CN105324601B - 用冷却回路中的过冷液体冷却耗能器的装置 - Google Patents

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Abstract

根据现有技术，诸如过冷液氮的过冷流体介质被泵送穿过子冷却器并且由该子冷却器通过真空下蒸发同一介质来进行冷却。然后过冷液氮被用作耗能器的冷却剂。如果该耗能器仅将少量的热量发散给氮，则可以在该过冷却器所安排于其中的这个回路中引导该液体介质。为了补偿体积的波动，这种回路需要一个补偿器皿，然而，该补偿器皿是非常昂贵的并且此外当使用外部能量来加热介质的一部分时或者当必须使用在非常低的温度下沸腾的惰性气体来作为压力补偿介质时可能仅在存在有过冷介质时才运行。根据本发明提出的是，将用于该液体介质的供应容器整合到该冷却回路中并且用作补偿器皿。其结果是，可以不再使用分开的补偿器皿。

Description

用冷却回路中的过冷液体冷却耗能器的装置
技术领域
本发明涉及一种冷却耗能器的装置，该装置具有指配给该耗能器的、用于对冷却流体进行循环的冷却回路，在该冷却回路中提供了泵和过冷却器，其中，该过冷却器具有：容器，该容器经由装备有膨胀阀的供应管线而与针对该冷却液体的存储罐流体连接并且该容器用于容纳冷却液浴；气体去除管线，该气体去除管线被安排在该容器上以用于排放经蒸发的冷却液体；以及热交换器，在该装置的适当使用过程中该热交换器被浸入该冷却液浴中并且被整合到该冷却回路中。
背景技术
低沸点的液化气体(例如液氮、液氧或液化稀有气体)仅通过存储容器和管的特别良好的隔绝就可以保持为液体。最轻微的入射热辐射或摩擦加热可能取决于不同的沸腾状态而导致部分气化。这种部分气化导致在冷却回路中积聚会损害预期冷却作用的沸腾气泡。为了抵消这种部分气化，因此最好是在将流体供应至发热耗能器之前对该流体进行过冷却。在本发明的背景下“过冷却”应当理解成在相应压力下将液体冷却到低于其沸腾温度的温度上。在高沸点的液化气体(例如二氧化碳或氟化烃)的情况下，过冷却是相对易于实现的。为此，在存储罐中的液体冷却剂是通过电冷却单元而被过冷却到以下程度，即：在环形管系统的再循环过程中，不会因为入射热辐射和摩擦损失而发生任何的部分气化。然而，对此所要求的单元考虑到它们的高功率要求而是对于其获取和运行而言非常昂贵的。
DE 2929709 A1描述了一种用于对液体进行过冷却的装置。该装置由绝热容器构成，液化低温冷却剂的冷却液浴被安排在该绝热容器中并且在其头部空间中安排了气体出口阀。在该冷却液浴中，安排了热交换器、例如冷却盘管，有待被过冷却的液体流动穿过该热交换器。为了对液体进行过冷却，就确保了在冷却液浴上的压力比冷却盘管内的压力更低。因为虽然该冷却液浴处于沸腾状态，但其压力相对于有待被过冷却的液体是降低的，其沸腾温度低于有待被过冷却的液体地沸腾温度，该液体被该冷却液浴过冷却并使得其内已经形成的气泡被再次液化。冷却液浴上的压力越低，该冷却盘管中的液体的沸腾温度就越低并且对其进行的过冷却就越有效。
此时可以使用这种过冷却器来冷却耗能器，这是在于这种过冷却器例如是整合到指配给该耗能器的冷却回路中的。该过冷却器不断地将过冷却的冷却液体供应至耗能器。在这样的构型的情况下，有可能使得在冷却液体的过冷却过程中除去的热量与该耗能器所输入的热量相匹配，从而使得该冷却液体即使在与该耗能器热接触的过程中也不会达到其沸腾温度，从而使得该冷却液体在该冷却回路中总是处于液体状态。
为了补偿密度或体积的波动，还特别是在不规则热输入的情况下，此类型的冷却回路应当装备有均衡器皿，在该均衡器皿中在该冷却液体的水平高度上方存在用于使压力均衡的气体。例如，EP 1 355 114 A2描述了一种用低温液体作为冷传递介质来冷却部件(诸如高温超导线缆)的封闭冷却回路，其中指配给该冷却回路的均衡器皿起作用来使冷却回路维持在例如2巴至20巴的升高的运行压力下、并且补偿在该封闭回路中突然形成的气体和泄漏损耗。在这种情况下，该均衡器皿是直接连接到冷却回路的并且填充有相同的低温液体，该低温液体也在该冷却回路中循环。
