CN113064108A - 一种测量超导带在强制对流冷却下失超及恢复特性的装置 - Google Patents

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祝乘风
谭宏博
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Abstract

一种测量超导带在强制对流冷却下失超及恢复特性的装置，包括真空绝热储罐、低温液体强制对流系统和超导带材电路系统；真空绝热储罐包括由实验腔及外侧真空夹层组成的双层结构，实验腔顶部通过第一法兰密封，U型管出口连接在第一法兰顶部，并通过第二法兰进行密封；低温液体强制对流系统包括低温液体储罐，低温液体储罐中的低温液体经过闸阀、流量计流入U型管内，并通过第一法兰上的排空管路排放至大气中；超导带材电路系统包括超导带两端的铜块正、负极，铜块正、负极经电流引线、分流器、数据采集器和计算机连接，超导带放置于U型管内部，浸泡在低温液体中；本发明能够准确测量超导带在强制对流冷却下失超及其恢复特性。

Description

一种测量超导带在强制对流冷却下失超及恢复特性的装置
技术领域
本发明涉及天然气及能源输送技术领域，具体涉及一种测量超导带在强制对流冷却下失超及恢复特性的装置。
背景技术
近年来，传统化石能源与电力混输超导能源管道受到了学术界的广泛研究，利用液化天然气的冷量给高温超导电缆提供低温环境，显著提高了能量输送效率。例如专利(申请号CN201810804587.X)提出一种低温燃料传导冷却的超导能源管道结构，专利(申请号CN201910354666.X)提出了一种耐冲击耐烧蚀的超导能源管道结构，专利(申请号CN201710724139.4)提出了一种液化天然气冷却CF4保护的超导能源管道结构。但是，以上方案均未考虑超导能源管道的失超安全性问题。
化石能源与电力联合输送时，安全问题不容小觑，一旦发生失超，将引起管道压力波动甚至爆破。可以通过研究超导带的失超特性来模拟研究超导能源管道的安全性问题，目前，学术界已提出了多种测量超导带失超及恢复特性的方案[例如专利(申请号CN201910332534.7)、(申请号CN201210122159.1)、(申请号CN201811386639.2)]，主要是将超导带材浸泡在液氮中，利用液氮的自然对流和池沸腾换热来冷却超导带材。然而，超导能源管道中的低温化石能源是流动的，超导电缆的冷却是利用了低温化石能源的强制对流和流动沸腾换热。因此，业界迫切需要一种技术能够准确测量超导带在强制对流冷却下失超及其恢复特性。
发明内容
为了克服上述现有现有技术的缺点，本发明的目的是提供一种测量超导带在强制对流冷却下失超及恢复特性的装置，能够准确测量超导带在强制对流冷却下失超及其恢复特性，实现了调节强制对流换热系数的功能。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种测量超导带在强制对流冷却下失超及恢复特性的装置，包括真空绝热储罐、低温液体强制对流系统和超导带材电路系统；
所述的真空绝热储罐包括由实验腔1及其外侧设有的真空夹层组成的双层结构，真空夹层为低于10-3Pa的高真空环境，实验腔1顶部通过第一法兰6进行端部密封，第一法兰6底部开设有与位于实验腔1内侧的U型管8入口直径相同的通孔，U型管8入口连接在通孔上，U型管8出口连接在第一法兰6顶部，并通过第二法兰7进行密封；
所述的低温液体强制对流系统包括低温液体储罐9，低温液体储罐9中的低温液体经过闸阀10、流量计11通过第二法兰7上的管路流入U型管8内，并通过第一法兰6上的排空管路直接排放至室外大气环境中；闸阀10和流量计11用于调节低温液体流量，从而实现测量在不同强制对流换热系数的冷却条件下超导带失超及恢复特性；
所述的超导带材电路系统包括连接在超导带e的两端的铜块正极d1、铜块负极d2，铜块正极d1和电流引线正极c1一端连接，电流引线正极c1另一端和分流器b连接；铜块负极d2和电流引线负极c2一端连接，电流引线负极c2另一端和直流电源a负极连接，直流电源a正极和分流器b连接；电流引线正极c1和电流引线负极c2安装在第二法兰7上；分流器b通过数据采集器i和计算机j连接，用于实时采集并记录电路中的电流信号；
超导带e放置于U型管8内部，完全浸泡在低温液体中。
通过打开第二法兰7，在固定U型管8的情况下抽出超导带e，方便更换超导带e。
所述的真空绝热储罐外壁开设有可视化视窗2，结合U型管8内侧设有的低热耗散LED灯照明设备3，能够观测超导带失超及恢复过程中低温流体的流动情况；LED灯照明设备3的功率由计算机j控制。
所述的第一法兰6上开有实验腔1抽真空管路、低温液体排空管路和LED灯照明设备3通道接口；第二法兰7上开有电流引线正极c1、电流引线负极c2和低温液体入口管路接口。
