CN110081644A - 一种带相分离器的开环式超导变压器制冷方法和实现该方法的制冷机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种带相分离器的开环式超导变压器制冷方法和实现该方法的制冷机。该发明主要包括储液罐、换热器、相分离器、加热器、截止阀、真空泵、阀门、气液管路以及附件。其特征在于，低压液态制冷剂在制冷系统的换热器中吸热汽化，使放有超导变压器的低温恒温保持器内液体温度冷却到超导温度以下，吸热后的制冷剂经过相分离器，其中液态制冷剂被回收再利用，气态制冷剂被排出。该制冷方法制冷效率高、制冷剂利用率高、节省空间、环保、无污染。

Description

一种带相分离器的开环式超导变压器制冷方法和实现该方法 的制冷机

技术领域

本发明涉及一种带相分离器的开环式超导变压器制冷方法和实现该方法的制冷机，涉及超导应用低温技术领域。

背景技术

变压器的优化发展是目前能源技术领域的重要研究内容。目前我国的输电电网损耗在8％左右，变压器的损耗是其中重要的组成部分之一。另外，传统变压器使用绝缘油，容易泄露造成环境污染。针对传统变压器能效、污染的问题，国内外采取的主要优化的方向之一是开发使用高温超导材料(HTS)代替传统线材的超导变压器。超导材料在变压器上的应用将带来诸多的优势：能够传输更大的电流、减小电力损耗，将效率提升到99％以上；绕组的尺寸可以降低、质量更轻，因此显著地节省能量、降低体积、重量；超导变压器在过负荷的情况下不会因热力学老化带来的寿命减少的超负荷运转能力；超导变压器使用液氮作为绝缘和冷却介质，液氮汽化后融入大气环境，不造成对环境、空气的污染；低温环境降低了火灾危险，提高了安全性；从节能的角度来看，采用超导变压器也将带来经济效益。

超导变压器多使用高温超导材料(HTS)，这些材料普遍浸泡在液氮中使用。为了实现高温超导变压器所需的低温液氮环境，要配备与之对应的制冷系统。目前普遍应用于超导变压器的冷却系统，制冷量低、占地面积大、效率不高，因此需要一种更简单、更高效、制冷剂利用率更高的超导变压器冷却系统。

本发明提出一种开环式的超导变压器冷却系统，采用通过储存的液体工质汽化吸热的过程直接实现低温恒温保持器内超导材料的低温环境。以往使用的冷却系统多为闭式的G-M式制冷机、斯特林制冷机、脉管制冷机制冷，虽然闭式系统内制冷剂可以循环使用，但由于制冷机内制冷剂需要完成压缩、降温、膨胀、升温的过程，需要压缩机、膨胀机和换热器等设备，所以制冷机一方面需要消耗大量的能量，另一方面也要占用较大的空间。而本发明使用开环式系统，通过低温液体(以低压环境下的沸点约65K的液氮为例)与低温恒温保持器内约77K的液氮的温差吸热汽化制冷，与目前所使用的制冷方法相比，本方法消耗的能量更低，且体积更小，制冷剂利用率较高，且采用液氮为制冷剂无毒、无污染。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明的目的是提供一种超导变压器冷却系统，解决目前超导变压器制的冷系统体积较大、效率较低的问题，为超导变压器提供一种新的制冷方式。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明涉及一种带相分离器的开环式超导变压器制冷方法和实现该方法的制冷机，且置于低温恒温保持器内，其特征在于，包括储液罐、换热器、相分离器、加热器、真空泵、阀门、气液管路以及附件。

其中所述的相分离器，其特征为：所述相分离器置于一单独的低温恒温保持器内，所述相分离器入口与换热器的出口管道相连，所述相分离器的液体出口与换热器入口管道相连，所述相分离器的气体出口与加热器入口管道相连，所述相分离器的出口处设有止回阀门。

其中所述的换热器，其特征为内部压力相对于低温恒温保持器内压力为负压；其中所引述的换热器包括有液体流入口、气体流出口、冷却剂储存腔体、冷却剂流动管道；所述的换热器管道数量n与腔体部分高度h和宽度d、管道公称直径D的经验式为：

其中所述的一种带相分离器的开环式超导变压器制冷方法和实现该方法的制冷机，使用液氮为制冷剂，在一种带相分离器的开环式超导变压器制冷方法和实现该方法的制冷机中的流动的过程为：

