斷的增強(qiáng)與提高。特別是新興的第三代同步輻射光源，其各光學(xué)元件所要承受的熱載很大，達(dá)到動輒幾百、幾千瓦的熱功率。如此之高的熱載，會使受光元件表面產(chǎn)生一定的變形，降低其光學(xué)性能，嚴(yán)重時甚至?xí)苽砻?，使其喪失正常的光學(xué)性能，從而影響光束線的正常工作。為保證高熱功率同步輻射光源前端區(qū)各光學(xué)元件的正常工作性能，必須采用行之有效的冷卻手段以緩釋高熱負(fù)載。因此針對光學(xué)元件的冷卻工作就顯得尤為重要，對于高熱功率同步輻射光源具有十分重要的工程實(shí)際應(yīng)用價值。

目前，對于同步輻射光學(xué)元件的冷卻方式，主要可分為水冷與液氮冷卻這兩種對流冷卻方式。其中，水冷為最常見的冷卻方式，具有成本較低、裝置簡單以及化學(xué)穩(wěn)定性良好等優(yōu)點(diǎn)。而液氮冷卻具有效果明顯等優(yōu)勢，且熱應(yīng)力與熱變形量相比于水冷一般要低兩個數(shù)量級。但液氮冷卻的對流換熱系數(shù)較小，臨界熱通量低，且在常壓下保持純液相的溫度范圍很窄，為提高溫度范圍則必須增加液氮壓力，故液氮冷卻方式的技術(shù)難度與設(shè)備配置代價較大。由此可見，以上兩種冷卻方式各有優(yōu)缺點(diǎn)，在工程實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)根據(jù)具體工況條件選擇合適的冷卻方式[1]。

對于對流冷卻方式，提高冷卻效果的關(guān)鍵問題是提高冷卻管壁的對流換熱系數(shù)，且以此系數(shù)來衡量冷卻能力的大小。根據(jù)：

式中，為對流換熱系數(shù)；為努塞爾系數(shù)；為冷卻介質(zhì)導(dǎo)熱系數(shù)；為圓形冷卻管道的直徑。

由Dittus-Boelter公式：

(3)

(4)

即：

式中，為雷諾數(shù)，反映對流強(qiáng)度對傳熱的影響；為普朗特數(shù)，反映流體物性的影響；、、與C分別是冷卻介質(zhì)的密度、流速、粘度以及比熱。

由式(5)可知，為提高對流換熱系數(shù)，應(yīng)提高流體的流速，減小冷卻管道的管徑等。此外，流體的物性，如密度、比熱、導(dǎo)熱系數(shù)以及粘度對傳熱效果也有一定的影響。

目前，同步輻射光學(xué)元件的冷卻系統(tǒng)大都使用的是光滑內(nèi)壁的冷卻流體管道。在此基礎(chǔ)上，通過物理或化學(xué)的方法提高其冷卻效果是問題的關(guān)鍵所在。工業(yè)上已有一種在冷卻流體管道中插入銅質(zhì)螺旋線圈的強(qiáng)化冷卻方法，且其還具有防止與去除水垢的作用[2?3]。這種方法目前也在我國與國際上的一些同步輻射光源前端區(qū)的冷卻系統(tǒng)中得以應(yīng)用與推廣[4?7]。已有研究人員通過實(shí)驗(yàn)的方法說明了此種強(qiáng)化冷卻方法的有效性。如顧毓珍[8]在長度為3.47 m的黃銅冷卻管內(nèi)(15.8 mm×1.6 mm)安裝了銅質(zhì)螺旋線圈，觀測安裝螺旋線圈前后冷卻水管的傳熱系數(shù)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果列于表1。從表1中可發(fā)現(xiàn)，安裝線圈之后的冷卻水管的傳熱系數(shù)得到明顯的提高。以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果說明了在相同的條件下，此方法可以較顯著地提高冷卻流體管道的對流換熱系數(shù)，從而提高冷卻效果。

表1 冷卻管內(nèi)安裝螺旋線圈前后的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)[8]

