周 彭 周辰飛 唐佳麗

(中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院強(qiáng)磁場科學(xué)中心 合肥 230031)

1 引言

穩(wěn)態(tài)強(qiáng)磁場實(shí)驗裝置由5 個不同用途的水冷磁體、4 個超導(dǎo)磁體和1 個混合磁體組成,為中國多領(lǐng)域科學(xué)研究提供穩(wěn)態(tài)強(qiáng)磁場極端實(shí)驗環(huán)境,其中,水冷磁體在穩(wěn)態(tài)強(qiáng)磁場實(shí)驗裝置中占據(jù)重要地位。水冷磁體即有阻磁體,最重要的結(jié)構(gòu)為由銅、銀合金組成的比特導(dǎo)體片(bitter disks)。穩(wěn)態(tài)強(qiáng)磁場實(shí)驗裝置使用的是一種稱為Florida-Bitter 的比特片。該比特片內(nèi)部均勻分布著不同大小的冷卻孔,這些冷卻孔可在磁體通電過程中與高速流動的去離子水直接接觸,由水帶走磁體因通電產(chǎn)生的熱量。因此,用于降溫的去離子水水質(zhì)對于磁體運(yùn)行具有重要意義,探究其變化趨勢及影響因素可為磁體的穩(wěn)定運(yùn)行提供依據(jù)。

本研究主要探究了引起磁體水質(zhì)變化的相關(guān)因素,研究了磁體靜置、運(yùn)行時水質(zhì)的變化趨勢,以及磁體入口側(cè)過濾器濾網(wǎng)上粉末的成分。此外,也研究了提純系統(tǒng)對維持磁體循環(huán)冷卻水水質(zhì)穩(wěn)定的意義。

2 水質(zhì)變化測試

2.1 儀器

本研究主要用到的儀器為便攜式電導(dǎo)率儀、在線式電阻率儀、以及雙向觀測等離子發(fā)射光譜儀。

2.2 測試方法

利用便攜式電導(dǎo)率儀測試靜置水冷磁體的出水電阻率及總?cè)芙庑怨腆w(the total dissolved solid,TDS)含量。在去離子水循環(huán)過程中,由于水冷磁體的低壓回水管道上裝有在線式電阻率儀,可通過在線儀表直接讀取冷卻水循環(huán)時的電阻率。循環(huán)路徑中存在兩處Y 型過濾器,收集濾網(wǎng)上的粉末狀物質(zhì),經(jīng)王水溶解、消解儀消解、趕酸、過濾后,利用雙向觀測等離子發(fā)射光譜儀測定濾后樣品中銅、銀和鐵的含量。具體路徑如圖1 所示。

圖1 去離子水循環(huán)流程示意圖Fig.1 Flowchart of deionized water cycling

3 磁體運(yùn)行水質(zhì)變化分析

3.1 靜置磁體的水質(zhì)變化

利用便攜式電導(dǎo)率儀測定5 臺不同水冷磁體(1號—5 號磁體分別為WM1-WM5)的出水電阻率及總?cè)芙庑怨腆w(TDS)含量,測試結(jié)果如圖2 所示。

圖2 不同磁體的出水電阻率和TDS 值Fig.2 Resistivity and TDS value of various magnet effluent for various magnets

由于WM2 在測試當(dāng)天進(jìn)行過實(shí)驗,磁體的水質(zhì)較好,電阻率達(dá)到18.2 MΩ·cm,TDS 值也最低的0.025 mg/L)。WM3 由于檢修,磁體內(nèi)部水質(zhì)較差,僅為4.03 MΩ·cm,對應(yīng)的TDS 值為0.112 mg/L。WM5、WM1 和WM4 距離上次使用時間分別為15天、40 天及127 天,但WM1 和WM4 水質(zhì)差異不大,故需測試相同時間段內(nèi)靜置磁體中的去離子水的電阻率變化。選取電阻率分別為高(WM2)、中(WM5)、低(WM3)的3 臺磁體測試每隔2 天測試出水電阻率值,其變化情況如圖3 所示。

圖3 6 天內(nèi)不同磁體的出水水質(zhì)變化Fig.3 Water quality changes of magnet effluent in 6 days

如圖所示,各磁體出水電阻率由高到低排列分別下降了3.43 MΩ·cm(WM2)、1.90 MΩ·cm(WM5)及0.35 MΩ·cm(WM3),表明在沒有外界因素干擾的條件下,靜置的水冷磁體中水的電阻率相對緩慢,其中WM2 水質(zhì)下降較快,是因為電阻率越高,輕微的離子干擾就會產(chǎn)生較大的電阻率變化。然而,在水冷磁體的實(shí)際高場實(shí)驗中,如果不運(yùn)行提純系統(tǒng),磁體回水水質(zhì)下降會速度很快,進(jìn)而本研究針對流量對水質(zhì)的影響進(jìn)行研究。

