CN113267424A - 超导电缆波纹管内液氮流动特性试验系统及试验方法 - Google Patents

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Abstract

一种超导电缆波纹管内液氮流动特性试验系统及试验方法，包括液氮杜瓦罐、低温流量阀、过冷器、波纹管试验腔、液氮回收罐、过渡管路、分子泵机组、数据采集组件、数据采集仪、可编程控制器以及计算机，其特征在于：所述液氮杜瓦罐通过低温流量阀和过冷器向波纹管试验腔注入试验用液氮，所述试验用液氮在试验完成后经过所述液氮回收罐被回收；所述数据采集仪与所述可编程控制器通过数据采集组件采集试验过程中系统元件中多个位置的压力、温度与压差数据，并通过所述计算机实现流量阀控制和试验数据处理。本发明的试验系统测量精度更高、误差更小、更加节能环保、经济实用。

Description

超导电缆波纹管内液氮流动特性试验系统及试验方法
技术领域
本发明涉及超导电缆测试领域，更具体地，涉及一种超导电缆波纹管内液氮流动特性试验系统及试验方法。
背景技术
超导技术在电力系统中的应用多种多样，也是近年来超导应用研究的主要方向之一。与电力电缆相比，超导电缆具有很大的优越性，例如：输电能力较强，成本节约、占用空间小、线路阻抗极低、输电损耗小、抗磁干扰能力强；允许采用相对较低的电压进行长距离输电，也可以地下输电从而避免超高压高空输电所带来的噪声、电磁污染和安全隐患，保护生态环境。
高温超导电缆(HTS)线材的转变温度通常在77K以上。目前，通常采用液氮作为其合适的冷却介质。另外，基于HTS电缆本身的特性和安装要求，通常会采用真空多层绝热的双层波纹管作为液氮的保温套管。液氮在波纹管内部的流动压力损失和热损失是HTS电缆低温系统设计的重要参数，能够直接决定用于维持过冷液氮的低温制冷机的冷量、相邻低温站的间隔距离、低温泵扬程等的选定。然而，由于波纹管内壁面几何形状的不同、波纹管内部插入的超导电缆的类型不同，波纹管内的液氮流动情况也会随之发生变化。
现有技术中，已经具备了对超导电缆波纹管内液氮流动特性进行试验的方法。例如，背景文献1，CN104697739A，绝热波纹管内低温流体流动阻力和温度分布测试装置，2015年6月10日，黄永华等。背景文献2，波纹管内流动特性的试验研究，孙凤玉等，2008年10月，工程热物理学报，第29卷第10期。然而，现有技术中，超导电缆波纹管内液氮流动特性的试验系统和试验方法测试精度不高、测量误差较大、系统自动化程度低且实现成本较高。
因此，亟需一种测量准确、简单易用的新型超导电缆波纹管内液氮流动特性试验系统和试验方法。
发明内容
为解决现有技术中存在的不足，本发明的目的在于，提供一种超导电缆波纹管内液氮流动特性试验系统和试验方法。本发明能够基于超导电缆波纹管内液氮流动性能的测试目标，合理的设计液氮杜瓦罐、过冷器、压力传感器和温度计等系统元件，并通过自动化方式读取各项试验指标和试验结果数据。
本发明采用如下的技术方案。本发明第一方面，涉及一种超导电缆波纹管内液氮流动特性试验系统，包括液氮杜瓦罐、低温流量阀、过冷器、波纹管试验腔、液氮回收罐、过渡管路、分子泵机组、数据采集组件、数据采集仪、可编程控制器以及计算机，其特征在于：液氮杜瓦罐通过低温流量阀和过冷器向波纹管试验腔注入试验用液氮，试验用液氮在试验完成后经过液氮回收罐被回收；数据采集仪与可编程控制器通过数据采集组件采集试验过程中系统元件中多个位置的压力、温度与压差数据，并通过计算机实现流量阀控制和试验数据处理。
优选地，液氮杜瓦罐、低温流量阀、过冷器、波纹管试验腔和液氮回收罐通过过渡管路依次密封连接，以保证试验用液氮在试验系统内的流动。
优选地，过冷器内部的盘管换热器由紫铜管弯曲缠绕制成；并且，紫铜管的长度至少为设计阈值。
优选地，设计阈值是基于紫铜盘管的特征参数、过冷器的换热目标以及试验用液氮与紫铜盘管之间的换热特性计算获得的。
优选地，基于预设的试验时间和最大换热量，确定制冷液氮杜瓦罐的容积，或者基于制冷液氮杜瓦罐的容积和最大换热量预先判断试验时间；过冷器设置有补液口用于补充制冷液氮，并且过冷器支持基于最大换热量确定补液量以为过冷器的制冷液氮补液。
优选地，过冷器的出口处设置有真空套管以防止热漏；过冷器设置于铝型材支架上，铝型材支架上具有调节机构以调节过冷器的高度。
