一种压差驱动的射流式高温超导冷却装置和方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种压差驱动的射流式高温超导冷却装置，包括低温液体浸泡槽，浸泡在所述低温液体浸泡槽内的超导限流器，通过第一调节阀连接所述低温液体浸泡槽上层的低压气体区的气体缓冲罐，还包括：低温导流管道，布置在所述低温液体浸泡槽内，管体上开设有多个朝向所述超导限流器表面的射流导流孔；高压过冷液罐，通过第二调节阀与所述低温导流管道连通，向所述低温导流管道通入过冷液体以使过冷液体在射流导流孔处产生高速射流液体；本发明专利技术还公开了一种压差驱动的射流式高温超导冷却方法；本发明专利技术的装置和方法可以极大改善超导限流器表面的传热特性，加快超导限流器的再冷却有效地缩短了超导限流器的复温时间。

Jet driven high temperature superconducting cooling device and method driven by differential pressure

The invention discloses a jet type high temperature superconducting cooling device for pressure driven, including low temperature liquid soaking tank, soaking in the low temperature superconducting fault for liquid tank through the gas flow, low pressure gas zone in the first valve is connected with the cryogenic liquid soaking tank of the upper buffer tank, including: low temperature the diversion pipe, is arranged in the immersion cryogenic liquid tank, the tube body is provided with a plurality of toward the SCFCL surface of the jet flow guiding hole; subcooled liquid tank, connected by second regulating valve and the low temperature to the low temperature pipeline diversion, diversion pipeline pass into the supercooled liquid to make the supercooled liquid jet in liquid jet generated diversion hole; the invention also discloses a jet type high temperature superconducting cooling method of differential pressure driven device; and the method of the invention can greatly improve the SCFCL table The heat transfer characteristics of the superconducting fault current limiter are accelerated, and the re - heating time of the superconducting fault current limiter is effectively shortened.

