CN112649041A - 一种超导电机用冷媒传输件传输性能测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超导电机用冷媒传输件传输性能测量装置，包括低温制冷装置以及置于同一公共平台上的冷媒总流量测试段、冷媒传输件、冷媒有效流量测试段和拖动电机，还包括用于采集及控制测量装置的温度、压力、转速、加热量等参数的监控系统，还公开了其测量方法，通过手动改变低温截止阀的开度以改变管路压差，可测量在不同压差情况下冷媒传输件后的流量，进而测量冷媒传输件的密封性能。

Description

一种超导电机用冷媒传输件传输性能测量装置及方法

技术领域

本发明属于超导应用低温技术领域，特别涉及一种超导电机用冷媒传输件传输性能测量装置，以及其测量方法。

背景技术

自1986年高温超导材料发现以来，高温超导材料发展快速并引起了世界许多国家的跟踪发展，超导线材的发展及应用领域正越来越广泛，如超导限流器、超导电缆、超导电机、超导磁储能等。目前，已经商业化运营的高温超导线材主要有一代Bi系超导线材及二代Yi系高温超导线材，而在高温超导电机应用中，由Bi系或Yi系高温超导线材绕制的超导磁体工作温度在30K左右，因此，需要一个稳定可靠的低温系统给超导磁体正常工作提供低温条件。

目前，已知的高温超导转子低温冷却用冷媒主要有以下三种。

1，采用液氮浸泡方式将高温超导磁体冷却至77K，此种方法直接简单，安全可靠。此种方式适用于磁体工作温度在77K附近，无法满足30K温区的要求。

2，采用液氖作为冷媒，液氖一个大气压下的饱和点温度为27.1K，可将超导磁体将至30K，满足超导磁体工作温度要求。但液氖冷却采用热虹吸式循环，使用条件限制较大，因此，采用液氖作为冷媒只在高温超导电机研究初期采用。

3，采用冷氦气作为冷媒。冷氦气在超导磁体工作温区不发生相变，可采用专用泵作为循环动力，尤其适用于超导电机转子常温轴方案，是高温超导电机低温系统冷媒的已知最佳选择。采用冷氦气作为冷媒，需利用冷媒传输件作为超导电机低温系统与转子之间的动、静过渡，冷媒传输件在动、静过渡部位采用非接触式密封，而非接触式密封存在不可避免的“短路”旁通流量。因此，需要知道冷媒传输件在低温、旋转条件下的传输效率，以利于冷媒传输件的设计及改进。

冷媒传输件是超导电机低温系统与转子之间的过渡装置，起到动、静转换及密封作用。在低温、旋转条件下，冷媒传输件在动、静过渡部位采用非接触式密封，而非接触式密封存在不可避免的“短路”旁通流量，因此准确测量冷媒传输件的传输性能对超导电机具有重要意义。

发明内容

本发明的目的之一是提供一种超导电机用冷媒传输件传输性能测量装置，以准确把握冷媒传输件的传输性能。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种超导电机用冷媒传输件传输性能测量装置，包括低温制冷装置以及置于同一公共平台上的冷媒总流量测试段、冷媒传输件、冷媒有效流量测试段和拖动电机，还包括用于采集及控制测量装置的温度、压力、转速、加热量等参数的监控系统；所述的低温制冷装置用于为冷媒总流量测试段、冷媒传输件和冷媒有效流量测试段提供低温冷源及冷媒循环驱动力，冷媒传输件为被测对象；所述的冷媒总流量测试段用于测量进入冷媒传输件的总流量，由设置一进一回两路冷媒管路的高真空绝热容器和高真空绝热容器内位于进气管路上的换热器一、温度传感器及压力表组成，一端与低温制冷装置相连，另一端与待测冷媒传输件相连，所述的换热器一上设置有加热丝一；所述的冷媒有效流量测试段用于测量冷媒流经待测冷媒传输件后的实际流量，由设置一进一回两路冷媒管路的高真空绝热容器和高真空绝热容器内位于进气管路上的换热器二、温度传感器、差压表及低温截止阀组成，一端与冷媒传输件相连，另一端与拖动电机相连，所述的换热器二上设置有加热丝二，可手动改变低温截止阀的开度以改变管路压差，测量在不同压差情况下冷媒传输件后的流量；拖动电机采用变频调速控制直连驱动冷媒有效流量测试段，用于模拟超导电机转子旋转工作条件；低温制冷装置提供的冷媒依次通过冷媒总流量测试段的进气管路和待测冷媒传输件，进入冷媒有效流量测试段的进气管路，然后从冷媒有效流量测试段的回气管路进入待测冷媒传输件，通过冷媒总流量测试段的回气管路返回低温制冷装置。

