CN113223774A - 一种超导电缆及其冷却方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种超导电缆及其冷却方法。所述超导电缆包括：电缆主体；液氮喷淋管，所述液氮喷淋管设置在所述电缆主体的内部，且与所述电缆主体形成空腔，所述液氮喷淋管的壁面上设有液氮喷射孔，所述液氮喷射孔使所述液氮喷淋管与所述空腔连通。本发明的超导电缆，集成了超导电缆附属制冷系统中的过冷换热器，在实际使用中可简化系统、降低重量、提高总体功重比。

Description

一种超导电缆及其冷却方法

技术领域

本发明涉及特种电缆技术领域，尤其涉及一种超导电缆及其冷却方法。

背景技术

高温超导电缆采用无电阻、高临界电流密度的高温超导材料作为导体，与传统电缆相比具有体积小、质量轻、损耗小、传输容量大等优点。在电力系统中使用高温超导电缆可以提高系统的总效率，带来可观的经济效益和环境效益。

高温超导电缆必须在超导体临界温度以下才能正常工作，因此超导电缆中必须设计有冷却系统带走由于交流损耗和系统漏热带来的热负荷，避免超导电缆失超。

目前，高温超导电缆一般采用简单的液氮强迫对流冷却方式。以典型的单液氮通道冷却的高温超导电缆为例，液氮在超导电缆支撑层空腔内流动，利用显热对超导电缆进行冷却。为了使制冷剂构成循环，液氮在电缆外部的过冷换热器中被冷却后才能再次通入超导电缆中。因此，高温超导电缆的附属制冷系统还包括液氮储罐、过冷箱、过冷换热器、以及提供冷量的液氮减压制冷设备或大型低温制冷机等。

高温超导电缆自身体积小、重量轻，但是在实际使用中，庞大复杂的附属制冷系统使得系统总体质量大大增加。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出一种超导电缆，该超导电缆在实际使用中可简化系统、降低重量、提高总体功重比。

本发明还提出一种超导电缆的冷却方法。

根据本发明第一方面实施例的超导电缆，包括：

电缆主体；

液氮喷淋管，所述液氮喷淋管设置在所述电缆主体的内部，且与所述电缆主体形成空腔；

所述液氮喷淋管的壁面上设有液氮喷射孔，所述液氮喷射孔使所述液氮喷淋管与所述空腔连通。

根据本发明实施例的超导电缆，通过在电缆主体的内部设置液氮喷淋冷却结构，实现在超导电缆上集成超导电缆附属制冷系统中的过冷换热器，相比现有超导电缆，可简化系统、降低重量、提高总体功重比。

另外，根据本发明实施例的超导电缆，还可以具有如下附加技术特征：

根据本发明的一个实施例，所述液氮喷淋管的壁面上设有成对设置的液氮喷射孔。

根据本发明的一个实施例，所述成对设置的液氮喷射孔的纵轴线相交，且交点位于所述空腔中。

根据本发明的一个实施例，所述成对设置的液氮喷射孔的纵轴线夹角为40°～80°。

根据本发明的一个实施例，所述液氮喷射孔的直径d计算公式如下：

其中，Q为系统热负荷，N为开孔数，v为液氮喷射速度，ρ为液氮密度，r为液氮汽化潜热，v典型值为15～24m/s。

根据本发明的一个实施例，所述液氮喷淋管上液氮喷射孔的轴向分布间距Δl计算公式如下：

其中，n为液氮喷淋管周向液氮喷射孔的开孔对数，L为高温超导电缆的长度。

根据本发明的一个实施例，所述电缆主体由内向外依次绕包有支撑层、超导体层、电绝缘层、屏蔽层、真空绝热层和保护层。

根据本发明的一个实施例，所述支撑层的内壁为螺旋微肋表面。

根据本发明第二方面实施例的超导电缆的冷却方法，基于上述任一种所述的超导电缆，液氮从所述液氮喷淋管的端口进入，所述液氮喷淋管中的液氮压力高于大气压，所述空腔处于低于大气压的粗真空状态，液氮在压力差的作用下从所述液氮喷射孔中喷出进入空腔，利用汽化潜热对电缆主体进行冷却，产生的氮气最终从空腔中被抽走。

本发明实施例中的上述一个或多个技术方案，具有如下技术效果：

本发明的超导电缆集成了超导电缆附属制冷系统中的过冷换热器，在实际使用中可简化系统、降低重量、提高总体功重比。

附图说明

为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的一种超导电缆的结构示意图；

图2是本发明实施例提供的位于液氮喷淋管壁面上的液氮喷射孔的放大图；

图3是本发明实施例提供的位于液氮喷淋管壁面上的液氮喷射孔的截面图；

图4是本发明实施例提供的支撑层的结构示意图；

图5是本发明实施例提供的支撑层的截面图。

附图标记：1、液氮通道；2、液氮喷淋管；3、液氮喷射孔；4、支撑层；5、超导体层；6、电绝缘层；7、屏蔽层；8、真空绝热层内壁；9、真空绝热层外壁；10、保护层。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明实施例的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明实施例的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

下面结合图1-图4描述本发明实施例的超导电缆。本发明实施例提供了一种超导电缆，该超导电缆包括电缆主体和液氮喷淋管2，液氮喷淋管2设置在电缆主体的内部，且与电缆主体形成空腔，液氮喷淋管2的壁面上设有液氮喷射孔3，液氮喷射孔3使液氮喷淋管2与空腔连通。