优选地，波纹管试验腔内设置有第一波纹管和第二波纹管。
优选地，数据采集组件包括位于低温流量阀前端的第一压力传感器、位于波纹管试验腔前端的第二压力传感器、分别位于第一波纹管两端和第二波纹管两端的第一至第四温度计、分别位于第一波纹管两端和第二波纹管两端的第一、第二差压传感器。
优选地，第一压力传感器为表压变送器，第二压力传感器为绝压变送器，第一至第四温度计为T型热电偶温度计。
优选地，计算机获取数据采集仪与可编程控制器采集到的压力、温度与压差数据后，编写Labview程序以对数据进行端口初始化，以及进行数据读取、数据处理和数据存储。
本发明第二方面，涉及一种根据本发明第一方面中所述的一种超导电缆波纹管内液氮流动特性试验方法，包括以下步骤：步骤1，搭建试验系统，选取试验用第一、第二波纹管，并在波纹管内装入超导电缆后将波纹管放置于所述波纹管试验腔内，以及将波纹管试验腔抽真空；步骤2，开启低温流量阀，并以小流量液氮冲刷试验管路以降低试验系统的温度至目标值，调整低温流量阀的开度，并向试验管路内充入过冷的试验用液氮以稳定试验管路温度，待波纹管内的压差值稳定后进行记录压差值；步骤3，再次或多次调整低温流量阀的开度，并基于调整改变波纹管内的压力，待波纹管内的压差值稳定后进行记录压差值，以获得系统内不同液氮流量下的波纹管压降特性。
本发明的有益效果在于，与现有技术相比，本发明中一种超导电缆波纹管内液氮流动特性试验系统和试验方法，能够基于试验目标，合理设计液氮杜瓦罐的容量，过冷器的盘管长度等参数，以及合理选择压力传感器、温度计等元件的型号，获得测量精度更高、误差更小、更加节能环保、经济实用的试验系统。
本发明的有益效果还包括：
1、本发明中的试验系统能够根据预计的试验时间，以及系统中各元件液氮容量来设计液氮杜瓦罐和液氮回收罐的容量。通过高度调节机构保证各元件之间的连接方式最简洁，有效排除了试验过程中的系统误差。
2、本发明中的试验系统能够根据液氮和紫铜盘管材料的换热特性计算出过冷器中紫铜盘管的最小长度，以确保试验系统的试验有效性。
3、利用计算机编程方法实现系统读取到的电压值转化与温度值之间的转换，并基于数据采集仪与可编程控制器实现对低温阀开度的调节。相比现有技术中的类似方案，本发明中的试验系统实现了全自动的试验数据采集与处理，简单方便、效率高。
4、本发明中的试验方法为了确保数据的准确性，基于试验系统的特性，综合采用了多种试验操作步骤，确保了试验过程中数据采集的可靠性。
附图说明
图1为本发明中一种超导电缆波纹管内液氮流动特性试验系统的示意图；
图2为本发明中超导电缆波纹管内液氮流动特性试验系统的试验台整体模型图；
图3为本发明中超导电缆波纹管内液氮流动特性试验系统的试验台整体实物图；
图4为本发明中超导电缆波纹管内液氮流动特性试验系统中热电偶温度计电压值与温度值的拟合曲线；
图5为本发明中超导电缆波纹管内液氮流动特性试验方法的流程示意图；
图6为本发明中超导电缆波纹管内液氮流动特性试验方法中冲刷过程中液氮温度随时间变化的示意图；
图7为本发明中超导电缆波纹管内液氮流动特性试验方法中阀门开度调整时的差压变化的示意图。
附图标记：
1-液氮杜瓦罐；
2-低温流量阀；
3-过冷器；
4-波纹管实验腔；
5-液氮回收罐；
6-分子泵机组；
7-数据采集仪；
8-可编程控制器；
9-计算机；
10、12、13、14、15-第一～第五温度计；
11、16-第一、第二压力传感器；
17、18-差压传感器。
具体实施方式
下面结合附图对本申请作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本申请的保护范围。
通常来说，为了对不同波纹管内部的液氮流通特性进行研究，可以搭建波纹管内液氮流动特性试验系统平台。本发明第一方面，涉及一种超导电缆波纹管内液氮流动特性试验系统。其中搭建的试验系统可以对液氮在螺旋形波纹管内的流动特性进行实验研究，可以通过考察波纹管中超导电缆的不同尺寸，不同内芯数量及位置对波纹管内的流动阻力的影响，针对性开展相关实验研究。
本发明中的试验系统还可以在采集到试验数据后基于仿真结果进行对比、验证和机理分析，获得规律及一般性基础指导数据。具体来说，超导电缆波纹管内液氮流动特性试验系统的平台设计和搭建如图1-3所示。