所述的一种超导电机用冷媒传输件传输性能测量装置，其低温制冷装置采用GM制冷机作为低温冷源，冷氦气作为冷媒，采用氦气泵作为冷氦气循环动力。

所述的一种超导电机用冷媒传输件传输性能测量装置，其冷媒总流量测试段中的温度传感器包括分别设置在换热器一前后侧的温度传感器一和温度传感器二。

所述的一种超导电机用冷媒传输件传输性能测量装置，其压力表连接在温度传感器一前侧。

所述的一种超导电机用冷媒传输件密传输能测量装置，其冷媒有效流量测试段中的温度传感器包括分别设置在换热器一前后侧的温度传感器三和温度传感器四。

所述的一种超导电机用冷媒传输件传输性能测量装置，其差压表两端分别连接在温度传感器三和温度传感器四前后侧，用于测量冷媒传输件进、回气口的压差。

本发明的目的之二是提供一种超导电机用冷媒传输件传输性能测量方法，包括如下步骤：

步骤1，本发明装置正常运行时，给处于低温、真空条件下冷媒总流量测试段A的换热器一施加加热量Q1，待稳定后，通过温度传感器一、温度传感器二分别测量换热器一前后侧的温度T1、T2，通过压力表测量系统工作压力，利用该压力值及T1、T2的温度平均值，查出冷媒的定压比热Cp，然后由公式Q1=M1 Cp（T2-T1）计算出通过换热器一的冷媒总流量M1，即为通过冷媒传输件的总流量M1；

步骤2，给冷媒有效流量测试段C的换热器二施加加热量Q2，待稳定后，通过温度传感器三、温度传感器四分别测量换热器二前后侧的温度T3、T4，通过压力表测量系统工作压力，然后利用该压力值及T3、T4的温度平均值，查出冷媒的定压比热Cp，然后由公式Q2=M2Cp（T4-T3）计算出通过换热器二的冷媒总流量M2，即为通过冷媒传输件的有效流量M2；

步骤3，计算冷媒传输件的传输性能为：（M2/M1）×100%。

本发明的有益效果是：

本发明装置工作时，给处于低温、真空、绝热条件下的换热器一施加一定的加热量Q，待稳定后，经温度传感器一、温度传感器二分别测量换热器一前后的温度T1、T2，压力表测量系统工作压力，然后利用压力值及T1、T2的温度平均值，查出冷媒的定压比热Cp，然后由公式Q=mCp（T2-T1）计算出通过换热器一的冷媒总流量M1，通过改变低温截止阀的开度可改变冷媒传输件进、出口压差，可测量超导电机转子管路压降及开展多组压差下的冷媒传输件密封性能测量。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

各附图标记为：1—低温制冷装置，2—压力表，3—温度传感器一，4—换热器一，5—加热丝一，6—温度传感器二，7—差压表，8—温度传感器三，9—换热器二，10—加热丝二，11—温度传感器四，12—低温截止阀，13—拖动电机，A—冷媒总流量测试段，B—冷媒传输件，C—冷媒有效流量测试段，D—公共平台，E—监控系统。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。