液态的制冷剂储存在储液罐中，在流出后进入到装有超导变压器的低温恒温保持器内的低压换热器中，制冷剂在换热器中加热并汽化，使低温保持器内液体温度冷却到超导设备的超导温度以下，汽化后的制冷剂进入相分离器，其中气体部分被真空泵抽出，液体部分在重力作用下沉入下部，待收集到一定量的液体制冷剂后，通过管道流回至换热器中。

(三)有益效果

本发明提供的一种带相分离器的开环式超导变压器制冷方法和实现该方法的制冷机，具有以下优点：1.本发明使用液氮为制冷剂，环保、无污染；2.本发明使用液氮的汽化潜热进行制冷，制冷效率高；3.本发明在设有相分离器，未汽化的液氮仍可回流至换热器内，制冷剂使用率高；4.本发明配合变频真空泵，可以通过调整流速改变制冷量，满足各类换热量的使用需求。

附图说明

图1是本发明的一种带相分离器的开环式超导变压器制冷方法和实现该方法的制冷机的系统图；

图2是一种带相分离器的开环式超导变压器制冷方法和实现该方法的制冷机中主要部件的剖面图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

本发明的一种带相分离器的开环式超导变压器制冷方法和实现该方法的制冷机的工作过程为：液体制冷剂工质保存在液体储存罐1中，当低温阀门3被打开时，制冷剂从液体储存罐1的出口流出，经过低温管道2、阀门3和低温管道4后流入到放置于低温恒温保持器18内的换热器5的入口；低温保持器18内同时还放有超导变压器设备17，在超导变压器设备17正常运行时会产生一定的热量，这些热量通过换热器5被吸收；在换热器5内，制冷剂被加热，并逐渐汽化；汽化后的制冷剂气体将连同一定量的制冷剂液体从换热器5的出口流出至管道6并进入相分离器7内；相分离器7包裹在低温恒温保持器内，以保证其中的温度恒定；在相分离器7内，有液体、气体混合状态的制冷剂，液体部分由重力作用进入到相分离器7的底部，而气体部分从相分离器7的出口被系统后端真空泵13的作用下抽出；气体制冷剂工质离开进一步流经管道8后进入加热器9，在加热后进入管道10；阀门11在系统运转正常时打开，使管道10内的气体制冷剂进入管道12，并经过真空泵13抽出进入外部环境中；在相分离器7下方的液体制冷剂收集到一定量后，阀门15打开，液体制冷剂流经管道14、阀门15、管道16后，进入管道4中，并重新回到加热器5内，被重新使用。

本发明的一种带相分离器的开环式超导变压器制冷方法和实现该方法的制冷机的使用过程为：系统启动之前阀门3、阀门11、阀门15处于关闭状态，加热器9、真空泵13处于停机状态，超导设备17(铁芯和超导绕组)不产生热量；当超导设备17使用时，启动真空泵13、加热器9，打开阀门3、阀门11，系统开始制冷；当相分离器内收集了较多液体时，打开阀门15，使液体回到管道4中，待液体制冷剂流出后关闭阀门15；当液体储存罐1内的液氮使用完毕时，需要关闭系统并重新补充液氮。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，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 (2)

1.本发明涉及一种带相分离器的开环式超导变压器制冷方法和实现该方法的制冷机，且置于低温恒温保持器内，其特征在于，包括储液罐、换热器、相分离器、加热器、真空泵、阀门、气液管路以及附件；其中所述的相分离器，其特征为：所述的相分离器放置于一单独的低温恒温保持器内，所述相分离器入口与换热器的出口管道相连，所述相分离器的液体出口与换热器入口管道相连，所述相分离器的气体出口与加热器入口管道相连，所述相分离器的出口处设有止回阀门；其中所述的换热器，其特征为内部压力相对于低温恒温保持器内压力为负压；其中所引述的换热器包括有液体流入口、气体流出口、冷却剂储存腔体、冷却剂流动管道；所述的换热器管道数量n与腔体部分高度h和宽度d、管道公称直径D的经验式为：

2.如权利要求1所述的一种带相分离器的开环式超导变压器制冷方法和实现该方法的制冷机，其特征在于，使用液氮为制冷剂，在一种带相分离器的开环式超导变压器制冷方法和实现该方法的制冷机中的流动的过程为：

液态的制冷剂储存在储液罐中，在流出后进入到装有超导变压器的低温恒温保持器内的低压换热器中，制冷剂在换热器中加热并汽化，使低温保持器内液体温度冷却到超导设备的超导温度以下，汽化后的制冷剂进入相分离器，其中气体部分被真空泵抽出，液体部分在重力作用下沉入下部，待收集到一定量的液体制冷剂后，通过管道流回至换热器中。