本文將對此種銅質(zhì)螺旋線圈的強(qiáng)化冷卻方法進(jìn)行介紹，闡明此機(jī)構(gòu)的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)與強(qiáng)化冷卻工作機(jī)理，并針對此機(jī)構(gòu)在我國以及國際上各同步輻射光源的應(yīng)用情況作出描述，指出關(guān)鍵技術(shù)問題與未來的發(fā)展趨勢。通過本文，為此強(qiáng)化冷卻方法在我國同步輻射裝置，特別是高能高熱的第三代同步輻射裝置（上海光源）前端區(qū)冷卻系統(tǒng)的應(yīng)用提供前瞻與有益的探索。

1 螺旋線圈

1.1 結(jié)構(gòu)

如圖1所示，螺旋線圈的外形類似于螺旋形的彈簧，材質(zhì)一般是銅。將其插入圓形截面的冷卻管中，與原來的光滑內(nèi)壁的冷卻管道相比，可以較顯著地提高冷卻系統(tǒng)的冷卻效果。

圖1 螺旋線圈插入冷卻管道示意圖

1.2 關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)

螺旋線圈的性能與其結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，如圖2所示。其所在的冷卻系統(tǒng)的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)[7,9]主要包括：線圈的直徑、相鄰線圈環(huán)的間距、冷卻通道的直徑。

圖2 螺旋線圈的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)

通過科學(xué)地設(shè)計以上參數(shù)，可以最大化地利用螺旋線圈的結(jié)構(gòu)優(yōu)勢，進(jìn)而提高冷卻效果。為此，研究人員針對線圈結(jié)構(gòu)參數(shù)對冷卻管道對流傳熱系數(shù)的影響進(jìn)行了相關(guān)實(shí)驗(yàn)性的工作。如根據(jù)Garcia等[9]的實(shí)驗(yàn)與分析結(jié)果，可推導(dǎo)線圈參數(shù)與管道對流傳熱系數(shù)之間的關(guān)系式：

1.3 強(qiáng)化冷卻機(jī)理

通過在冷卻管道中插入銅質(zhì)螺旋線圈的方法的確可以提高同步輻射光學(xué)元件冷卻系統(tǒng)的冷卻效率。為充分利用其結(jié)構(gòu)與性能的優(yōu)勢，以期根據(jù)實(shí)際工況，因地制宜地設(shè)計出強(qiáng)化冷卻性能更為優(yōu)越的線圈結(jié)構(gòu)成了工作的重點(diǎn)，因此理解其強(qiáng)化冷卻效果的工作機(jī)理就顯得尤為重要。目前對于螺旋線圈強(qiáng)化冷卻效果機(jī)理[2?3,10?11]的認(rèn)識，主要集中于：

(1) 增加了熱接觸面積

根據(jù)管式換熱裝置的傳熱速率方程式[11]：

式中，為總傳熱量；為傳熱系數(shù)；為傳熱面積；Δm為平均傳熱溫差。

由式(7)可知，增加傳熱面積是提高換熱裝置總傳熱量的有效措施。螺旋線圈的引入，使冷卻流體與熱載機(jī)構(gòu)的熱交換面積增大，提高了熱交換的效率，從而有利于受熱元件的熱緩釋。

(2) 減薄或破壞邊界層

如圖3所示，根據(jù)普朗特(Ludwig Prandtl)的邊界層理論，因?yàn)楣腆w冷卻管道內(nèi)壁對流體具有一定的阻力以及流體自身的黏滯性，當(dāng)流體主流部分達(dá)到平衡狀態(tài)之后，在邊界層中出現(xiàn)了流體的速度梯度，即從管道內(nèi)壁壁面到流體主流區(qū)之間的邊界層內(nèi)，流體多處于層流狀態(tài)，故邊界層內(nèi)的對流傳熱狀況較差。此外，沿著流體的流動方向，邊界層的厚度逐漸增加，更進(jìn)一步減弱了對流傳熱效應(yīng)，因此，減薄或破壞邊界層必然可有效地強(qiáng)化傳熱。螺旋線圈的引入，正是沿著流體流動方向，不斷地減薄或破壞邊界層，有效阻止了邊界層的充分發(fā)展，因而提高了管道的傳熱效果與冷卻效率。

