CN108962484B - 超导电缆用相变换热过冷箱、冷却系统以及冷却方法 - Google Patents

Abstract

超导电缆用相变换热过冷箱、冷却系统以及冷却方法，过冷箱包括：过冷箱；置于过冷箱内的相变换热器、过冷换热器，相变换热器包括连接腔室、一根或多根与连接腔室上端连通的冷凝管，以及与连接腔室下端连通的汽化管，冷凝管与制冷机的冷头连接，在相变换热器内有第一液氮，在过冷箱内有第二液氮，汽化管、过冷换热器浸泡在第二液氮中，过冷换热器的进液口和出液口分别与超导电缆液氮循环通道的两端连通，通过相变换热器内的第一液氮在液态和气态之间转化，如此反复来达到释放超导电缆的液氮热量的目的。本发明利用液氮汽化潜热大的优点，通过液相的汽化吸热和气相的冷凝放热机理，达到热负荷由超导电缆传递至制冷机的高效传输目的。

Description

超导电缆用相变换热过冷箱、冷却系统以及冷却方法

技术领域

本发明涉及超导电缆技术领域，具体地说，涉及一种超导电缆用相变换热过冷箱、冷却系统以及冷却方法。

背景技术

在超导电缆系统中，热负荷是影响稳定运行的重要因素，热负荷主要来源于终端漏热、波纹管恒温器漏热、交流损耗生热以及泵阀漏热，诸多环节造成漏热量非常大。超导电缆液氮循环流冷却不仅给超导材料提供70K的工作温区，同时及时带走上述热负荷产生的热量，避免发生热量积聚，导致超导电缆失超。制冷系统作为超导电缆重要子系统之一，直接关系到超导电缆运行效率和安全可靠性，是超导电缆能否工业化应用的关键之一。

过冷箱是超导电缆制冷系统中的关键设备，其主要由制冷机、过冷换热器、冷头换热器、冷箱杜瓦、控制阀门等组成。过冷换热器把管内高温液氮的热量传给管外的冷媒(液氮)，冷媒中的热量被冷头换热器带走，以保持冷媒的低温。通过自然对流实现热量传递冷却高温超导电缆的液氮，使超导电缆液氮温度降低，防止超导电缆失超。

现有技术中，过冷箱中冷头换热器一般由无氧铜盘管组成，有如下缺点：

(1)由于无氧铜导热系数较小，冷头换热器需要很大的换热面积，换热器空间利用率较小。制冷机故障时，冷头温度升高，将外界热负荷通过面积增大的冷头换热器反向传递至超导电缆，使超导电缆系统温度升高，进而失超。

(2)对于长距离高温超导电缆系统，系统漏热较大，换热量较大，无氧铜盘管式过冷箱无法满足超导电缆系统低温要求。

(3)一旦超导电缆故障导致热负荷突然增大，因无氧铜导热效率低，不能快速将热负荷传递至制冷机。

针对以上问题，暂未有较好的解决方案。

发明内容

为解决以上问题，本发明提供一种超导电缆用相变换热过冷箱，包括：过冷箱；置于过冷箱内的相变换热器、过冷换热器，其中，相变换热器包括连接腔室、一根或多根与连接腔室上端连通的冷凝管，以及与连接腔室下端连通的汽化管，所述冷凝管与制冷机的冷头连接，在相变换热器内充有第一液氮，在过冷箱内充有第二液氮，所述汽化管则部分或全部浸泡在所述第二液氮中，过冷换热器浸泡在第二液氮中，且过冷换热器的进液口和出液口分别与超导电缆液氮循环通道的两端连通，其中，通过对过冷箱内增压和/或对相变换热器减压，使过冷箱内的压力大于相变换热器中压力，使得相变换热器内的第一液氮的沸点低于过冷箱内的第二液氮的沸点，流入过冷换热器的超导电缆的液氮的热量经过相变换热器的汽化管加热第一液氮，使达到沸点的第一液氮汽化吸热，转化为氮气，氮气上升至冷凝管中放热液化转化为第一液氮，并重新回落至汽化管内。

优选地，所述过冷箱的外壳为杜瓦的形式。

优选地，相变换热器的汽化管及冷凝管是无氧铜管。

优选地，所述汽化管的外壁上设置有多个无氧铜材质的翅片。

优选地，所述连接腔室为低温绝热材质制成。

优选地，过冷换热器是连续的盘管。

一种超导电缆用相变换热过冷系统，包括以上所述的超导电缆用相变换热过冷箱；制冷机；用于调节过冷箱内和相变换热器内压力的阀门。

一种超导电缆液氮冷却方法，采用以上所述的超导电缆用相变换热过冷箱，将超导电缆的液氮循环冷却通道的两端分别与过冷换热器的进液口和出液口连通，调节过冷箱和/或相变换热器内的压力，将过冷箱内的压力调节到大于相变换热器内的压力，从而使得过冷箱内的第二液氮的沸点高于相变换热器内的第一液氮的沸点，当携带有热量的液氮从超导电缆进入过冷换热时，过冷换热器吸收了热量，会使得第二液氮的温度升高，第二液氮使得汽化管内的第一液氮先达到汽化状态，第一液氮汽化后上升至冷凝管，与制冷机的冷头交换热量冷凝，并重新回落至汽化管内。