如图1所示，本发明公开的一种超导电机用冷媒传输件传输性能测量装置，包括低温制冷装置1、冷媒总流量测试段A、待测冷媒传输件B、冷媒有效流量测试段C和拖动电机13，还包括用于采集及控制测量装置的温度、压力、转速、加热量等参数的监控系统E；所述低温制冷装置1用于为冷媒总流量测试段A、待测冷媒传输件B和冷媒有效流量测试段C提供低温冷源及冷媒循环驱动力；冷媒总流量测试段A、冷媒传输件B、冷媒有效流量测试段C、拖动电机13置于同一公共平台D上，以利于调节同轴度。

本发明实施例采用冷氦气作为冷媒，低温制冷装置1采用GM制冷机作为低温冷源，采用氦气泵作为冷氦气循环动力。温度传感器一3和温度传感器二6分别设置在换热器一4前后侧，压力表2连接在温度传感器一3前侧。

本发明冷媒总流量测试段A用于测量进入冷媒传输件B的总流量，其一端与低温制冷装置1相连，另一端与冷媒传输件B相连。设置一进一回两路冷媒管路，在进气管路上设置换热器4、加热丝一5、温度传感器一3和温度传感器二6、压力表2。为尽可能的避免测量误差，冷媒总流量测试段A为一高真空绝热容器，其内所有低温部分的零部件均采用多层绝热材料包扎隔热。

低温制冷装置1提供的冷媒依次通过冷媒总流量测试段A的进气管路和待测冷媒传输件B，进入冷媒有效流量测试段C的进气管路，然后从冷媒有效流量测试段C的回气管路进入待测冷媒传输件B，通过冷媒总流量测试段A的回气管路返回低温制冷装置1。

基于本发明测量装置的测量方法包括如下步骤：

步骤1，本发明装置正常运行时，给处于低温、真空条件下冷媒总流量测试段A的换热器一4施加加热量Q1，待稳定后，通过温度传感器一3、温度传感器二6分别测量换热器一4前后侧的温度T1、T2，通过压力表2测量系统工作压力，利用该压力值及T1、T2的温度平均值，查出冷媒的定压比热Cp，然后由公式Q1=M1 Cp（T2-T1）计算出通过换热器一4的冷媒总流量M1，即为通过冷媒传输件B的总流量M1；

步骤2，给冷媒有效流量测试段C的换热器二9施加加热量Q2，待稳定后，通过温度传感器三8、温度传感器四11分别测量换热器二9前后侧的温度T3、T4，通过压力表2测量系统工作压力，然后利用该压力值及T3、T4的温度平均值，查出冷媒的定压比热Cp，然后由公式Q2=M2 Cp（T4-T3）计算出通过换热器二9的冷媒总流量M2，即为通过冷媒传输件B的有效流量M2；

步骤3，计算冷媒传输件B的传输性能为：通过公式（M2/M1）×100%。

为确保测试准确，T2与T1差值不能过大，过大会造成定压比热Cp查询不准确，一般控制T2与T1差值不大于3K。

本发明冷媒有效流量测试段C用于测量冷媒流经冷媒传输件B后的实际流量，其一端与冷媒传输件B相连，另一端与拖动电机13相连。设置一进一回两路冷媒管路，在进气管路上设置换热器9、加热丝二10、温度传感器三8和度传感器四11、差压表7、低温截止阀12。在冷媒有效流量测试段C内，差压表7可测量冷媒传输件B进、回气口的压差。采用与总流量相同的测试方法，计算出有效流量测试段的冷媒流量M2，进而可以计算出冷媒传输件的传输效率。

温度传感器三8和温度传感器四11分别设置在换热器一4前后侧，差压表7两端分别连接在温度传感器三8和温度传感器四11前后侧，用于测量冷媒传输件进、回气口的压差。

拖动电机13采用变频调速控制直连驱动冷媒有效流量测试段C，用于模拟超导电机转子旋转工作条件。可手动改变低温截止阀12的开度以改变管路压差，可测量在不同压差情况下冷媒传输件后的流量M2，进而测量冷媒传输件的密封性能。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，以及部分运用的实施例，对于本领域的技术人员来说，在不偏离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种超导电机用冷媒传输件传输性能测量装置，其特征在于：包括低温制冷装置（1）以及置于公共平台（D）上的冷媒总流量测试段（A）、冷媒有效流量测试段（C）和拖动电机（13），还包括用于采集及控制温度、压力、转速、加热量参数的监控系统（E）；

