CN2767916Y - 用于冷却高温超导电缆的过冷液氮循环冷却装置 - Google Patents

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Abstract

本实用新型涉及一种用于冷却高温超导电缆的过冷液氮循环冷却装置，包括：依次相连并形成循环回路的气液分离器、液氮泵、制冷机和高温超导电缆低温容器。制冷机为抽真空液氮减压制冷机或机械闭式制冷机；循环泵为低温液体泵；制冷机可为多台并联的制冷机组；其优点在于：本实用新型采用低温液体输送泵实现过冷液氮在包括高温超导电缆低温容器在内的低温管道内循环流动，实现把制冷机(过冷器)所提供的冷量传送到高温超导电缆(高温超导电缆因引线漏热、引线焦耳热和电缆交流损耗产生热量)；实现了高温超导电缆长距离、连续可靠的稳定运行的要求；而且结构简单，使用操作方便。

Description

用于冷却高温超导电缆的过冷液氮循环冷却装置
技术领域
本实用新型涉及制冷与低温技术领域，特别涉及一种用于冷却高温超导电缆的过冷液氮循环冷却装置。
背景技术
自从1986年高温超导体的发现，对高温超导体的应用研究越来越受到国内外科学家们的重视。在高温超导强电应用领域众多研究项目中，诸如高温超导电缆、高温超导储能、高温超导变压器、高温超导限流器和高温超导电机等，高温超导电缆被公认为最有希望的应用研究开发项目之一。为此，高温超导电缆的试验装置研究及电网并网运行研究成为该领域研究的热点，与之相匹配高效可靠稳定的低温系统研制也成为制冷与低温技术领域的一个重要研究方向。因高温超导体要求工作在50～90K的温度范围，而液氮在1bar下的沸点为77.2K，所以液氮毫无疑问地成为冷却高温超导电缆的最佳低温介质。此外，液氮还具有价格低廉、无污染、安全等优点。
中国科学院从1997年开始从事高温超导电缆的开发研究工作，先后研制成功1米1kA级Bi系高温超导电缆、6米2kA级高温超导直流电缆，对其冷却的低温冷却系统都是采用液氮浸泡高温超导电缆冷却方式。随着高温超导电缆不断做长(10米、100米，甚至更长)，液氮浸泡方式不能满足长距离高温超导电缆的冷却要求。另外，用于冷却高温超导电缆的低温容器内液氮因受热而有部分液氮汽化，氮的气液混合物不能满足下游管道内的高温超导电缆的冷却要求，严重情况可能因为气相的存在，恶化液氮与高温超导电缆的热交换，导致高温超导带材的破坏性损伤。
采用过冷态的液氮冷却高温超导电缆，其低温容器内不会有气体产生，保障了高温超导电缆的稳定可靠运行。基于以上两个原因，从2002年开始研制过冷液氮循环技术(冷却流程和装置)。先后成功开发出冷却10米10.5kV/1.5kA三相交流高温超导电缆试验装置(2003年8月完成通电)和冷却75米10.5kV/1.5kA三相交流高温超导电缆试验装置(2004年12月完成通电)的两套过冷液氮循环冷却系统。
发明内容
本实用新型的目的在于：克服传统液氮浸泡方式不适于冷却过长高温超导电缆的缺陷，而提供一种新型的用于冷却高温超导电缆的过冷液氮循环冷却装置。
本实用新型的技术方案如下：
本实用新型提供的用于冷却高温超导电缆的过冷液氮循环冷却装置，包括：依次相连并形成循环回路的气液分离器、液氮泵、制冷机和高温超导电缆低温容器。
所述的制冷机为抽真空液氮减压制冷机或机械闭式制冷机。所述的循环泵为低温液体泵。所述的制冷机为多台并联的制冷机组。所述的制冷机为G-M、脉冲管制冷机(PT)、斯特林或逆布雷顿循环制冷机。所述的制冷机与抽真空泵相连。所述的抽真空泵为机械抽真空泵。
如图1所示，本实用新型的用于冷却高温超导电缆的过冷液氮循环冷却装置的过冷液氮循环管路经过充分的预冷并充满液氮后，启动液氮泵2，液氮泵2将气液分离器1中的液氮以一定的压力和流速输送到制冷机3(过冷器)，在制冷机3内与热交换器4进行热交换，使液氮达到深度过冷(接近三相点)，过冷液氮从制冷机3出来直接送到高温超导电缆低温容器5内，将位于高温超导电缆低温容器5之内的高温超导电缆8所产生的热量带走，使其温度保持在76K以下，最后回到气液分离器1。这样形成了一个全过冷液氮循环流程。
本实用新型的优点在于：本实用新型采用低温液体输送泵实现过冷液氮在包括高温超导电缆低温容器5在内的低温管道内循环流动，实现把制冷机3(过冷器)所提供的冷量传送到高温超导电缆(高温超导电缆因引线漏热、引线焦耳热和电缆交流损耗产生热量)；实现了高温超导电缆长距离、连续可靠的稳定运行的要求；而且结构简单，使用操作方便。