图1为本发明中一种超导电缆波纹管内液氮流动特性试验系统的示意图。图2为本发明中超导电缆波纹管内液氮流动特性试验系统的试验台整体模型图。图3为本发明中超导电缆波纹管内液氮流动特性试验系统的试验台整体实物图。如图1-3所示，一种超导电缆波纹管内液氮流动特性试验系统，包括液氮杜瓦罐、低温流量阀、过冷器、波纹管试验腔、液氮回收罐、过渡管路、分子泵机组、数据采集组件、数据采集仪、可编程控制器以及计算机。
其中，液氮杜瓦罐通过低温流量阀和过冷器向波纹管试验腔注入试验用液氮，试验用液氮在试验完成后经过液氮回收罐被回收。
具体来说，在试验过程中，高压液氮将从液氮杜瓦罐中流出，并以此通过低温流量阀、过冷器后流入真空试验腔中，经过真空试验腔中的两段波纹管后，流出试验腔并进入液氮罐中。
优选地，液氮杜瓦罐、低温流量阀、过冷器、波纹管试验腔和液氮回收罐通过过渡管路依次密封连接，以保证试验用液氮在试验系统内的流动。
试验系统中的各个元件设备可以根据试验的设计工况进行选型。本发明一实施例中，各个设备的性能指标如表1所示。
表1试验系统中各设备性能指标表
Figure BDA0003142082940000051
Figure BDA0003142082940000061
过冷器作为系统中的关键设备之一，能够为波纹管试验腔提供温度满足试验条件的液氮。由于在实际高温超导电缆系统中循环的制冷剂是过冷液氮，试验中同样要求系统中流动的是具有一定过冷度的液氮。而为了保证提供适宜的过冷液氮用于试验，通常在组装试验系统之前会对过冷器进行相关设计。
试验要求波纹管试验腔入口处的液氮压力应为0.2MPa至0.5MPa之间，温度应为80K，只有这样才能保证液氮进入波纹管试验腔内的液氮的过冷度在3K至14K之间。根据上述内容可知，假设过冷器入口处来自液氮杜瓦罐的高温高压液氮的压力为0.5MPa，温度为该压力下的饱和温度94K。则过冷器出口处流出的符合试验要求的液氮压力应当为0.2MPa至0.5MPa之间，温度应为80K。
通常来说，过冷器包括制冷液氮杜瓦罐、盘管换热器和浮球。其中制冷液氮杜瓦罐上具有试验用液氮的进出口、补液口。其中，试验用液氮的进出口分别与盘管换热器的进出口密封连接，补液口用于向制冷液氮杜瓦罐中补充气化过程消耗的制冷液氮。浮球可以用于观察过冷器中制冷液氮的液位高度，以便于补液和停止补液的操作。过冷器内部的盘管可以接收来自液氮杜瓦罐的高压高温液氮，盘管置于充满制冷液氮的制冷液氮杜瓦罐中，因此，盘管内外具有温度差使得过冷器内外的液氮发生换热。管外的制冷液氮可以处于常压0.1010MPa和常压时液氮的饱和温度77.8K的状态上，管外的液氮大量吸热并气化，同时维持温度不变。管内的液氮大量放热，从而将温度降低至80K。为了确保换热目标，需要设计制冷液氮杜瓦罐的容积和换热盘管的长度。
优选地，过冷器内部的盘管换热器由紫铜管弯曲缠绕制成；并且，紫铜管的长度至少为设计阈值。
具体来说，紫铜盘管内外两侧的液氮与紫铜盘管之间的换热可以简化为强制对流换热模型。另外，过冷器中的紫铜盘管的周围均接触有制冷液氮，因此，可以将紫铜盘管表面与过冷液氮之间的换热关系简化为大容器内的沸腾换热模型。除此之外，还应当包括铜管导热模型。
假设盘管内液氮的显热完全被罐内的液氮吸收了，则有
Figure BDA0003142082940000071
其中，Cp为紫铜盘管内液氮在过冷状态下的定压比热容，表征压强不变情况下，单位质量的液氮在温度升高1K时所需要吸收的热量；
Figure BDA0003142082940000072
为紫铜盘管内液氮的质量流量，表征单位时间内液氮通过紫铜盘管有效截面的流体质量，其计算公式如式(2)所示；
Ti为盘管入口的平均温度，为了方便计算，可以取值为95K；
To为盘管出口的平均温度，取值为80K；
ΔTm为盘管内外液氮流体的对数平均温差，用于表征换热器换热的动力和难易程度，其计算公式如式(3)所示；
R为换热器的等效电阻，其计算公式如式(4)所示。
可以理解的是，盘管内液氮的质量流量与液氮的流动速度相关，可以按照试验中能够出现的最大值进行计算，即
Figure BDA0003142082940000073
其中，ρ为液氮密度，取值为808kg/m3；
S为管道的流通面积；
V为盘管内液氮的流量速度。