所述的低温制冷装置（1）用于为冷媒总流量测试段（A）、待测冷媒传输件（B）和冷媒有效流量测试段（C）提供低温冷源及冷媒循环驱动力；

所述的冷媒总流量测试段（A）用于测量进入冷媒传输件（B）的总流量，由设置一进一回两路冷媒管路的高真空绝热容器和高真空绝热容器内位于进气管路上的换热器一（4）、温度传感器及压力表（2）组成，一端与低温制冷装置（1）相连，另一端与待测冷媒传输件（B）相连，所述的换热器一（4）上设置有加热丝一（5）；

所述的冷媒有效流量测试段（C）用于测量冷媒流经待测冷媒传输件（B）后的实际流量，由设置一进一回两路冷媒管路的高真空绝热容器和高真空绝热容器内位于进气管路上的换热器二（9）、温度传感器、差压表（7）及低温截止阀（12）组成，一端与冷媒传输件（B）相连，另一端与拖动电机（13）相连，所述的换热器二（9）上设置有加热丝二（10）；

拖动电机（13）采用变频调速控制驱动冷媒有效流量测试段（C），模拟超导电机转子工作条件；

低温制冷装置（1）提供的冷媒依次通过冷媒总流量测试段（A）的进气管路和待测冷媒传输件（B），进入冷媒有效流量测试段（C）的进气管路，然后从冷媒有效流量测试段（C）的回气管路进入待测冷媒传输件（B），通过冷媒总流量测试段（A）的回气管路返回低温制冷装置（1）。

2.根据权利要求1所述的一种超导电机用冷媒传输件传输性能测量装置，其特征在于，所述的低温制冷装置（1）采用GM制冷机作为低温冷源，采用氦气泵作为冷氦气循环动力。

3.根据权利要求2所述的一种超导电机用冷媒传输件传输性能测量装置，其特征在于，所述冷媒总流量测试段（A）中的温度传感器包括分别设置在换热器一（4）前后侧的温度传感器一（3）和温度传感器二（6）。

4.根据权利要求3所述的一种超导电机用冷媒传输件传输性能测量装置，其特征在于，所述的压力表（2）连接在温度传感器一（3）前侧。

5.根据权利要求2所述的一种超导电机用冷媒传输件传输性能测量装置，其特征在于，所述冷媒有效流量测试段（C）中的温度传感器包括分别设置在换热器一（4）前后侧的温度传感器三（8）和温度传感器四（11）。

6.根据权利要求5所述的一种超导电机用冷媒传输件传输性能测量装置，其特征在于，所述的差压表（7）两端分别连接在温度传感器三（8）和温度传感器四（11）前后侧。

7.一种如权利要求1所述超导电机用冷媒传输件传输性能测量装置的测量方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1，给处于低温、真空条件下的换热器一（4）施加加热量Q1，通过温度传感器一（3）、温度传感器二（6）分别测量换热器一（4）前后侧的温度T1、T2，通过压力表（2）测量系统工作压力，利用该压力值及T1、T2的平均值，查出冷媒的定压比热Cp，然后由公式Q1=M1 Cp（T2-T1）计算出通过换热器一（4）的冷媒总流量M1，即为通过冷媒传输件（B）的总流量M1；

步骤2，给换热器二（9）施加加热量Q2，通过温度传感器三（8）、温度传感器四（11）分别测量换热器二（9）前后侧的温度T3、T4，通过压力表（2）测量系统工作压力，然后利用该压力值及T3、T4的平均值，查出冷媒的定压比热Cp，然后由公式Q2=M2 Cp（T4-T3）计算出通过换热器二（9）的冷媒总流量M2，即为通过冷媒传输件（B）的有效流量M2；

步骤3，计算冷媒传输件（B）的传输性能为：（M2/M1）×100%。

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