圖3 冷卻流體管道中的邊界層

(3) 促進(jìn)了冷卻管道中湍流的形成

光滑內(nèi)壁的冷卻管道中的流體呈現(xiàn)出層流或較弱的湍流狀態(tài)，使得邊界層得以充分發(fā)展而較厚，從而不利于對流傳熱。螺旋線圈的引入，使得冷卻管道中的滯流內(nèi)層減薄，且流體的湍流程度增強(qiáng)，尤其是增加了近管道內(nèi)壁區(qū)流體的湍流程度。由此引起的離心力致使冷性流體向管徑方向流動，而熱性流體向管道中心流動，由此加強(qiáng)了冷卻管道內(nèi)熱的對流作用，提高了對流換熱系數(shù)，因此較顯著地提高了冷卻效果。

經(jīng)過許多學(xué)者的研究發(fā)現(xiàn)，促進(jìn)冷卻管道中湍流的形成是銅質(zhì)螺旋線圈有效增強(qiáng)冷卻管道熱緩釋效果的主要原因?？紤]到流體的湍流效應(yīng)也與螺旋線圈的結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計密切相關(guān)，為此，應(yīng)在科學(xué)合理的結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計條件下，揚(yáng)長避短，充分發(fā)揮其強(qiáng)化冷卻效果的能力。

2 螺旋線圈在各同步輻射光源冷卻系統(tǒng)中的應(yīng)用

目前，鑒于第三代同步輻射光源各光學(xué)元件，特別是前端區(qū)光學(xué)元件的高熱負(fù)載特性，在我國以及國際范圍內(nèi)已有一些同步輻射機(jī)構(gòu)使用螺旋線圈強(qiáng)化冷卻的方法提高各光學(xué)元件的熱緩釋能力，都起到了比較明顯的效果。這些同步輻射機(jī)構(gòu)主要包括：美國的APS (Advanced Photon Source)、日本的SPring-8以及我國臺灣新竹的TPS (Taiwan Photon Source)等。下面對此強(qiáng)化冷卻方法在以上各機(jī)構(gòu)的應(yīng)用情況做一說明。

在APS前端區(qū)中，如圖4所示，對于光子擋光器，其具有8個直徑為9.5 mm的冷卻水管道，在各管道內(nèi)插入銅質(zhì)螺旋線圈，提高了熱對流效率，從而增強(qiáng)了整個元件的熱緩釋能力。此外，為緩釋因高熱載所導(dǎo)致的高熱應(yīng)力，特采用了“狗骨頭”形的截面結(jié)構(gòu)設(shè)計[5]。如圖5所示，對于SPring-8前端區(qū)的可調(diào)光闌，也設(shè)計有8個冷卻水管道，皆安裝銅質(zhì)螺旋線圈，提高了熱對流效率，增強(qiáng)了冷卻效果[6]。如圖6所示，TPS前端區(qū)的高熱負(fù)載光學(xué)元件具有兩個冷卻回路，每個回路又有4個水管道以及一個進(jìn)口與一個出口。在所有冷卻回路中安裝了銅質(zhì)螺旋線圈，較顯著地提高了冷卻效果[7]。

圖4 APS前端區(qū)光子擋光器結(jié)構(gòu)圖[5]

通過以上敘述，可發(fā)現(xiàn)銅質(zhì)螺旋線圈強(qiáng)化冷卻技術(shù)已經(jīng)在世界范圍內(nèi)的光源機(jī)構(gòu)中得以有效的應(yīng)用，顯示出了廣闊的應(yīng)用前景。在我國典型的第三代同步輻射裝置——上海光源一期的冷卻系統(tǒng)建設(shè)工程中，尚未使用此項(xiàng)技術(shù)。隨著二期工程建設(shè)的推進(jìn)，為進(jìn)一步有效提高前端區(qū)各光學(xué)元件的熱緩釋能力，在各項(xiàng)工作條件可行的情況下，應(yīng)該考慮使用此項(xiàng)技術(shù)。

圖5 SPring-8前端區(qū)可調(diào)光闌結(jié)構(gòu)圖[6]

圖6 TPS前端區(qū)高熱負(fù)載元件[7]

3 關(guān)鍵技術(shù)問題

通過上述描述，在同步輻射高熱負(fù)載光學(xué)元件的冷卻管道中插入銅質(zhì)螺旋線圈的方法確實(shí)可提高其對流換熱系數(shù)，從而增強(qiáng)冷卻系統(tǒng)的冷卻效果，且已在國際上的一些光源中得以積極的應(yīng)用。但任何事物都應(yīng)“一分為二”，此法也有消極的一面，主要包括兩個方面的問題：