当被测量的超导带e采用钇钡铜氧高温超导带材时，低温液体采用液氮或液化天然气；当被测量的超导带e采用硼化镁高温超导带材时，低温液体采用液氦或液氢。
温度传感器g1、g2、g3、g4和电压传感器h1、h2、h3、h4交错设置在超导带e上，并与数据采集器i连接，用于采集超导带e上相应位置的温度和电压信号；加热丝f缠绕在超导带e中部，并与数据采集器i连接，用于产生瞬时的脉冲热量。
所述的超导带材电路系统中，U型管8内浸泡在低温液体中的导线均采用与超导带e相同材质的超导线。
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
本发明提供了一种测量超导带在强制对流冷却下失超及恢复特性的装置，该装置具有耐压等级高、安全性强、操作便捷等优点，可以通过打开第二法兰7，在固定U型管8的情况下抽出超导带e，从而方便更换超导带；此外，该装置中U型管8内浸泡在低温液体中的导线均采用与超导带e相同材质的超导线，避免了电阻产热导致低温液体发生相变。闸阀10和流量计11用于调节低温液体流量，从而实现测量在不同强制对流换热系数的冷却条件下超导带失超及恢复特性。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明作进一步的描述，但不构成对本发明的任何限制，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还有各种变化和改变，本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，仍在本发明的权利要求范围内。
参照图1，一种测量超导带在强制对流冷却下失超及恢复特性的装置，包括真空绝热储罐、低温液体强制对流系统和超导带材电路系统；
所述的真空绝热储罐包括由实验腔1及其外侧设有的真空夹层组成的双层结构，真空夹层为低于10-3Pa的高真空环境，实验腔1顶部通过第一法兰6进行端部密封，第一法兰6底部开设有与位于实验腔1内侧的U型管8入口直径相同的通孔，U型管8入口焊接在通孔上，U型管8出口焊接在第一法兰6顶部，并通过第二法兰7进行密封；所述的真空夹层与第一真空泵4连接，实验腔1抽真空管路与第二真空泵5连接；
所述的低温液体强制对流系统包括低温液体储罐9，低温液体储罐9中的低温液体经过闸阀10、流量计11通过第二法兰7上的管路流入U型管8内，并通过第一法兰6上的排空管路直接排放至室外大气环境中；闸阀10和流量计11用于调节低温液体流量，从而实现测量在不同强制对流换热系数的冷却条件下超导带失超及恢复特性；
所述的超导带材电路系统包括连接在超导带e的两端的铜块正极d1、铜块负极d2，铜块正极d1和电流引线正极c1一端连接，电流引线正极c1另一端和分流器b连接；铜块负极d2和电流引线负极c2一端连接，电流引线负极c2另一端和直流电源a负极连接，直流电源a正极和分流器b连接；电流引线正极c1和电流引线负极c2安装在第二法兰7上；分流器b通过数据采集器i和计算机j连接，用于实时采集并记录电路中的电流信号；
所述的超导带e放置于U型管8内部，完全浸泡在低温液体中。
通过打开第二法兰7，在固定U型管8的情况下抽出超导带e，从而方便更换超导带e。
所述的真空绝热储罐外壁开设有可视化视窗2，结合U型管8内侧设有的低热耗散LED灯照明设备3，能够观测超导带失超及恢复过程中低温流体的流动情况；LED灯照明设备3的功率由计算机j控制。
所述的第一法兰6上开有实验腔1抽真空管路、低温液体排空管路和LED灯照明设备3通道接口；第二法兰7上开有电流引线正极c1、电流引线负极c2和低温液体入口管路接口。
当被测量的超导带e采用钇钡铜氧等高温超导带材时，低温液体采用液氮或液化天然气；当被测量的超导带e采用硼化镁等高温超导带材时，低温液体采用液氦或液氢。
温度传感器g1、g2、g3、g4和电压传感器h1、h2、h3、h4交错焊接在超导带e上，并与数据采集器i连接，用于采集超导带e上相应位置的温度和电压信号；加热丝f缠绕在超导带e中部，并与数据采集器i连接，用于产生瞬时的脉冲热量。
所述的超导带材电路系统中，U型管8内浸泡在低温液体中的导线均采用与超导带e相同材质的超导线，以避免电阻产热导致低温液体发生相变。
本发明的工作原理是，开展实验前，打开第一真空泵4，将真空夹层真空度降低至10-3Pa以下；打开第二真空泵5将实验腔1内压力抽空至10Pa以下；打开闸阀10，向U型管8中通入低温液体至填充整个U型管8；等待低温液体流动稳定后，向加热丝f加载瞬时的脉冲电流后断开，超导带e会发生失超，并在低温液体的强制对流冷却下逐渐恢复；通过可视化视窗2观测低温液体的流态，并记录温度传感器g1、g2、g3、g4和电压传感器h1、h2、h3、h4的数据；等待超导带e完全恢复至超导态后，打开第二法兰7，更换超导带e并重复以上步骤以测量其失超及恢复特性。