然而，被整合到该冷却回路中的均衡容器限制了可能性并且特别是该冷却回路所可以运行的温度。特别地，在以过冷却液体工作的冷却回路的情况下，借助于经气化的冷却流体的压力均衡是不可能或困难的，因为过冷却的液体进入均衡容器将使其中的气态冷却剂冷凝并且将该均衡容器中的压力降低至低于运行压力。一种可能的解决方案是使用较低沸点气体(例如氦气)作为该均衡容器的气体室中的均压气体，或者在该均衡容器内在气相与液相之间提供分离膜。然而，这两者均涉及在构造和维护方面的巨大支出。
发明内容
因此，本发明所基于的目标是创造一种使用冷却回路中的过冷却的冷却液体来对耗能器进行冷却的装置，在该装置中用简单的手段实现了冷却回路中的压力均衡。
在具有引言中提及的类型和预期目的的装置的情况下，实现这一目标在于，在该装置的适当使用过程中，从该冷却回路中分支出一条开放流动的连接管线，该连接管线被流体连接至该存储罐和/或至通向该过冷却器的冷却液浴的供应管线的膨胀阀的上游。
因此，根据本发明的装置以初始本身已知的方式包括冷却回路，在该冷却回路中除了耗能器之外还提供了用于输送冷却液体(在下文中同义地使用术语“冷却液体”和“液体冷却剂”)的泵以及被安排在该耗能器上游的过冷却器。该过冷却器致使该冷却液体到低于其在相应压力下的沸腾温度，这种过冷却被适宜地执行到以下程度，即：在过冷却过程中从该冷却液体除去的热量至少补偿从耗能器、泵和任何管损失所输入的热量。该过冷却器包括被整合到该冷却回路中的热交换器，有待被过冷却的液体冷却剂流动穿过该热交换器并且该热交换器被容纳在冷却液浴中。就其本身而言，该冷却液浴被容纳在一个压力密封且气密的容器中并且由与循环于该冷却回路中循环的冷却液体基本上相同的物质构成、但其比该冷却液体处于更低的温度下。为了获得低温度的冷却液浴，该冷却液浴上的气相的压力经由排气口被相应地具体设定成一个值(以下称为“目标压力”)，冷却液浴中的冷却液体的在该值下的沸腾温度的低于该冷却回路中的冷却液体的沸腾温度。该冷却回路中的冷却剂之间的温度差因此基本上是由于该冷却液浴与冷却回路之间的压力差导致的。通过与冷却液浴进行的热交换，就致使该冷却回路中的冷却液体到低于其沸点的温度(以下称为“目标温度”)。在这种情况下，该冷却回路中的沸腾温度与该目标温度之间的差基本上是由从耗能器、泵以及该冷却回路的管输入的热量来确定的、并且特别地还可以根据输入的热量来加以控制。为了补偿由于热交换器处输入热量引起的该冷却液浴中的冷却液体的损失，容纳该冷却液浴的压力器皿被流体连接到用于该冷却液体的存储罐中。将该存储罐的贮槽连接到该冷却液浴的这个液体供应管线装备有膨胀阀，该膨胀阀确保了不会超过该冷却液浴上的目标压力。作为液体冷却剂，优选使用低温液化气体，例如液氮或液化的稀有气体。
为了在冷却回路中实现由于密度或体积的可能波动而必要的压力均衡，根据本发明使用的是存储罐本身。为此，该存储罐经由连接管线流体地连接到该冷却回路，该连接管线在该膨胀阀的上游从液体供给管线分支出来并且在该装置的适当使用过程中始终保持开放双向流动。在这种情况下，该连接管线开放通到该存储罐本身中或者通到将该存储罐与过冷却器中的冷却液浴相连的液体供应管线中，在任何情况下都是在该膨胀阀的上游。因此，在密度或体积波动的情况下，该冷却液体可以从该存储罐流动到该冷却回路中或者反之亦然，而这对该冷却液浴的区域中的压力比不会具有显着的影响。实际的压力均衡是由该存储罐中的冷却液体上存在的气相造成的。特别地，如果与该冷却回路的体积相比该冷却液体在存储罐中维持了大的体积的话，该存储罐中的冷却液体的数量及其液体静压力就防止了经由该连接管线流动到该存储罐的贮槽中的过冷却的冷却液体将该存储罐中的液体冷却剂的温度降低至使该存储罐中的气相崩溃的程度。然而，该存储罐中的压力可能通过与该存储罐相连接的增压汽化器、例如空气汽化器(Luftverdampfers)而可以维持在预定压力下。因此，在冷却回路中没有必要存在分开的均衡器皿，因此相对于根据现有技术的冷却回路还简化了根据本发明的冷却装置的构造，并且避免了由输入到该均衡器皿中的热量所造成的能量损失。