本发明实施例中，可以取盘管横截面的半径为10mm，液氮的管内流速为0.5m/s，则可以计算出液氮的最大质量流量约为0.127kg/s。
可以理解的是，盘管内外液氮的对数平均温差为：
Figure BDA0003142082940000074
其中，T∞为过冷器内制冷液氮杜瓦罐中制冷液氮的温度，取值为77.8K；
Ti,To分别为过冷器进、出口的温度，可以根据公式(1)，分别取值为95K、80K。
由此，可以计算得到盘管内外液氮的对数平均温差为7.29K。
可以理解的是，紫铜盘管换热器的等效电阻R的计算公式为：
Figure BDA0003142082940000081
其中，h1为管内的强制对流换热系数，用于表征管内液氮与紫铜盘管内表面之间的对流换热能力，可以基于单位温差、单位时间和单位面积上通过对流方式交换的热量进行计算，其计算公式如式(5)；
h2为液氮核沸腾换热系数，用于表征紫铜盘管内外表面与液氮之间的核沸腾换热能力，其计算公式如式(8)；
D为紫铜盘管的外径，d为紫铜盘管的内径，kCu为紫铜的导热率，取值为482W/m·K。本发明实施例中，可以选择紫铜盘管的外径为0.008m，紫铜盘管的内径为0.006m对紫铜盘管换热器的等效电阻进行计算。
另外，L为紫铜盘管的长度，不同长度的紫铜盘管，其等效热阻也不同。关于紫铜盘管长度的计算方式将在后文中进行具体描述。
可以理解的是，h1为管内的强制对流换热系数，其计算公式为：
Figure BDA0003142082940000082
其中，Nu为努塞尔数，表征对流换热强烈程度，根据传质类别的不同，其计算方式也有所不同；
kln2为液氮热导率，取值为0.1455W/m·K。
本发明一实施例中，可以设计努塞尔数的计算公式为：
Nu＝0.023Re0.8Pr0.3 (6)
其中，Re为雷洛数，表征液氮流体的流动情况；
Pr为普朗特数，表征温度边界层和流动边界层的关系，能够反映流体物理性质对对流传热过程的影响。
具体来说，雷洛数与普朗特数的计算公式分别为：
Figure BDA0003142082940000083
其中，μ为动力黏滞系数。
本发明中，液氮的动力黏滞系数为1.63e-4Pa·s，则有雷诺数Re取值为14871。另外，本发明中还可以设置普朗特数Pr取值为2.285。因此，可知努塞尔数Nu＝64.16，管内的强制对流换热系数h1＝1555.88W/m2·K。
可以理解的是，h2为液氮核沸腾换热系数，其计算公式为：
Figure BDA0003142082940000091
其中，q为沸腾热流密度，其计算公式如式(9)；
Δt为壁面过热度。
本发明实施例中，可以设置壁面过热度为平均过热度9.5K。
另外，沸腾热流密度q的计算公式为：
Figure BDA0003142082940000092
其中，μl为饱和液体动力粘度系数，取值为0.000196Pa·s；g为重力加速度，取值为9.81kg/m2s；hfg为汽化潜热，取值为206.76kJ/kg；ρg为饱和气体密度，取值为2.04kg/m3；σ为表面张力，取值为0.01N/m；Cpl为饱和液体在沸腾状态下的定压比热容，取值为2020.4J/kg·K，Cwl为经验常数，取值为0.01。
根据公式(9)，可以计算得到沸腾热流密度q为1.7e4W/m2；因此，液氮核沸腾换热系数h2为1782.79W/m2·K。
根据上述内容，则可以得到换热器的等效电阻计算公式(4)中除去紫铜盘管长度L这一参数之外的所有其他参数的取值。
具体来说，紫铜盘管的长度与其等效热阻呈反比。将等效热阻的公式，即式(4)代入公式(1)，则可以根据其他的已知项计算出紫铜盘管的合适长度，本发明实施例中可以得到紫铜盘管的长度为2.57m。该合适长度即为设计阈值。
优选地，设计阈值是基于紫铜盘管的特征参数、过冷器的换热目标以及试验用液氮与紫铜盘管之间的换热特性计算获得的。
值得说明的是，紫铜盘管的特征参数包括：盘管内径、盘管外径；过冷器的换热目标包括：盘管入口的平均温度、盘管出口的平均温度；试验用液氮与紫铜盘管之间的换热特性包括：液氮的定压比热容、液氮密度、盘管内液氮的流动速度、液氮热导率等。
为了保证试验过程中试验管道内部的液氮始终处于过冷状态，需要保证试验时过冷器中的制冷液氮的液位始终高于换热盘管。然而，制冷液氮在制冷过程中会被气化消耗，因此，需要在试验过程中随时为过冷器补充制冷液氮。