(1) 螺旋線圈的引入，同時也增加了冷卻管道中流體介質(zhì)的壓力損失，即增加了冷卻流體的動力消耗。此現(xiàn)象勢必會給冷卻效果的提高帶來負(fù)面的影響，故螺旋線圈科學(xué)與合理的使用，需要綜合考慮與權(quán)衡冷卻強(qiáng)化強(qiáng)度與流體介質(zhì)壓力損失的增加這兩個方面。當(dāng)然，這主要應(yīng)從螺旋線圈結(jié)構(gòu)參數(shù)的設(shè)計調(diào)配入手。若能使螺旋線圈在插入冷卻流體管道后，既能充分發(fā)揮其正面效應(yīng)，即在提高冷卻效果的同時，也能使冷卻流體的壓力損失最小，則為最佳的選擇。這也是螺旋線圈在強(qiáng)化冷卻應(yīng)用方面的關(guān)鍵技術(shù)問題之一[7,10]。

(2) 螺旋線圈的引入使管道中流體的湍流程度明顯增強(qiáng)，由此導(dǎo)致機(jī)構(gòu)振動程度加強(qiáng)的問題。這對光源各光學(xué)元件而言是比較明顯的負(fù)面效應(yīng)，應(yīng)盡量減弱其影響。在光源工程的實(shí)際應(yīng)用中，根據(jù)前端區(qū)或光束線上各光學(xué)元件對振動效應(yīng)的具體要求，設(shè)計出既能增強(qiáng)冷卻效果，又能適應(yīng)具體工況，適當(dāng)?shù)販p弱振動強(qiáng)化負(fù)面效應(yīng)的螺旋線圈。這也是螺旋線圈在強(qiáng)化冷卻應(yīng)用方面的關(guān)鍵技術(shù)問題之二。

4 未來發(fā)展趨勢

螺旋線圈的應(yīng)用，在一定程度上提高了同步輻射高熱負(fù)載光學(xué)元件的冷卻效率與使用壽命，具有較廣闊的應(yīng)用前景。在未來的使用中，需要不斷對其性能進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，以期最大化地發(fā)揮其在強(qiáng)化冷卻效果方面的優(yōu)勢。

為合理提高螺旋線圈的強(qiáng)化冷卻性能，應(yīng)該主要關(guān)注三個方面：

(1) 結(jié)構(gòu)參數(shù)的科學(xué)設(shè)計。鑒于線圈結(jié)構(gòu)參數(shù)、與對其性能的影響，應(yīng)在上述參數(shù)的科學(xué)設(shè)計以及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的基礎(chǔ)上做足相關(guān)工作，尋求最優(yōu)的結(jié)構(gòu)參數(shù)配置。TPS[7]研究了不同的值對冷卻管道導(dǎo)熱系數(shù)的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，=6 mm時的水壓損耗約為=12.7 mm時水壓損耗的兩倍，但導(dǎo)熱系數(shù)僅上升約10%，故值的影響在水壓損耗方面表現(xiàn)得更加敏感。

(2) 管道內(nèi)冷卻流體介質(zhì)雷諾數(shù)的合理調(diào)控。根據(jù)Garcia等[12]的研究結(jié)果，當(dāng)≈200時，螺旋線圈的引入對導(dǎo)熱效果的增強(qiáng)無影響或影響很小；當(dāng)≈200?1000時，螺旋線圈的引入對提高導(dǎo)熱效果的影響較顯著；當(dāng)≈1000?1300時，螺旋線圈的引入進(jìn)一步促進(jìn)了管道內(nèi)的冷卻流體由層流狀態(tài)向湍流狀態(tài)的轉(zhuǎn)變，流體的湍流程度得以進(jìn)一步增強(qiáng)，從而較大幅度地增強(qiáng)了導(dǎo)熱效果。