在本发明的有利实施例中，在该液体供应管线中将第二过冷却器安排在该膨胀阀的上游但在该连接管线进入该液体供应管线的口部的下游。该第二过冷却器防止了该液体冷却剂在到达该膨胀阀时以气态状态存在的部分超出不可忽略的范围，气态冷却剂将损害膨胀阀的功能并且还影响第一过冷却器(以下称为“主过冷却器”)的功能。作为第二过冷却器，使用的是例如如下的一个物体，在该物体中输送有待过冷却的介质的管线被给送穿过冷却液浴并且与该冷却液浴热连接，该冷却液浴的温度比给送穿过该管线的介质的温度更低。
本发明的其他有利实施例提供的是，在该液体供应管线中将分相器提供在该膨胀阀的上游并且在该连接管线的分支点的下游。作为分相器，例如使用的是一个容器，有待分离的介质被供应至该容器，并且在该容器中介质分离成积聚在该容器底部的液相(并且随后被传递至冷却器)以及在该液相上方的气相(其被排出并且可能供应至其他用途)。特别地，该分相器用于从该液体中分离出从该连接管线进入液体供应管线至该主过冷却器的冷却液浴中的闪蒸气体，而不允许该气体到达该主过冷却器。另外，该分相器可以还被用来对给送至该主过冷却器的冷却剂进行预冷却。在这种情况下，在该分相器的上游但在该连接管线的分支点的下游安排了另一个膨胀阀，并且该分相器是以低于该存储罐的贮槽中的例如未经增压的(1巴)压力的一个压力来运行的。附加的过冷却器或附加的分相器缓解了主过冷却器并且减少了冷却剂的消耗，尤其是在将要通过对该主过冷却器的冷却液浴应用真空(p<1巴)来获得特别低的冷却温度的情况下是如此。
原理上，该连接管线可以在冷却回路的任何点处开放通到该冷却回路中，但优选的是该连接管线在该过冷却器的上游开放通到该冷却回路中，以使该过冷却器的温度对该存储罐的影响保持尽可能地小。为了能够特别有效地均衡该耗能器的区域中的任何密度波动，该连接管线尤其优选地在该耗能器的下游但在该泵的上游开放通到该冷却回路中。
本发明的有利发展提供的是，该气体去除管线装备有真空泵。以此方式，在这个容纳着冷却液浴的压力容器中的目标压力可以降低到低于环境压力的值，也就是说低于1巴，并且因此有可能在冷却中实现更低的温度。
有利地，该存储罐装备有增压气化器，例如空气气化器。这样在存储罐中维持了恒定压力。
本发明的另一优选实施例的特征在于，该冷却液浴的温度能够根据该冷却回路中输入的热量来通过一个测量和控制装置加以控制。因此，例如，在该冷却回路中的冷却液体的温度是不断地或以预定时间间隔来检测的，并且所确定的值被给送到控制单元并与该温度的设定值作比较。然后，在这个容纳着冷却液浴的压力容器中的压力是通过对液体供应中的膨胀阀和/或气体出口处的真空泵进行再调节来设定的。
根据本发明的装置特别适合于冷却一种超导的、特别是高温超导的部件。在这种情况下，被整合到冷却回路中的耗能器因此是一个超导部件，例如超导线缆或超导磁体。为了实现和保持超导状态，这种类型的超导部件必须根据材料和由于电流和磁通量造成的负载而保持在接近于零和当前(在一些高温超导体的情况下)约140K之间的低运行温度下。为了达到该工作温度，超导部件被冷却，例如通过提供液氮、液氦或其他液化气体。然而，在运行过程中，这些超导部件几乎不将热量引入该冷却剂中；因此，这些超导部件特别适合于通过冷却回路中循环的过冷却的液体来冷却。
示例：
在用于冷却耗能器(例如超导线缆)的冷却回路中，使用了以8至10巴的压力在冷却回路中循环的液氮作为冷却剂。被安排在该冷却回路中的过冷却器致使氮到达-206℃的温度。在穿过该耗能器和泵之后，氮在该过冷却器的入口处处于-200℃的温度下。从液氮中去除了对应于该温度差的热量是在于该过冷却器的冷却液浴中的压力通过真空泵达到例如0.15和0.2巴之间的值。该冷却回路中的压力对应于该存储容器的贮槽处的压力，从而根据本发明的存储容器可以被用作均衡器皿。