优选地，过冷器设置有补液口用于补充制冷液氮；并且，基于过冷器的最大换热量确定补液量以为过冷器的制冷液氮补液。
具体来说，试验过程中，过冷器的最大换热量的计算公式为：
Figure BDA0003142082940000101
本发明实施例中，根据上式计算获得的过冷器的最大换热量为3.88kW。
假设换热过程中，试验用液氮全部的冷量都是由制冷液氮的气化过程提供的，则可以获得制冷液氮的蒸发速率。该蒸发速率的计算公式为：
Figure BDA0003142082940000102
其中，hfg为汽化潜热。
根据公式(11)可以得到液氮的蒸发速率为18.77g/s，据此可以进一步地得到常压液氮蒸发后对应的体积变化速率为1.39L/min。
优选地，基于预设的试验时间和最大换热量，确定所述制冷液氮杜瓦罐的容积，或者基于所述制冷液氮杜瓦罐的容积和最大换热量预先判断试验时间。
例如，本发明中，可以选用容积为30L口径为125mm的广口杜瓦罐作为过冷器中的制冷液氮杜瓦罐。通常，紫铜盘管位于杜瓦罐中的下半部分，因此，在杜瓦罐中装满制冷液氮时，可以有大约15L容积的液氮，其液位高于换热器的盘管。根据体积变化速率1.39L/min，可以获知该杜瓦罐能够保证试验有效的进行近11分钟。
优选地，过冷器的出口处设置有真空套管以防止热漏；过冷器设置于铝型材支架上，铝型材支架上具有调节机构以调节过冷器的高度。
具体来说，为了保持换热后液氮的过冷度，在过冷器的出口设计了真空套管。该真空套管经过特殊设计，能够保证管路和外部隔层之间的真空状态，从而防止漏热。本发明一实施例中，该真空套管为软管，设计温度为-190℃，漏率应当保证小于1×10-10Pa·m3/s。同时，过冷器放置在铝型材支架上，支架下部有调节机构可上下调节杜瓦的高度。通过高度调节，试验系统中各个元件之间的高度能够保持一致，并以最短的连接管路进行连接，或是更利于保持各个元件之间的压力差，以确保系统内部液氮的流动并实现各个元件的功能。
优选地，波纹管试验腔内设置有第一波纹管和第二波纹管。
在本发明实施例中，试验腔的外表面由柱状真空罩组合而成。试验腔的入口端与出口端均位于柱状试验腔的一端，并分别与过冷器和液氮回收罐相连。试验腔的另外一端连接有分子泵机组，用于保证试验腔的真空状态。
本发明一实施例中，试验腔的真空罩的安全压力应当满足1.0MPa，工作压力应当满足0.6MPa。分子泵机组中应当含有复合真空计等的测量仪表和便于移动的推车等。分子泵机组的前级泵的抽速应当满足480L/min，分子泵的抽速应当满足600L/s，其复合真空计测量的极限真空应当≤1×10-5Pa。
为了保证波纹管试验腔内能够有效地模拟出真实环境中超导电缆波纹管内液氮流动的特性，可以在试验腔内同时平行设置两段波纹管。并且通过入口直管、中间段弯管和出口直管将这两段波纹管与试验系统密封连接起来。
可以理解的是，为了确保试验过程中能够获取到准确的液氮流速，可以将流出试验腔的液氮采集至液氮回收罐中，并通过称重计算试验过程中消耗的液氮总流量。本发明一实施例中，液氮的质量流量为0.127kg/s，据此可以得到，若选用20L的容器，则可以在最大工况，即低温流量阀的开度最大时，维持2min左右的试验。类似的，值得说明的是，可以基于预设的试验时间和液氮的最大工况质量流量，确定液氮回收罐的容积，或者基于液氮回收罐的容积和液氮的最大工况质量流量预先判断最大工况下的试验时间。
本发明第二部分中，数据采集仪与可编程控制器通过数据采集组件采集试验过程中系统元件中多个位置的压力、温度与压差数据，并通过计算机实现流量阀控制和试验数据处理。
本试验台共使用2只压力传感器，4只T型热电偶温度计，2支差压传感器测量液氮的压力、温度和压差。其中，压力传感器、温度计、差压计分别如图中10-18所示，其均与数据采集仪相连，图中未示出。
优选地，数据采集组件包括位于低温流量阀前端的第一压力传感器、位于波纹管试验腔前端的第二压力传感器、分别位于第一波纹管两端和所述第二波纹管两端的第一至第四温度计、分别位于第一波纹管两端和所述第二波纹管两端的第一、第二差压传感器。
优选地，第一压力传感器为表压变送器，第二压力传感器为绝压变送器，第一至第四温度计为T型热电偶温度计。