本发明提出一种超导电缆用相变换热过冷箱，利用液氮汽化潜热大的优点，通过液相的汽化吸热和气相的冷凝放热机理，达到热负荷由超导电缆传递至制冷机的高效传输目的。其等效传热系数远超过无氧铜材。相较无氧铜盘管换热器，液氮冷头换热器体积更小，传热效率更高，同时传热单向性，即热负荷只从超导电缆流向制冷机；当制冷机故障停机后不会升温传向超导电缆。

附图说明

通过结合下面附图对其实施例进行描述，本发明的上述特征和技术优点将会变得更加清楚和容易理解。

图1是表示本发明实施例的超导电缆用相变换热过冷箱的剖视图；

图2是表示本发明实施例的相变换热器的剖视图；

图3-1是表示本发明实施例的冷凝管的平面布置图；

图3-2是表示本发明实施例的汽化管的平面布置图；

图4是表示本发明实施例的超导电缆用相变换热过冷箱的热传导流程图。

具体实施方式

下面将参考附图来描述本发明所述的超导电缆用相变换热过冷箱、冷却系统以及冷却方法的实施例。本领域的普通技术人员可以认识到，在不偏离本发明的精神和范围的情况下，可以用各种不同的方式或其组合对所描述的实施例进行修正。因此，附图和描述在本质上是说明性的，而不是用于限制权利要求的保护范围。此外，在本说明书中，附图未按比例画出，并且相同的附图标记表示相同的部分。

如图1所示，本实施例的超导电缆用相变换热过冷箱包括置于过冷箱10内的相变换热器5、过冷换热器7。其中，相变换热器5包括一根或多根连接于连接腔室52上端的冷凝管51，以及连接于连接腔室52下端的汽化管53。其中，如图2所示，各冷凝管51的下端与连接腔室52连通，各汽化管53的上端与连接腔室52连通，其平面布置图如图3-1、3-2所示。在相变换热器5内充有第一液氮54，相变换热器5的冷凝管51与制冷机的冷头紧密连接，在过冷箱10内充有第二液氮6，相变换热器5的汽化管53则部分或全部浸泡在过冷箱10中盛装的第二液氮6中。过冷换热器7安装在过冷箱10内，且浸泡在第二液氮6中。过冷换热器7是连续的盘管，且盘管的两端与超导电缆液氮循环通道连通，以使得超导电缆的受热的液氮流入盘管的一端，并经过冷却后从盘管的另一端流回超导电缆内。

通过对过冷箱10内增压和对相变换热器5的减压，使过冷箱10内的气体压力大于相变换热器5中气体压力(P_过冷箱＞P_{相变换热器})，根据气体平衡方程PV＝nRT可以看出，液氮的沸点与饱和蒸汽压力成正比，所以相变换热器5内的第一液氮54的沸点远低于过冷箱10内的第二液氮6的沸点(T_过冷箱＞T_{相变换热器})。因此，可以通过分别调节过冷箱10、相变换热器5中气体的压力，使第一液氮54的沸点大于第二液氮6的沸点，并分别达到设定值。

当超导电缆的高温液氮流入过冷换热器7时，会使得过冷箱10内的热负荷增加，导致过冷箱10内的温度升高，热量经过相变换热器5的汽化管53加热第一液氮54，使达到沸点的第一液氮54汽化吸热，转化为氮气。在相同的温度下，过冷箱10内的第二液氮6仍然保持液态。氮气上升经过连接腔室52再上升至与制冷机的冷头连接的冷凝管51中，氮气放热液化形成第一液氮，由于重力作用重新回落至汽化管53内。通过相变换热器5内的第一液氮54的状态变化将超导电缆的受热的液氮的热量传导给制冷机，从而使得超导电缆的液氮维持在工作所需的低温状态。

也可以是仅调节过冷箱10内的压力，使其高于相变换热器5内的气体压力。或者仅调节相变换热器5内的压力，使其低于过冷箱10内的气体压力。例如，在过冷箱10上设置有与过冷箱10内连通的管路，并在管路上安装有控制阀2，通过调节控制阀2来补充第二液氮及控制过冷箱中气体压力。