附图说明
在附图的示意图示中展示出了本发明的多个示例性实施例，在附图中：
图1示出了根据本发明以第一实施例的装置的线路图，
图2示出了根据本发明以第二实施例的装置的线路图，
图3示出了根据本发明以第三实施例的装置的线路图。
具体实施方式
在下文中，所示出的实施例中具有相同效果的部分在各自情况下具有相同的参考号。
图1中示出的装置1包括用于对诸如超导线缆或超导磁体的耗能器(在此未示出)进行冷却的冷却回路2。冷却回路2包括用于给该耗能器供应液体冷却剂、特别是低温冷却剂(诸如液氮、LNG或液化稀有气体)的前流管线3以及用于从该耗能器除去液体冷却剂的回流管线4。前流管线3和回流管线4彼此流体地相连接，并且泵5输送冷却回路2内的液体冷却剂。
过冷却器6被安排在该前流管线中在泵5的下游。过冷却器6包括压力容器7，在该压力容器中容纳了冷却液浴8。给送穿过压力容器7的前流管线3与热交换器(例如冷却盘管9)一起进入冷却液浴8。为了将新鲜液体冷却剂供应至冷却液浴8，与存储罐11(例如直立罐)的贮槽相连接的供应管线12开放通向压力容器7。在这种情况下存储罐11中的压力通过罐压力控制单元、例如使用空气气化器13而被保持在一个预定值。在供应管线12中安排了膨胀阀14，通过该膨胀阀可以设定膨胀阀14下游供应管线12中的最大压力。在压力容器7内的上部区域(其在装置1的适当使用过程中填充有气态冷却剂)中，开设有气体去除管线15，真空泵16被任选地整合到该气体去除管线中。冷却管路2和与存储罐11流体连接的这些配件并不是彼此流体性地独立的而是彼此通过连接管线17而相联接的，该连接管线在该膨胀阀上游的分支点18与泵5上游的分支点19之间产生供应管线12与冷却回路2之间的流动连接。
当装置1运行时，液体冷却剂流动穿过冷却回路2。冷却回路2中的压力基本上对应于存储罐11底部的压力并且因此所具有的沸腾温度高于存储罐11的液体表面处的冷却剂的沸腾温度。处于过冷状态的冷却剂通过前流管线3给送至耗能器，并且通过与该耗能器、和/或与通向或形成该耗能器的多个管段热接触而被加热的冷却剂仍然处于液体状态并且优选是仍然以过冷状态经由回流管线4流动离开该耗能器并且通过泵5被给送回到前流管线3中。
为了确保该冷却剂在整个冷却回路2中处于液体状态，前流管线3中的冷却剂被过冷却器6冷却到低于其沸腾温度的一个预定温度，例如5K到10K。该“预定温度”被选定成使得冷却回路2中输入的总热量不足以(或至多刚好足以)将该过冷冷却剂加热到其沸腾温度。为此，使得冷却液浴8中的冷却剂处于比冷却回路2中的冷却剂更低的温度，从而使得压力容器7中主导压力下的沸腾温度低于前流管线3中的冷却剂的预定温度。在膨胀阀14处设定所要求的压力，如果必要的话，该压力还可以是使用真空泵16降低至低于1巴的压力。通过气体去除管线15除去的气体被释放至大气或被供应至其他用途。在本发明的范围内还可想到的是，压力容器7内的压力是根据前流管线3中的冷却剂的测量温度来加以控制的。
在冷却回路2运行过程中产生压力波动的情况下均衡体积是必要的。在装置1的情况下，存储罐11用作这一均衡体积，因为冷却剂可以通过开放来在装置1的运行过程中双向流动的连接管线19而在冷却回路2与存储罐11之间自由流动。增压气化器13提供存储罐11中可能要求的任何压力增大。因此，装置1不要求单独指配给冷却回路2的均衡器皿。由于供应管线12中的分支点18被安排在膨胀阀14的上游，并且膨胀阀14控制到预定极限压力，所以冷却回路2中产生的压力波动不会导致对容器7内的压力比产生显著影响。