采用本实施例提供的技术方案，液氮在液氮喷淋管2和支撑层4形成的空腔中雾化，最终在支撑层4内壁上汽化，利用液氮汽化潜热对电缆主体进行冷却。

具体地，本实施例中的电缆主体用于不同电压等级的电力传输，根据电缆主体中电绝缘层的工作温度，电缆主体可以为CD冷绝缘超导电缆、WD热绝缘超导电缆。

下面以单相CD冷绝缘超导电缆为例，进行说明。

如图1和图2所示，为本发明提供的一种超导电缆包括：液氮喷淋管2、支撑层4、超导体层5、电绝缘层6、屏蔽层7、真空绝热层内壁8、真空绝热层外壁9、保护层10。

其中，液氮喷淋管2为中空管，内为液氮通道1，壁面上设有液氮喷射孔3。

支撑层4为超导电缆的支撑骨架，呈中空结构，支撑层4的内侧设置有液氮喷淋管2，且支撑层4的内侧与液氮喷淋管2的外侧之间形成空腔，该空腔经液氮喷射孔3与液氮喷淋管2连通。

超导导体层5用于承载电流，由超导材料在支撑层4的外侧绕制而成。屏蔽层6用于产生感应电流，使电缆外部不会产生磁场，减小周围的交流损耗。保护层10起到防潮、抗压及耐磨等作用。

在一些优选的实施例中，如图3所示，液氮喷淋管2采用双股自击式雾化结构，即在液氮喷淋管2的壁面上开有成对的液氮喷射孔3，且液氮喷射孔3纵轴线的交点为典型的撞击点，该撞击点在液氮喷淋管2和支撑层4形成的空腔中。由此，提高液氮在空腔内的雾化效果，进而增强液氮对电缆主体的冷却效果。

进一步地，液氮喷射速度v和喷射孔纵轴线夹角2θ直接影响雾化效果，取值应根据实际情况确定，喷射速度v典型值为15～24m/s，喷射孔轴线夹角2θ为40°～80°，优选为60°。

喷射孔直径d计算公式如下：

其中，Q为系统热负荷，N为开孔数，v为液氮喷射速度，ρ为液氮密度，r为液氮汽化潜热。

液氮喷淋管2上液氮喷射孔3的轴向分布间距Δl计算公式如下：

其中，n为液氮喷淋管周向液氮喷射孔3开孔对数，L为高温超导电缆的长度。

在一些优选的实施例中，如图4-图5所示，支撑层4的内壁为螺旋微肋表面，强化液氮汽化换热并增大了有效换热面积。

在系统工作时，液氮在液氮通道1中具有较高的压力，如2.5bar。在液氮喷淋管2和支撑层4形成的空腔中具有较低的压力，该压力值决定了冷却温度，如空腔中压力为0.17bar时，冷却温度约为65K。液氮在液氮通道1和空腔的压力差的作用下从液氮喷射孔3内喷出，在典型撞击点处碰撞后雾化，最终在支撑层4内壁的螺旋微肋表面上汽化，对电缆进行冷却。

若超导电缆附属制冷系统采用液氮减压制冷装置提供冷量，则液氮可以在采用液氮喷淋冷却的超导电缆中汽化，利用潜热对电缆进行冷却，而无需外部的过冷换热器。若超导电缆采用制冷机提供冷量，则液氮可以在采用液氮喷淋冷却的超导电缆中汽化，将产生的氮气导出电缆后在制冷机冷头处冷凝，冷凝后得到的液氮再次注入到超导电缆中，如此构成了工质为液氮的热管循环，同样省去了外部的过冷换热器。采用上述两种工作方式时，由于液氮的潜热远大于显热，在相同的热负荷下，冷却系统的液氮用量将远小于液氮强迫对流冷却系统。综上，所述的超导电缆集成了超导电缆附属制冷系统中的过冷换热器结构，在实际使用中可简化系统、降低重量、提高总体功重比。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (9)

1.一种超导电缆，其特征在于，包括：

电缆主体；

液氮喷淋管，所述液氮喷淋管设置在所述电缆主体的内部，且与所述电缆主体形成空腔；

所述液氮喷淋管的壁面上设有液氮喷射孔，所述液氮喷射孔使所述液氮喷淋管与所述空腔连通。

2.根据权利要求1所述的超导电缆，其特征在于，所述液氮喷淋管的壁面上设有成对设置的液氮喷射孔。

3.根据权利要求2所述的超导电缆，其特征在于，所述成对设置的液氮喷射孔的纵轴线相交，且交点位于所述空腔中。

4.根据权利要求3所述的超导电缆，其特征在于，所述成对设置的液氮喷射孔的纵轴线夹角为40°～80°。

5.根据权利要求1-4任一项所述的超导电缆，其特征在于，所述液氮喷射孔的直径d计算公式如下：

其中，Q为系统热负荷，N为开孔数，v为液氮喷射速度，ρ为液氮密度，r为液氮汽化潜热，v典型值为15～24m/s。

6.根据权利要求1-4任一项所述的超导电缆，其特征在于，所述液氮喷淋管上液氮喷射孔的轴向分布间距Δl计算公式如下：

其中，n为液氮喷淋管周向液氮喷射孔的开孔对数，L为高温超导电缆的长度。

7.根据权利要求1所述的超导电缆，其特征在于，所述电缆主体由内向外依次绕包有支撑层、超导体层、电绝缘层、屏蔽层、真空绝热层和保护层。

8.根据权利要求7所述的超导电缆，其特征在于，所述支撑层的内壁为螺旋微肋表面。

9.一种用于超导电缆的冷却方法，所述用于超导电缆的冷却方法基于权利要求1至8中任一项所述的超导电缆，其特征在于，液氮从所述液氮喷淋管的端口进入，所述液氮喷淋管中的液氮压力高于大气压，所述空腔处于低于大气压的粗真空状态，液氮在压力差的作用下从所述液氮喷射孔中喷出进入空腔，利用汽化潜热对电缆主体进行冷却，产生的氮气最终从空腔中被抽走。

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