图面说明
图1是本实用新型的结构示意图；
图2是本实用新型的一具体实施例结构(用抽真空减压制冷方式冷却75米的高温超导电缆)示意图；
图3是液氮饱和温度随压力的变化关系示意图；
图4是本实用新型的另一具体实施例结构(采用闭式循环制冷机)示意图；
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例进一步描述本实用新型：
图1是本实用新型的结构示意图；图2是本实用新型的一具体实施例结构(用抽真空减压制冷方式冷却75米的高温超导电缆)示意图；图3是液氮饱和温度随压力的变化关系示意图；图4是本实用新型的另一具体实施例结构(采用闭式循环制冷机)示意图；由图可知，本实用新型的用于冷却高温超导电缆的过冷液氮循环冷却装置，包括：依次相连并形成循环回路的气液分离器1、液氮泵2、制冷机3和高温超导电缆低温容器5。所述的制冷机3为抽真空液氮减压制冷机或机械闭式制冷机。所述的液氮泵2为低温液体泵。所述的制冷机可为多台制冷机并联构成的制冷机组。所述的制冷机3为G-M、PT、斯特林或逆布雷顿循环制冷机。所述的制冷机3可与抽真空泵7相连；抽真空泵7可为机械抽真空泵。
实施例1
图2是本实用新型的一具体实施例结构(用抽真空减压制冷方式冷却75米的高温超导电缆)示意图；如图2所示，用于冷却75米高温超导电缆8，采用液氮减压制冷方式的过冷液氮循环流程，它采用机械真空泵7对制冷机(过冷器)3内液氮进行抽氮气减压，使之温度达到对应于负压(表压)的饱和温度。根据液氮饱和温度和饱和压力的关系，压力越低饱和温度越低，其液氮饱和温度随压力的变化关系如图3所示。循环流程中的液氮经低温液氮泵2升压后，进入制冷机(过冷器)3；制冷机(过冷器)内负压液氮温度一定低于循环流程中的液氮温度，因此循环液氮在制冷机(过冷器)经由盘管换热器4被冷却至深度过冷状态；过冷液氮通过高温超导电缆，把自身携带的冷量以显热的方式传递给位于高温超导电缆低温容器5之内的高温超导电缆8。在高温超导电缆出口的液氮，仍然还是进口处的那部分液氮，只是相对高温超导电缆进口而言，其过冷度低了一些，损失了的这部分过冷度(即冷量)与高温超导电缆终端及其本体的漏热构成了热量盈亏平衡。为此，整个系统维持一个质量和能量平衡。
实施例2
图4是本实用新型的另一具体实施例结构(采用闭式循环制冷机)示意图；如图4所示，采用闭式循环制冷机方式的过冷液氮循环流程，它采用闭式循环制冷机(如G-M，PT，斯特林制冷机，逆布雷顿循环制冷机等)，使流经制冷机的液氮经过制冷机冷头换热器换热，在不至于使液氮凝固的前提下达到深度过冷温度。过冷液氮循环流程中的液氮经低温液氮泵升压后，进入制冷机。被制冷机深度过冷的具有一定压力的过冷液氮通过高温超导电缆，把自身携带的冷量以显热的方式传递给高温超导电缆终端及其本体。在高温超导电缆出口的液氮，仍然还是进口处的那部分液氮(质量平衡)，只是相对高温超导电缆进口而言，其过冷度低了一些，损失了的这部分过冷度(即制冷机的制冷量)与高温超导电缆终端及其本体的漏热构成了热量盈亏平衡。为此，整个系统维持一个质量和能量平衡。
本实用新型还可采用三台国产斯特林制冷机冷却高温超导电缆的过冷液氮循环流程示意图，考虑制冷机的连续运行时间和制冷量的参数，采用3台制冷机并联(2台投入运行工作，1台备用检修维护)的方式。

Claims (7)

1、一种用于冷却高温超导电缆的过冷液氮循环冷却装置，包括：依次相连并形成循环回路的气液分离器、循环泵、制冷机和高温超导电缆低温容器。
2、按权利要求1所述的用于冷却高温超导电缆的过冷液氮循环冷却装置，其特征在于，所述的制冷机为抽真空液氮减压制冷机或机械闭式制冷机。
3、按权利要求1所述的用于冷却高温超导电缆的过冷液氮循环冷却装置，其特征在于，所述的循环泵为低温液体泵。
4、按权利要求1所述的用于冷却高温超导电缆的过冷液氮循环冷却装置，其特征在于，所述的制冷机为多台并联的制冷机组。
5、按权利要求1所述的用于冷却高温超导电缆的过冷液氮循环冷却装置，其特征在于，所述的制冷机为G-M、脉冲管制冷机、斯特林或逆布雷顿循环制冷机。
6、按权利要求1所述的用于冷却高温超导电缆的过冷液氮循环冷却装置，其特征在于，所述的制冷机与抽真空泵相连。
7、按权利要求6所述的用于冷却高温超导电缆的过冷液氮循环冷却装置，其椅征在于，所述的抽真空泵为机械抽真空泵。
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