(3) 螺旋線圈與冷卻管道內(nèi)壁的強(qiáng)化接觸控制。由于熱量是通過冷卻管道的光滑內(nèi)壁、螺旋線圈表面與冷卻流體介質(zhì)相接觸，從而由流體帶走熱量，起到熱緩釋的作用，故冷卻管道的光滑內(nèi)壁與螺旋線圈之間的接觸狀態(tài)控制就顯得尤為重要。為提高光滑內(nèi)壁與螺旋線圈之間的傳熱效率，可考慮通過焊接的方式增強(qiáng)兩者間的接觸。如TPS[7]進(jìn)行過相關(guān)的測試，發(fā)現(xiàn)無焊接狀態(tài)下，插入螺旋線圈后管道的導(dǎo)熱系數(shù)為無螺旋線圈管道導(dǎo)熱系數(shù)的1.4倍，而螺旋線圈與光滑冷卻管道內(nèi)壁間經(jīng)過焊接的管道導(dǎo)熱系數(shù)卻為無螺旋線圈管道導(dǎo)熱系數(shù)的兩倍，由此說明了焊接工藝對提高螺旋線圈強(qiáng)化冷卻性能的明顯效果。但值得注意的是：由于一定區(qū)域內(nèi)，冷卻管道內(nèi)壁與螺旋線圈之間存有間隙，且焊接時所用焊料在高溫下工作，不能保證焊料在間隙中填充良好，因此可能影響冷卻系統(tǒng)整體的性能。

5 結(jié)語

(1) 國際上已有一些光源使用螺旋線圈強(qiáng)化冷卻的方法提高各光學(xué)元件的熱緩釋能力。螺旋線圈的性能與其結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，其關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)主要包括線圈直徑、相鄰線圈環(huán)的間距以及冷卻通道的直徑。通過合理設(shè)計以上參數(shù)，可最大化地利用螺旋線圈的優(yōu)勢，提高冷卻效果。

(2) 螺旋線圈強(qiáng)化冷卻效果的機(jī)理，主要集中于：(a) 增加了熱接觸面積；(b) 減薄或破壞邊界層；(c) 促進(jìn)了冷卻管道中湍流的形成。

(3) 螺旋線圈強(qiáng)化冷卻應(yīng)用方面的關(guān)鍵技術(shù)問題：一是既能提高冷卻效果，同時也能使冷卻流體的壓強(qiáng)降最小；二是既能增強(qiáng)冷卻效果，又能最大化地減弱振動強(qiáng)化的負(fù)面效應(yīng)。對于以上兩方面，都需要尋求一個平衡點(diǎn)。

(4) 為合理提高螺旋線圈的強(qiáng)化冷卻性能，應(yīng)主要關(guān)注于三個方面：一是結(jié)構(gòu)參數(shù)的科學(xué)設(shè)計，尋求最優(yōu)的結(jié)構(gòu)參數(shù)配置；二是管道內(nèi)冷卻流體雷諾數(shù)的合理調(diào)控；三是螺旋線圈與冷卻管道內(nèi)壁的強(qiáng)化接觸控制，可考慮通過焊接的方式增強(qiáng)兩者間的接觸，從而提高傳熱效率。

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Application of helical wire coils in the cooling system of synchrotron radiation facility

JIN Limin XU Zhongmin WANG Naxiu

(Shanghai Institute of Applied Physics, Chinese Academy of Sciences, Zhangjiang Campus, Shanghai 201204, China)

Background:The intensive cooling method of inserting copper wire coils into the cooling fluid tube can improve the convective heat transfer coefficient of the cooling tube much, thus enhancing the cooling effect. This method has been already utilized in some synchrotron radiation facilities in the world.Purpose: The aim is to introduce such kind of intensive cooling method and provide forward-looking and useful exploration for the applications of such type of intensive cooling method. Methods: According to the related published papers, the critical structural parameters of the helical wire coils and the intensive cooling mechanism are explained, and its applications in some synchrotron radiation facilities are described. Simultaneously, the key technical problems and development trend of such type of technique are also depicted.Results: It is found that not only to enhance the cooling effect, but also to minimize the strengthening of the negative effects, such as reducing pressure loss and vibration, both are the critical issues for the development of the proposed intensive cooling method.Conclusion:This technique is expectedto be used in some national synchrotron radiation facilities, especially the third generation high-energy & high-heat synchrotron radiation cooling systems.

Helical wire coil, Intensive cooling, Synchrotron radiation

TL99

TL99

10.11889/j.0253-3219.2015.hjs.38.070102

國家自然科學(xué)基金(No.11175243)資助

金利民，男，1984年出生，2012年于東華大學(xué)獲博士學(xué)位，研究領(lǐng)域?yàn)橥捷椛涔鈱W(xué)與技術(shù)

徐中民，E-mail: xuzhongmin@sinap.ac.cn

2015-03-02，

2015-05-11