在一个可选实施例中，所述过冷箱10的外壳为杜瓦的形式。所述杜瓦是指外壳为双层壁的形式。且在壁间抽成高真空以减小气体的传热，双层壁相对的两个表面镀银或抛光以降低辐射率，从而使辐射传热尽可能地减小。

在一个可选实施例中，相变换热器5的汽化管53及冷凝管51是无氧铜管。进一步地，汽化管53的外壁上设置有多个无氧铜材质的翅片531，用于增大与第二液氮6的接触面积，实现超导电缆系统热负荷的充分传输。

在一个可选实施例中，所述连接腔室为低温绝热材质制成，防止制冷机故障，冷头热量反向传输至过冷箱中导致电缆系统温度升高。

本发明还提供一种超导电缆用相变换热过冷系统，包括：超导电缆用相变换热过冷箱、制冷机、用于调节过冷箱内和相变换热器内压力的阀门。

本发明还提供一种超导电缆液氮循环冷却方法，利用以上所述的超导电缆用相变换热过冷箱，将超导电缆的液氮循环冷却通道的两端分别与过冷换热器7的进液口71和出液口72连通。调节过冷箱10内的压力，或者也可以调节相变换热器7内的压力，或者同时调节过冷箱10和相变换热器5内的压力。将过冷箱10内的压力调节到大于相变换热器5内的压力，从而使得过冷箱10内的第二液氮的沸点高于相变换热器5内的第一液氮的沸点。如图4所示，当携带有热量的液氮从超导电缆进入过冷换热器7时，过冷换热器吸收了热量，会使得其浸泡在的第二液氮的温度升高，从而由第二液氮来加热相变换热器5的汽化管53，使得汽化管53内的第一液氮先达到汽化状态。第一液氮汽化后上升至冷凝管51，与制冷机的冷头1交换热量，使得氮气放热冷凝，并重新回落至汽化管53内。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种超导电缆用相变换热过冷箱，包括过冷箱、置于过冷箱内的过冷换热器，在过冷箱内充有第二液氮，过冷换热器浸泡在第二液氮中，且过冷换热器的进液口和出液口分别与超导电缆液氮循环通道的两端连通，其特征在于，还包括：

置于过冷箱内的相变换热器；

其中，相变换热器包括连接腔室、一根或多根与连接腔室上端连通的冷凝管，以及与连接腔室下端连通的汽化管，所述冷凝管与制冷机的冷头连接，在相变换热器内充有第一液氮，

所述汽化管则部分或全部浸泡在所述第二液氮中，

其中，通过对过冷箱内增压和/或对相变换热器减压，使过冷箱内的压力大于相变换热器中压力，使得相变换热器内的第一液氮的沸点低于过冷箱内的第二液氮的沸点，流入过冷换热器的超导电缆的液氮的热量经过相变换热器的汽化管加热第一液氮，使达到沸点的第一液氮汽化吸热，转化为氮气，氮气上升至冷凝管中放热液化转化为第一液氮，并重新回落至汽化管内。

2.如权利要求1所述的超导电缆用相变换热过冷箱，其特征在于，

所述过冷箱的外壳为杜瓦的形式。

3.如权利要求1所述的超导电缆用相变换热过冷箱，其特征在于，

相变换热器的汽化管及冷凝管是无氧铜管。

4.如权利要求3所述的超导电缆用相变换热过冷箱，其特征在于，所述汽化管的外壁上设置有多个无氧铜材质的翅片。

5.如权利要求1所述的超导电缆用相变换热过冷箱，其特征在于，所述连接腔室为低温绝热材质制成。

6.如权利要求1所述的超导电缆用相变换热过冷箱，其特征在于，过冷换热器是连续的盘管。

7.一种超导电缆用相变换热过冷系统，其特征在于，包括：

权利要求1至6中任一项所述的超导电缆用相变换热过冷箱；

制冷机；

用于调节过冷箱内和相变换热器内压力的阀门。

8.一种超导电缆液氮冷却方法，其特征在于，采用权利要求1至6中任一项所述的超导电缆用相变换热过冷箱，将超导电缆的液氮循环冷却通道的两端分别与过冷换热器的进液口和出液口连通，调节过冷箱和/或相变换热器内的压力，将过冷箱内的压力调节到大于相变换热器内的压力，从而使得过冷箱内的第二液氮的沸点高于相变换热器内的第一液氮的沸点，

当携带有热量的液氮从超导电缆进入过冷换热时，过冷换热器吸收了热量，会使得第二液氮的温度升高，第二液氮使得汽化管内的第一液氮先达到汽化状态，第一液氮汽化后上升至冷凝管，与制冷机的冷头交换热量冷凝，并重新回落至汽化管内。