图2中示出的装置20与装置1的不同之处仅在于一个额外的过冷却器21，该过冷却器在供应管线12中被安排在膨胀阀14的上游。过冷却器21具有被容纳在冷却液浴23中的热交换器22。冷却液浴23也是从存储罐11供应的，然而不同之处在于膨胀阀24确保了冷却液浴23中的压力低于管线12中的压力，并且因此冷却液浴23中的温度低于流动穿过热交换器22的冷却剂的温度。使流动穿过供应管线12的冷却剂过冷却防止了到达膨胀阀14的冷却剂的绝大部分已经处于气化状态，而已经处于气化状态冷的却剂将危害膨胀阀14的功能性并且影响过冷却器6的性能。
在图3中示出的装置25中，在供应管线12中，分相器26被定位在膨胀阀14的上游，并且另一个膨胀阀27被定位在该分相器的上游。该分相器包括一个器皿28，在该器皿中分相器26上游通过液体冷却剂的气化产生的和/或从冷却回路2经由连接管线19导入的气态冷却剂以气相29收集在分相器26中，而已经保持在液体状态的冷却剂在分相器26中形成液相30。液相30经由供应管线12在分相器26下游的部段与过冷却器6流体连接，而可以经由与气相29流体连接的排气口31从气相29去除气体。分相器26以与装置20中的第二过冷却器21相类似的方式确保了在供应管线12中在膨胀阀14的直接上游处不存在或仅存在少量的气态冷却剂，因此避免了对膨胀阀14的功能破坏；同时，可以使用该分相器来对给送至过冷却器6的冷却剂进行预冷却，因为在运行过程中气相29被保持在比存储罐11的底部的压力更低的压力下。
参考符号列表
1. 装置
2. 冷却回路
3. 前流管线
4. 回流管线
5. 泵
6. 过冷却器
7. 压力容器
8. 冷却液浴
9. 冷却盘管
10. -
11. 存储罐
12. 供应管线
13. 空气气化器
14. 膨胀阀
15. 气体去除管线
16. 真空泵
17. 连接管线
18. 分支点
19. 分支点
20. 装置
21. 过冷却器
22. 热交换器
23. 冷却液浴
24. 膨胀阀
25. 装置
26. 分相器
27. 膨胀阀
28. 容器
29. 气相
30. 液相
31. 排气口

Claims (8)

1.一种冷却耗能器的装置，该装置具有指配给该耗能器的、用于对一种冷却液体进行循环的一个冷却回路(2)，在该冷却回路中提供了一个泵(5)和一个过冷却器(6)，其中，该过冷却器(6)具有：一个容器(7)，该容器经由装备有一个膨胀阀(14)的一条供应管线(12)而与针对该冷却液体的一个存储罐(11)流体连接并且该容器用于容纳一个冷却液浴(8)；一条气体去除管线(15)，该气体去除管线被安排在该容器(7)上以用于排放经蒸发的冷却液体；以及一个热交换器(9)，在该装置(1，20，25)的适当使用过程中该热交换器被浸入该冷却液浴(8)中并且被整合到该冷却回路(2)中，
其特征在于，
在该装置(1，20，35)的适当使用过程中，从该冷却回路(2)中分支出一条开放流动的连接管线(17)，该连接管线被流体连接至该存储罐(11)和/或至通向该过冷却器(6)的冷却液浴(8)的供应管线(12)的膨胀阀(14)的上游。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，一个第二过冷却器(21)被安排在该供应管线(12)中、在该连接管线(17)的口部(18)与该膨胀阀(14)之间。
3.如权利要求1或2所述的装置，其特征在于，一个分相器(26)被提供在该供应管线(12)中、在该膨胀阀(14)的上游。
4.如权利要求1或2所述的装置，其特征在于，该连接管线(17)在该耗能器的下游但在该泵(5)的上游开放通入该冷却回路(2)中。
5.如权利要求1或2所述的装置，其特征在于，该气体去除管线(15)装备有一个真空泵(16)。
6.如权利要求1或2所述的装置，其特征在于，该存储罐(11)装备有一个增压气化器(13)。
7.如权利要求1或2所述的装置，其特征在于，该冷却液浴(8)的温度能够根据该冷却回路(2)中输入的热量来通过一个测量和控制装置加以控制。
8.如权利要求1或2所述的装置，其特征在于，将一个超导部件提供作为该耗能器。
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