本发明一实施例中，第一压力传感器可以选用米科MIK-P300的0.3级压力传感器，第二压力传感器可以选用星仪CYYZ11的0.1级压力传感器。第一至第四温度计均可选用Omega自标±0.15K的T型热电偶温度计。
由于本发明试验精度的要求，需使用热电偶温度计实现快速准确的测温。因此，使用实验室的热电偶标定系统标定了4只T型热电偶温度计。该温度计在80-100K温区偏差小于0.3K。
另外，温度计的自标定应当在试验之前完成，其标定过程为，将制作好的热电偶温度计与一支标准铂电阻温度计共同放入液氮中，通过控制加热功率从而获得不同温度下热电偶读取到的电压值和标准温度计读数的关系，并拟合呈多项式关联式。以第三温度计为例进行自标定，获得的测量电压和温度之间的关系曲线如图4所示。图4为本发明中超导电缆波纹管内液氮流动特性试验系统中热电偶温度计电压值与温度值的拟合曲线。根据不同的标准温度下，测得的电压值拟合出的曲线为：
T＝193.95405-6.94×108U (12)
根据上述公式可知曲线的斜率与截距。并由此自标定过程可以获得更加准确的温度测量数据。尽管现有技术中也具有热电偶读取到的电压值与温度值之间的转换关系数据表，但是使用自标定方法则能够更加准确的获取温度数据。
由于本文中，计算机可以通过数据采集仪获得热电偶的温度数据，因此，还可以使用LabView将通过数据仪采集到的热电偶电压值通过编程方法转换为温度。本发明过程中，数据转换代码中可以根据上述步骤中获得的拟合曲线确定下来，具体如下所示：
Figure BDA0003142082940000121
Figure BDA0003142082940000131
本发明实施例中，第一和第二差压传感器均可选用麦克MDM3051S的0.01％FS型差压传感器。第一、第二差压传感器的量程可以分别为20kPa和40kPa，测量精度可达0.01％FS，因此测量差压的准确度标度为2Pa和4Pa。按照以往经验，波纹管内的压降通常为百Pa量级，因此，选择该款差压计能够满足本试验台中对液氮流动特性进行测量的精度要求。作为电流型仪器，每支差压计中包括有两支压力计。该压力计作为电压型仪器可以与编程控制器直接连接，以供编程控制器采集数据。
优选地，计算机获取数据采集仪与可编程控制器采集到的压力、温度与压差数据后，编写Labview程序以对数据进行端口初始化，以及进行数据读取、数据处理和数据存储。
根据图1可知，第一至第四温度计均与数据采集仪连接，并在测温后支持数据采集仪采集其温度数据。数据采集仪可以选用Agilent24970A，以对热电偶的电压读数进行采集。由于该数据采集仪的精度为六位半，能够满足本试验系统中对电压采集的精度要求。
第一、第二压力传感器以及第一、低压差压传感器均支持可编程控制器对其采集到的压力数据进行编程运算。具体来说，可编程控制器可以选用具有扩展能力的设备，且能够支持采集到的模拟数据的输入和输出。本发明一实施例中，可以选用欧姆龙的CP1E-NA20DT-D型的PLC(Programmable Logic Controller，可编程逻辑控制器)。这款可编程控制器本身只有两个模拟量通道，因此需要在其本体上扩展一个欧姆龙CP1W-AD041扩展模块以满足试验系统的测试要求。
计算机与数据采集仪和可编程控制器分别连接，同时基于温度、压力、压差数据进行数据处理和存储。数据采集仪和可编程控制器将测量信息汇总至计算机后，计算机可以编写Labview程序。通过Labview程序不仅可以读取压力、温度等数据，还可以对低温阀的开度进行调节。在进行实验时，可以将数据以文本形式保存至硬盘上，保存数据包括实验时间、所有的压力，温度数据、电子秤质量读数。本发明一实施例中，所有的测量仪器和可编程控制器可以通过两个24V5A的开关电源进行供电。开关电源型号为KOB 24V5A，额定功率为120W，大于电源上所接仪器总功率。
本发明第二方面，涉及一种超导电缆波纹管内液氮流动特性试验方法。图5为本发明中超导电缆波纹管内液氮流动特性试验方法的流程示意图。如图5所示，方法，包括步骤1至步骤3。
步骤1，搭建试验系统，选取试验用第一、第二波纹管，并在波纹管内装入超导电缆后将波纹管放置于所述波纹管试验腔内，以及将波纹管试验腔抽真空。