3.2 水冷磁體運(yùn)行過程中的水質(zhì)變化

由于磁體正常運(yùn)行時的流量較大,會產(chǎn)生較大的溫升,導(dǎo)致水質(zhì)測量出現(xiàn)誤差,因此循環(huán)實(shí)驗時將流量調(diào)至正常實(shí)驗流量的70%左右。根據(jù)WM1 實(shí)際運(yùn)行工況,調(diào)整高壓純水泵頻率至35 Hz 進(jìn)行實(shí)驗,此時管道對應(yīng)流量約為668 m3/h。實(shí)驗結(jié)果如圖4 所示。

由于磁體實(shí)驗時水質(zhì)一般維持在≥15 MΩ·cm,在水質(zhì)為17.46 MΩ·cm 時開始測試,間隔15 分鐘取一個數(shù)據(jù)點(diǎn)。由圖4 可知,在最初的120 分鐘內(nèi),管道內(nèi)的循環(huán)水電阻率急劇下降了5.37 MΩ·cm,為12.19 MΩ·cm,并在120—330 分鐘內(nèi)降到了10.22 MΩ·cm,即電阻率在5.5 小時內(nèi)下降了7.24 MΩ·cm。而磁體靜置時6 天內(nèi)水質(zhì)最高下降了3.43 MΩ·cm。這說明在大流量下磁體內(nèi)的去離子水電阻率下降非常明顯,這會影響磁體的正常運(yùn)行。因此需對去離子水電阻率下降的原因進(jìn)行分析。

圖4 大流量下的磁體水質(zhì)變化Fig.4 Water quality changes of magnet with large flow rates

3.3 水冷磁體水質(zhì)下降因素分析

磁體冷卻循環(huán)水系統(tǒng)是一個密閉的循環(huán)管路,因此無法直接對磁體內(nèi)部過水部件進(jìn)行分析。但是無論是磁體入口過濾器還是回水管道上的過濾器(圖1),在磁體運(yùn)行一段時間后總是因為濾網(wǎng)堵塞需要更換,更換下來的濾網(wǎng)上存在較多的粉末狀固體。由于磁體在運(yùn)行過程中循環(huán)水處于高壓的狀態(tài)(圖5),且最大的運(yùn)行流量約為1 000 m3/h,因此去離子水的沖刷作用有可能是導(dǎo)致磁體循環(huán)水電阻率下降的原因之一?；诖?收集磁體入口過濾器及循環(huán)管道上的回水過濾器濾網(wǎng)上存在的固體粉末進(jìn)行元素分析,探究其可能的來源。

圖5 磁體的去離子水循環(huán)管路Fig.5 Deionized water circulation line of magnet

由于磁體冷卻循環(huán)水的主要過水部件為比特片、管道、濾網(wǎng)及高壓純水泵,因此分析這些過水部件的主要組成元素以探究粉末的來源。磁體中的比特片的主要成分是Cu 和Ag(Cu:76%,Ag:24%)[1],而循環(huán)管道、濾網(wǎng)和純水泵過水部件的主要材質(zhì)皆為不銹鋼,故利用雙向觀測等離子發(fā)射光譜儀對粉末中存在的Ag、Cu 及Fe 進(jìn)行定量分析。樣品分別來自4 個不同的濾網(wǎng)(a、b、c 位于磁體入口,d 來自回水管道)分析結(jié)果如表1 所示。

表1 濾網(wǎng)表面粉末銅、銀及鐵的含量Table 1 Concentrations of Cu,Ag and Fe in powders from strainer

由表可知,各粉末中均出現(xiàn)不同濃度的Cu 和Ag,說明循環(huán)冷卻水在帶走磁體熱量的同時也對磁體有沖刷作用。a、b、d 3 個過濾器濾網(wǎng)上的粉末中,Ag 和Cu 的含量都是遠(yuǎn)高于Fe 的,其中a、b、d 過濾器的粉末中Cu 的含量分別是Fe 的111.54、316.10和93.60 倍,而Ag 的含量則為93.38、35.40 和8.16倍。這表明在大流量水冷卻磁體的過程中,水的沖刷會對磁體產(chǎn)生剝蝕,沖刷累積的粉末成為磁體運(yùn)行中水質(zhì)下降的原因之一。

4 磁體水質(zhì)的恢復(fù)

4.1 去離子水制備與提純系統(tǒng)

為了保證磁體循環(huán)管道內(nèi)的去離子水水質(zhì),穩(wěn)態(tài)強(qiáng)磁場實(shí)驗裝置去離子水冷卻系統(tǒng)建設(shè)了一套純水制備及提純系統(tǒng),目的是為磁體冷卻循環(huán)系統(tǒng)提供高電阻率的補(bǔ)充水[2]。系統(tǒng)主要由脫氣膜裝置、TOC、UV、拋光混床和0.2 μm 過濾器組成等組成[3]。

