CN104649237B - 结合节流阀与渐扩管的氮浆制备装置及其方法 - Google Patents

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本发明公开了一种结合节流阀与渐扩管的氮浆制备装置及其方法。它包括液氮储罐、氮浆制备单元，氮浆制备单元包括节流阀、渐扩管、绝热杜瓦、真空泵；液氮储罐、节流阀、渐扩管、绝热杜瓦顺次相连，绝热杜瓦与真空泵相连；液氮储罐内盛有液氮，绝热杜瓦内接收并储存氮浆。本发明中氮浆的生成方式结合了节流阀和渐扩管各自的优点，在相同流量下渐扩管的加入可以增大系统的制冷量，而在相同进出口压差下渐扩管的加入则可以降低节流阀两端所需的压降，进而避免在节流阀出口处发生固体颗粒堵塞；同时，本发明中的氮浆制备装置结构紧凑、制造成本低、氮浆生成段无运动部件、可靠性高。通过并联多个氮浆制备单元，可实现氮浆的连续大规模生产。

Description

结合节流阀与渐扩管的氮浆制备装置及其方法
技术领域
本发明涉及氮浆制备方法，尤其涉及一种结合节流阀与渐扩管的氮浆制备装置及其方法。
背景技术
虽然低温超导体在磁共振成像等多个领域已经实现了商品化，但由于其运行必须借助昂贵复杂的液氦系统，严重限制了其进一步发展。自1986年发现La2-xBaxCuO4在35K左右可能出现超导转变现象以来，高温超导体已经成为学术界和工业界最为热门的关注点之一。超导临界温度已从传统低温超导体的液氦(4.2K)、液氢(20K)温区跃升至液氮(77K)温区，甚至超过100K，成功克服了低温超导体的温度壁垒。
由于高温超导体的目标应用领域多为强电领域，冷量要求大，冷却温度的稳定性和均匀性是系统安全运行的关键因素，否则一旦出现局部失超将可能带来灾难性的后果，因此高温超导体的冷却问题成了其稳定安全运行的主要问题之一。目前，高温超导体一般采用过冷液氮作为冷却剂，然而液氮的气化潜热较小，瞬间吸收大量热量时容易气化使局部温度骤升，严重时进而导致超导体失超而影响系统的正常工作。氮浆是固氮小颗粒悬浮于液氮中而形成的一种液-固两相低温流体。相比于液氮，氮浆温度更低、密度更大、热容量更高，从而可提高高温超导体冷却过程中的稳定性，减少冷却剂消耗量，同时便于储存和输运。因此，氮浆在高温超导电缆冷却方面的应用受到越来越广泛的关注。
目前，低温浆体的制备方法主要有三种：冷却法、冻结融化法、喷淋法。冷却法是指利用低温冷源，如低温制冷机、低温氢气、低温氦气，对液氮进行降温从而形成固氮，再将固氮与液氮混合。但该方法生产效率较低，对于低温换热器的要求也较高。冻结融化法是将密闭容器压力降至不超过其三相点压力，容器内液体表面就会产生固体层，再利用搅拌装置将大的固体打碎生成颗粒。用搅拌器将大的固体打碎的方法，得到的固体颗粒形状不规则，且颗粒直径难于控制，氮浆的质量很大程度上取决于真空泵和搅拌器的工作能力。喷淋法是将过冷的液氮喷射入低于三相点压力的真空容器中，形成固体颗粒，然后将这些固体混入液氮中形成液-固混合物，即氮浆。采用喷淋法时，真空容器内的压力不宜过低，否则容易造成喷嘴堵塞。
发明内容
本发明的目的是针对现有氮浆制备方法的不足，提供一种结合节流阀与渐扩管的氮浆制备装置及其方法。
结合节流阀与渐扩管的氮浆制备装置包括液氮储罐、氮浆制备单元，氮浆制备单元包括节流阀、渐扩管、绝热杜瓦、真空泵；液氮储罐、节流阀、渐扩管、绝热杜瓦顺次相连，绝热杜瓦与真空泵相连；液氮储罐内盛有液氮，绝热杜瓦内接收并储存氮浆。
所述的氮浆制备单元可为2个以上，并联联接。所述的绝热杜瓦底部与冷却热沉相连，冷却热沉内设有被冷却物体。
结合节流阀与渐扩管的氮浆制备方法：液氮储罐内压力稳定在1个大气压以上，使低温液氮通过节流阀，在J-T节流效应下，使压力和温度下降，形成低温气液混合物，由于绝热杜瓦在真空泵的抽取作用下，压力将会维持在液氮三相点压力12.52kPa以下，因此气液混合物经过渐扩管后，在低压作用下发生绝热膨胀并在绝热杜瓦内发生部分气化，使其中的液体形成过冷液滴，在气流的剧烈扰动中凝固，最终形成固氮颗粒，与绝热杜瓦中的液氮混合形成温度为63.151K、并具有更大密度和热容的氮浆，形成的氮浆可储存在绝热杜瓦内，或直接通过管道输送到使用端。
本发明结合节流阀的节流冷却效应与扩压管的绝热膨胀生成固氮颗粒，并采用真空泵保证节流后系统的低压环境，从而确保固氮的连续生成，进入低温液氮形成氮浆。制备流程结构紧凑、制造成本较低、低温段无运动部件、可靠性较高，节流阀不易发生堵塞。
本发明可同时并联多个制备单元，能够实现为绝热杜瓦生产氮浆以及绝热杜瓦内氮浆往外输送这两个阶段的交替进行，进而保证氮浆的大规模连续生产，特别适用于冷量要求高的大型高温超导体的冷却等场合。
附图说明
图1是结合节流阀与渐扩管的氮浆制备装置结构示意图；
图2是并联两个制备单元的氮浆制备装置结构示意图；
图3是结合节流阀与渐扩管的氮浆制备及对被冷却物体冷却装置结构示意图；
图中：液氮储罐1、液氮2、节流阀3、渐扩管4、氮浆5、绝热杜瓦6、真空泵7、氮浆制备单元8、冷却热沉9、被冷却物体10。
具体实施方式
如图1-3所示，结合节流阀与渐扩管的氮浆制备装置包括液氮储罐1、氮浆制备单元8，氮浆制备单元包括节流阀3、渐扩管4、绝热杜瓦6、真空泵7；液氮储罐1、节流阀3、渐扩管4、绝热杜瓦6顺次相连，绝热杜瓦6与真空泵7相连；液氮储罐1内盛有液氮2，绝热杜瓦6内接收并储存氮浆5。
所述的氮浆制备单元8可为2个以上，并联联接。所述的绝热杜瓦6底部与冷却热沉9相连，冷却热沉9内设有被冷却物体10。已制备的氮浆可从绝热杜瓦6中可通过管道输送到冷却热沉9中，并对其中的被冷却物体10进行冷却，冷却过后可从氮浆出口管排出或回收再利用。
结合节流阀与渐扩管的氮浆制备方法：液氮储罐1内压力稳定在1个大气压以上，使低温液氮通过节流阀3，在J-T节流效应下，使压力和温度下降，形成低温气液混合物，由于绝热杜瓦6在真空泵7的抽取作用下，压力将会维持在液氮三相点压力12.52kPa以下，因此气液混合物经过渐扩管4后，在低压作用下发生绝热膨胀并在绝热杜瓦内发生部分气化，使其中的液体形成过冷液滴，在气流的剧烈扰动中凝固，最终形成固氮颗粒，与绝热杜瓦中的液氮混合形成温度为63.151K、并具有更大密度和热容的氮浆5，形成的氮浆可储存在绝热杜瓦6内，或直接通过管道输送到使用端。
本发明利用节流阀与渐扩管相结合的方式，一方面在相同流量下渐扩管的加入可以增大系统的制冷量，而在相同进出口压差下渐扩管的加入则可以降低节流阀两端所需的压降，进而避免在节流阀出口处发生固体颗粒堵塞；另一方面制备流程结构紧凑、制造成本较低、低温段无运动部件、可靠性较高。本发明可同时并联多个氮浆制备单元，多个单元之间制备与输送过程可交替进行，保证氮浆的大规模连续生产。
由于氮浆的冷却可达到20-30kW/m2，特别适用于冷量要求高的大型高温超导体的冷却场合。本发明以期用于高温超导体进行冷却。这是由于对比液氮等其他冷却剂而言，氮浆气化潜热大，比较不易发生局部气化，可提高高温超导电缆的稳定性，密度大和热容量高也降低了冷却剂消耗量，减小了低温系统的体积，便于储存和输运。