本发明中，可以选用多种尺寸和型号的波纹管及其内部的超导电缆以进行液氮流动特性的试验。一实施例中，可以按照本发明第一方面中公开了试验系统进行系统的组装搭建，并选取内径为9mm，波高为1mm，波距为1.5mm的波纹管和直径为4mm的超导电缆内芯进行压降测试。
试验准备截断中，常温下真空腔内的真空度应当达到1×10-4Pa，在通入带压液氮后，真空腔内部的真空度将会发生恶化，如恶化至1×10-2Pa，但真空腔内的真空度能够满足试验的要求。
步骤2，开启低温流量阀，并以小流量液氮冲刷试验管路以降低试验系统的温度至目标值，调整低温流量阀的开度，并向试验管路内充入过冷的试验用液氮以稳定试验管路温度，待波纹管内的压差值稳定后进行记录所述压差值。
具体来说，当真空腔内的真空度继续降低至目标值后，可以开启低温流量阀，并以小流量的液氮冲刷试验管路，以将试验管路进行预降温。例如，本发明实施例中可以开启低温流量阀，并将低温流量阀的开度设置为3～5％，并持续降温一小时。此时，可以读取到热电偶采集的试验管路入口和出口处的温度均在80K至110K之间波动。
随后，调整低温流量阀的开度，例如将低温流量阀的开度调大至10％。此时试验管路内的温度将在几分钟内稳定至80K左右。此时，管路内的液氮即为过冷液氮。图6为本发明中超导电缆波纹管内液氮流动特性试验方法中冲刷过程中液氮温度随时间变化的示意图。如图6所示的温降曲线是基于内径为9mm的波纹管，内部插有超导电缆内芯时进行测量的。在试验测量到有效数据之前，试验管路的进口温度和出口温度随着时间的推移和液氮的注入而逐渐降低，从160K以上逐渐降低至稳定于80K左右。这一过程可以根据管内液氮的状态主要分为纯气预冷、气液共存、纯液阶段和结束四个步骤。
本发明一实施例中，如图6所示，在0～200s之间，低温流量阀开启，开度为3％，这一过程可以对试验管路进行预降温。200s时调节低温流量阀开度为10％，200～1500s之间，管路内的温度逐渐降低并在1500s时稳定于80K左右。进口温度由于其压力稍高，所以略高于出口温度。在1500s之后，管内液氮的状态进入了纯液阶段，此时可以再次或多次调整低温流量阀的开度，具体操作过程如步骤3所述。
步骤3，再次或多次调整低温流量阀的开度，并基于调整改变波纹管内的压力，待波纹管内的压差值稳定后进行记录压差值，以获得系统内不同液氮流量下的波纹管压降特性。
本发明一实施例中，可以在8～45％之间调整低温流量阀的开度。当低温流量阀的开度改变后，管内的压力也会随之发生变化，因而，可以获得不同液氮流量状态下波纹管内的压降特性。图7为本发明中超导电缆波纹管内液氮流动特性试验方法中阀门开度调整时的差压变化的示意图。如图7所示，当将低温流量阀的开度从10％调整至15％之后，波纹管前后的差压会发生跳变。其压差平均值会从1200Pa左右跳变至1600Pa左右。即使低温流量阀的开度不发生变化，试验过程中的查压值也不会稳定于一个固定值上，而是在一个平均值附近波动。其波动范围约为±20％。这是由于试验管路中的波纹管的外表面波纹会导致管中液氮的速度波动较为明显。尤其是当管中液氮的流动速度较快时，管内为湍流，流动过程中的压力脉动现象不可避免。因此，在试验中，可以待波纹管内的压差值稳定在某一区域30s后再进行压差值的记录，并待记录完成后进行下一个工况的测量工作。这里所述的下一工况，是指再次调整低温流量阀的开度后，对这一工况的压差值进行再次记录。
本发明的有益效果在于，与现有技术相比，本发明中一种超导电缆波纹管内液氮流动特性试验系统和试验方法，能够基于试验目标，合理设计液氮杜瓦罐的容量，过冷器的盘管长度等参数，以及合理选择压力传感器、温度计等元件的型号，获得测量精度更高、误差更小、更加节能环保、经济实用的试验系统。
本发明的有益效果还包括：
1、本发明中的试验系统能够根据预计的试验时间，以及系统中各元件液氮容量来设计液氮杜瓦罐和液氮回收罐的容量。通过高度调节机构保证各元件之间的连接方式最简洁，有效排除了试验过程中的系统误差。
2、本发明中的试验系统能够根据液氮和紫铜盘管材料的换热特性计算出过冷器中紫铜盘管的最小长度，以确保试验系统的试验有效性。
3、利用计算机编程方法实现系统读取到的电压值转化与温度值之间的转换，并基于数据采集仪与可编程控制器实现对低温阀开度的调节。相比现有技术中的类似方案，本发明中的试验系统实现了全自动的试验数据采集与处理，简单方便、效率高。