4.2 磁體水質(zhì)恢復(fù)實(shí)驗

如前所述,去離子冷卻水對水冷磁體的運(yùn)行至關(guān)重要,因此其水質(zhì)需時刻保持較高的水平。在3.2 節(jié)中進(jìn)行了大流量循環(huán)實(shí)驗,在330 分鐘后磁體中去離子水的電阻率已經(jīng)降到了10.22 MΩ·cm,需要將水質(zhì)恢復(fù)至≥15 MΩ·cm。在水質(zhì)下降到10.22 MΩ·cm 后,打開了提純裝置,對循環(huán)管道及磁體的水質(zhì)進(jìn)行提純,此時循環(huán)冷卻水的水質(zhì)變化如圖6 所示。由圖可知水質(zhì)從10.23 MΩ·cm 提升到17.92 MΩ·cm 僅用了2 小時45 分鐘(165 分鐘),之后也可以保持水質(zhì)的相對穩(wěn)定。說明提純系統(tǒng)可以在較短的時間內(nèi)恢復(fù)磁體循環(huán)水的水質(zhì),保證磁體正常運(yùn)行時水質(zhì)的穩(wěn)定。

圖6 提純系統(tǒng)對水質(zhì)恢復(fù)的影響Fig.6 Effect of purification system on water quality recovery

4.3 提純系統(tǒng)對高場運(yùn)行時水質(zhì)的影響

對于穩(wěn)態(tài)強(qiáng)磁場實(shí)驗裝置來說,其核心功能是提供穩(wěn)定的強(qiáng)磁場,因此實(shí)驗過程中的循環(huán)水水質(zhì)對水冷磁體來說意義重大。通過調(diào)取WM1 的4 次高場穩(wěn)場實(shí)驗(即一直維持很高的場強(qiáng)進(jìn)行實(shí)驗)過程中水質(zhì)的變化數(shù)據(jù),探究在磁體通電時提純對大流量循環(huán)冷卻水水質(zhì)的影響。水質(zhì)的變化如圖2.6 所示,其中場強(qiáng)分別為20.00 T,25.00 T,30.00 T 和35.00 T,對應(yīng)的電流分別為19 703 A,24 630 A,29 558 A,和35 000 A。由圖7 可以看出,在4 個不同場強(qiáng)的高場實(shí)驗中,水質(zhì)最低為15.87 MΩ·cm,且水質(zhì)基本保持在均值附近,標(biāo)準(zhǔn)偏差均小于0.3,表明高場實(shí)驗過程中磁體及循環(huán)冷卻水的水質(zhì)一直保持穩(wěn)定。上述兩組數(shù)據(jù),表明現(xiàn)有提純系統(tǒng)的提純流量(最大循環(huán)流量的6.5%,約為65 m3/h)完全可以滿足水冷磁體實(shí)驗過程中水質(zhì)的優(yōu)良穩(wěn)定,這對于穩(wěn)態(tài)強(qiáng)磁場實(shí)驗裝置的穩(wěn)定運(yùn)行來說至關(guān)重要。

圖7 高場穩(wěn)場時循環(huán)冷卻水的水質(zhì)變化Fig.7 Water quality changes of circulating cooling water in high steady magnetic field

5 結(jié)論

研究了靜置磁體及大流量循環(huán)時的磁體水質(zhì)變化,分析了可能影響磁體水質(zhì)的因素,并對提純系統(tǒng)維持磁體水質(zhì)穩(wěn)定的能力進(jìn)行驗證。具體結(jié)論如下:

(1)靜置磁體中的去離子水6 天最高下降3.43 MΩ·cm,而大流量循環(huán)時水質(zhì)5.5 小時內(nèi)下降了7.24 MΩ·cm。表明大流量循環(huán)下磁體內(nèi)的去離子水水質(zhì)下降速率較快。

(2)對回水管道及磁體入口過濾器濾網(wǎng)上的固體粉末進(jìn)行研究,發(fā)現(xiàn)其主要成分為Cu 和Ag,表明在大流量水冷卻磁體的過程中,水的沖刷會對磁體產(chǎn)生剝蝕,沖刷累積的粉末成為磁體運(yùn)行中水質(zhì)下降的原因之一。

(3)提純系統(tǒng)在165 分鐘內(nèi)可將WM1 中水質(zhì)從10.23 MΩ·cm 恢復(fù)至17.92 MΩ·cm,并且不同磁場強(qiáng)度下的高場實(shí)驗時水質(zhì)條件一直平穩(wěn),證明了現(xiàn)有提純系統(tǒng)提純比例選取可滿足提供穩(wěn)定的去離子水水質(zhì)的要求。

本研究為穩(wěn)態(tài)強(qiáng)磁場實(shí)驗裝置水冷磁體的水質(zhì)變化提供依據(jù),為后續(xù)更加合理有效的進(jìn)行水質(zhì)的分析提供參考。