Claims (4)

1.一种结合节流阀与渐扩管的氮浆制备装置，其特征在于它包括液氮储罐（1）、氮浆制备单元（8），氮浆制备单元包括节流阀（3）、渐扩管（4）、绝热杜瓦（6）、真空泵（7）；液氮储罐（1）、节流阀（3）、渐扩管（4）、绝热杜瓦（6）顺次相连，绝热杜瓦（6）与真空泵（7）相连；液氮储罐（1）内盛有液氮（2），绝热杜瓦（6）内接收并储存氮浆（5）。
2.如权利要求1所述的一种结合节流阀与渐扩管的氮浆制备装置，其特征在于，所述的氮浆制备单元（8）可为2个以上，并联联接。
3.如权利要求1或2所述的一种结合节流阀与渐扩管的氮浆制备装置，其特征在于，所述的绝热杜瓦（6）底部与冷却热沉（9）相连，冷却热沉（9）内设有被冷却物体（10）。
4.一种使用如权利要求1所述装置的结合节流阀与渐扩管的氮浆制备方法，其特征在于，液氮储罐（1）内压力稳定在1个大气压以上，使低温液氮通过节流阀（3），在J-T节流效应下，使压力和温度下降，形成低温气液混合物，由于绝热杜瓦（6）在真空泵（7）的抽取作用下，压力将会维持在液氮三相点压力12.52kPa以下，因此气液混合物经过渐扩管（4）后，在低压作用下发生绝热膨胀并在绝热杜瓦内发生部分气化，使其中的液体形成过冷液滴，在气流的剧烈扰动中凝固，最终形成固氮颗粒，与绝热杜瓦中的液氮混合形成温度为63.151K、并具有更大密度和热容的氮浆（5），形成的氮浆可储存在绝热杜瓦（6）内，或直接通过管道输送到使用端。
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