4、本发明中的试验方法为了确保数据的准确性，基于试验系统的特性，综合采用了多种试验操作步骤，确保了试验过程中数据采集的可靠性。
本发明申请人结合说明书附图对本发明的实施示例做了详细的说明与描述，但是本领域技术人员应该理解，以上实施示例仅为本发明的优选实施方案，详尽的说明只是为了帮助读者更好地理解本发明精神，而并非对本发明保护范围的限制，相反，任何基于本发明的发明精神所作的任何改进或修饰都应当落在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种超导电缆波纹管内液氮流动特性试验系统，包括液氮杜瓦罐、低温流量阀、过冷器、波纹管试验腔、液氮回收罐、过渡管路、分子泵机组、数据采集组件、数据采集仪、可编程控制器以及计算机，其特征在于：
所述液氮杜瓦罐通过低温流量阀和过冷器向波纹管试验腔注入试验用液氮，所述试验用液氮在试验完成后经过所述液氮回收罐被回收；
所述数据采集仪与所述可编程控制器通过数据采集组件采集试验过程中系统元件中多个位置的压力、温度与压差数据，并通过所述计算机实现流量阀控制和试验数据处理。
2.根据权利要求1中所述的一种超导电缆波纹管内液氮流动特性试验系统，其特征在于：
所述液氮杜瓦罐、低温流量阀、过冷器、波纹管试验腔和液氮回收罐通过过渡管路依次密封连接，以保证试验用液氮在试验系统内的流动。
3.根据权利要求2中所述的一种超导电缆波纹管内液氮流动特性试验系统，其特征在于：
所述过冷器内部的盘管换热器由紫铜管弯曲缠绕制成；并且，
所述紫铜管的长度至少为设计阈值。
4.根据权利要求3中所述的一种超导电缆波纹管内液氮流动特性试验系统，其特征在于：
所述设计阈值是基于紫铜盘管的特征参数、过冷器的换热目标以及试验用液氮与紫铜盘管之间的换热特性计算获得的。
5.根据权利要求4中所述的一种超导电缆波纹管内液氮流动特性试验系统，其特征在于：
基于预设的试验时间和最大换热量，确定所述制冷液氮杜瓦罐的容积，或者基于所述制冷液氮杜瓦罐的容积和最大换热量预先判断试验时间；
所述过冷器设置有补液口用于补充制冷液氮，并且所述过冷器支持基于最大换热量确定补液量以为过冷器的制冷液氮补液。
6.根据权利要求5中所述的一种超导电缆波纹管内液氮流动特性试验系统，其特征在于：
所述过冷器的出口处设置有真空套管以防止热漏；
所述过冷器设置于铝型材支架上，所述铝型材支架上具有调节机构以调节所述过冷器的高度。
7.根据权利要求1中所述的一种超导电缆波纹管内液氮流动特性试验系统，其特征在于：
所述波纹管试验腔内设置有第一波纹管和第二波纹管。
8.根据权利要求1中所述的一种超导电缆波纹管内液氮流动特性试验系统，其特征在于：
所述数据采集组件包括位于所述低温流量阀前端的第一压力传感器、位于所述波纹管试验腔前端的第二压力传感器、分别位于所述第一波纹管两端和所述第二波纹管两端的第一至第四温度计、分别位于所述第一波纹管两端和所述第二波纹管两端的第一、第二差压传感器。
9.根据权利要求8中所述的一种超导电缆波纹管内液氮流动特性试验系统，其特征在于：
所述第一压力传感器为表压变送器，所述第二压力传感器为绝压变送器，所述第一至第四温度计为T型热电偶温度计；
优选地，所述计算机获取所述数据采集仪与所述可编程控制器采集到的压力、温度与压差数据后，编写Labview程序以对数据进行端口初始化，以及进行数据读取、数据处理和数据存储。
10.根据权利要求1-9中任意一项所述的一种超导电缆波纹管内液氮流动特性试验方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，搭建试验系统，选取试验用第一、第二波纹管，并在波纹管内装入超导电缆后将所述波纹管放置于所述波纹管试验腔内，以及将所述波纹管试验腔抽真空；
步骤2，开启低温流量阀，并以小流量液氮冲刷试验管路以降低试验系统的温度至目标值，调整低温流量阀的开度，并向试验管路内充入过冷的试验用液氮以稳定试验管路温度，待波纹管内的压差值稳定后进行记录所述压差值；
步骤3，再次或多次调整低温流量阀的开度，并基于所述调整改变波纹管内的压力，待波纹管内的压差值稳定后进行记录所述压差值，以获得系统内不同液氮流量下的波纹管压降特性。
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