Claims (7)

1.一种测量超导带在强制对流冷却下失超及恢复特性的装置，其特征在于：包括真空绝热储罐、低温液体强制对流系统和超导带材电路系统；
所述的真空绝热储罐包括由实验腔(1)及其外侧设有的真空夹层组成的双层结构，真空夹层为低于10-3Pa的高真空环境，实验腔(1)顶部通过第一法兰(6)进行端部密封，第一法兰(6)底部开设有与位于实验腔(1)内侧的U型管(8)入口直径相同的通孔，U型管(8)入口连接在通孔上，U型管(8)出口连接在第一法兰(6)顶部，并通过第二法兰(7)进行密封；
所述的低温液体强制对流系统包括低温液体储罐(9)，低温液体储罐(9)中的低温液体经过闸阀(10)、流量计(11)通过第二法兰(7)上的管路流入U型管(8)内，并通过第一法兰(6)上的排空管路直接排放至室外大气环境中；闸阀(10)和流量计(11)用于调节低温液体流量，从而实现测量在不同强制对流换热系数的冷却条件下超导带失超及恢复特性；
所述的超导带材电路系统包括连接在超导带(e)的两端的铜块正极(d1)、铜块负极(d2)，铜块正极(d1)和电流引线正极(c1)一端连接，电流引线正极(c1)另一端和分流器(b)连接；铜块负极(d2)和电流引线负极(c2)一端连接，电流引线负极(c2)另一端和直流电源(a)负极连接，直流电源(a)正极和分流器(b)连接；电流引线正极(c1)和电流引线负极(c2)安装在第二法兰(7)上；分流器(b)通过数据采集器(i)和计算机(j)连接，用于实时采集并记录电路中的电流信号；
超导带(e)放置于U型管(8)内部，完全浸泡在低温液体中。
2.根据权利要求1所述的一种测量超导带在强制对流冷却下失超及恢复特性的装置，其特征在于：通过打开第二法兰(7)，在固定U型管(8)的情况下抽出超导带(e)，方便更换超导带(e)。
3.根据权利要求1所述的一种测量超导带在强制对流冷却下失超及恢复特性的装置，其特征在于：所述的真空绝热储罐外壁开设有可视化视窗(2)，结合U型管(8)内侧设有的LED灯照明设备(3)，能够观测超导带失超及恢复过程中低温流体的流动情况；LED灯照明设备(3)的功率由计算机(j)控制。
4.根据权利要求1所述的一种测量超导带在强制对流冷却下失超及恢复特性的装置，其特征在于：所述的第一法兰(6)上开有实验腔(1)抽真空管路、低温液体排空管路和LED灯照明设备(3)通道接口；第二法兰(7)上开有电流引线正极(c1)、电流引线负极(c2)和低温液体入口管路接口。
5.根据权利要求1所述的一种测量超导带在强制对流冷却下失超及恢复特性的装置，其特征在于：当被测量的超导带(e)采用钇钡铜氧高温超导带材时，低温液体采用液氮或液化天然气；当被测量的超导带(e)采用硼化镁高温超导带材时，低温液体采用液氦或液氢。
6.根据权利要求1所述的一种测量超导带在强制对流冷却下失超及恢复特性的装置，其特征在于：温度传感器(g1、g2、g3、g4)和电压传感器(h1、h2、h3、h4)交错设置在超导带(e)上，并与数据采集器(i)连接，用于采集超导带(e)上相应位置的温度和电压信号；加热丝(f)缠绕在超导带(e)中部，并与数据采集器(i)连接，用于产生瞬时的脉冲热量。
7.根据权利要求1所述的一种测量超导带在强制对流冷却下失超及恢复特性的装置，其特征在于：所述的超导带材电路系统中，U型管(8)内浸泡在低温液体中的导线均采用与超导带(e)相同材质的超导线。
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