【技术实现步骤摘要】
一种压差驱动的射流式高温超导冷却装置和方法
本专利技术涉及高温超导冷却领域，具体是涉及一种压差驱动的射流式高温超导冷却装置和方法。
技术介绍
伴随着输配电网规模日益扩大，电网互联程度越来越高。电网的互联改善了电网的输电效率，但这也使得电网的短路阻抗越来越小，短路电流水平急剧增大。现在很多电网的短路电流水平已经超出或即将超出现有线路断路器能够应对的范围，电网运行安全存在着很大隐患。在设备上解决短路电流过大问题，传统上采用的是高阻抗变压器或限流电抗器，但这些设备的使用增加了输电损耗，减弱了电网的电压调节能力。同时加大了电网损耗和电网建设成本。而利用超导技术制作的限流器可以打破传统限流器面临的困境，提高限流器的效率和可行性。超导材料具有其他材料所不具有的两个独特性质，即零电阻特性和完全抗磁性，使其可能制作出理想的故障电流限制设备，即超导限流器。对于低温超导，由于其采用的超导材料的工作温度的限制，必须采用氦作为低温冷却介质。而采用低温氦为冷却介质，其经济性将受到严重影响。随着高温超导材料的出现，使得高温超导技术不断发展进步，超导技术的应用从原来的液氦温区上升到液氮的温区。高温超导中过冷液氮的研究已经成为高温超导技术的一个重要研究方向。高温超导材料的独特性质必须在一定的低温环境下才能体现出，所以高温超导材料的低温冷却系统非常关键。然而能否维持足够的低温环境，并且在该低温环境下提供足够的低温制冷量，用来平衡高温超导材料由于运行产生的交流损耗以及由于系统的传导和辐射漏热，关系到高温超导材料能否正常稳定的运行和工作。超导磁体系统运行的低温环境主要由3种方式提供，分别是制冷机传导冷却、再冷凝式冷却和低温液体浸泡冷却。制冷机传导冷却结构简单无低温液体输送补充，但冷却均匀性差预冷时间长且伴随制冷机振动；再冷凝式冷却零蒸发模式液体消耗量小，磁体不受机械振动，但结构复杂成本高；低温液体浸泡冷却结构简单温度稳定性好无机械振动，当液体消耗量大。对于采用低温液体浸泡冷却结构，其超导材料失超后的再冷却过程时间冗长问题，至今没有找到很好的解决措施。当电力系统发生故障时，超导限流器理想工作状态发生改变，失去其超导性，即呈现阻抗性。当电流通过超导限流器，会在其表面产生巨量的焦耳热，热量传递到液氮中，使液氮剧烈气化，而形成的气泡会有很大一部分覆盖在超导限流器与液氮的接触表面，造成散热热阻急剧增大，延缓了超导限流器的再冷却过程。传统超导限流器的低温冷却系统如图1所示，其结构简单，包括液氮槽1、超导限流器2、自动启闭阀3和氮气缓冲罐4。超导限流器2完全浸没在液氮槽1的下部液氮中，液氮槽1上部低压氮气区和氮气缓冲罐4相连接，通过自动启闭阀3控制液氮槽1和氮气缓冲罐4的连通状态。当超导限流器2失超后，短路电流通过超导限流器，产生大量焦耳热，热量传递到液氮中，使液氮剧烈气化，自动启闭阀3迅速打开，超导限流器2表面产生的气泡一部分上升至上方氮气区，在压差驱动下进入氮气缓冲罐4，而残留在超导限流器2表面的气泡只能通过自然排出，之后液氮才能重新流回液氮槽1将其冷却，导致超导限流器2复温重启严重滞后。
技术实现思路
本专利技术提供了一种压差驱动的射流式高温超导冷却装置，有效解决超导限流器失超瞬间高热容超导材料的快速再冷却问题。一种压差驱动的射流式高温超导冷却装置，包括低温液体浸泡槽，浸泡在所述低温液体浸泡槽内的超导限流器，通过第一调节阀连接所述低温液体浸泡槽上层的低压气体区的气体缓冲罐，还包括：低温导流管道，布置在所述低温液体浸泡槽内，管体上开设有多个朝向所述超导限流器表面的射流导流孔；高压过冷液罐，内部压力大于所述低温液体浸泡槽，通过第二调节阀与所述低温导流管道连通，向所述低温导流管道通入过冷液体以使过冷液体在射流导流孔处产生高速射流液体，击碎所述超导限流器表面因液体气化产生的气泡层并加快气泡排出进入气体缓冲罐。本专利技术结合采用高效的绝热方式，如堆积绝热、真空粉末绝热或高真空多层绝热，以达到良好的绝热性能。本专利技术装置适用于低温液体浸泡式的冷却系统，优选的，所述低温液体浸泡槽中的低温液体为液氮、液氦或液氖。下面以采用液氮进行说明，低温液体浸泡槽为液氮槽，气体缓冲罐为氮气缓冲罐，高压过冷液罐为高压过冷液氮罐。高压过冷液氮罐存在两种布置形式：当高压过冷液氮罐与液氮槽平行布置，高压过冷液氮罐内储存液氮压力远高于液氮槽内液氮的压力；当高压过冷液氮罐位于液氮槽的顶部位置，可借助高压过冷液氮罐的顶部势能，通过顶部势能提供一定的压差。为了更好地冲散气泡层，优选的，所述的低温导流管道穿过所述的超导限流器的中心区域。为了更好地冲散气泡层，优选的，所述的低温导流管道靠近所述超导限流器的管道区域沿周向均匀设置有所述的射流导流孔。射流导流孔的排列方式存在单排布置和多排布置，导流孔的形状可以为圆形、椭圆形或矩形等不同形式。为了更好地冲散气泡层，优选的，所述的超导限流器为盘状，竖立有多个且分隔排布。优选的，所述的射流导流孔为斜切孔，相对所述的低温导流管道轴线的倾斜角度为30°～60°。液氮射流冲击超导限流器表面，加快扰动壁面的气泡层的同时，由于会在限流器表面形成驻点，此处热应力较大，也对超导限流器的材料提出了更高的要求。优选的，所述的第一调节阀和第二调节阀采用自动启闭阀。采用快速响应的气相区自动启闭阀和液相区自动启闭阀分别控制低温液体浸泡槽和气体缓冲罐、低温液体浸泡槽与高压过冷液罐的连通状态。优选的，所述低温导流管道的两端连接至同一管路，该管路上设置有所述第二调节阀并连接至高压过冷液罐。本专利技术还提供了一种压差驱动的射流式高温超导冷却方法，使用上述的压差驱动的射流式高温超导冷却装置，当所述的超导限流器失超时，第一调节阀和第二调节阀开启，高压过冷液罐内的过冷液体在压差驱动下通过所述的低温导流管道进入所述的低温液体浸泡槽，在射流导流孔处产生高速射流液体，击碎所述超导限流器表面的气泡层，并加快气泡的脱落并排出进入氮气缓冲罐。本专利技术的有益效果：(1)利用压差驱动的过冷液氮射流冷却技术，在短路故障时，在射流导流孔处产生高速射流液氮，击碎限流器表面的气泡层并加快气泡排出。(2)在短路故障时，超导限流器失去其超导性后，通过产生液体射流，引发超导限流器表面流体速度场的变化，过冷状态的液体加快超导限流器表面流体的流速，极大改善超导限流器表面的传热特性，加快超导限流器的再冷却过程。(3)在短路故障时，超导限流器失去其超导性，由于液体气化会消耗大量的液氮，通过产生液体射流，向液氮槽内补充了过冷液体，有利于超导限流器的持续冷却过程。附图说明图1是传统的超导限流器的低温冷却系统的结构示意图。图2是本专利技术的压差驱动的射流式高温超导冷却装置的结构示意图。图3是本专利技术的低温导流管道局部的结构示意图。其中：1、液氮槽，2、超导限流器，3、气相区自动启闭阀，4、氮气缓冲罐，5、低温导流管道，6、射流导流孔，7、高压过冷液氮罐，8、液相区自动启闭阀。具体实施方式本实施例以液氮为例进行说明，如图2所示，本实施例的压差驱动的射流式高温超导冷却装置包括液氮槽1、超导限流器2、带有射流导流孔6的低温导流管道5、气相区自动启闭阀3、液相区自动启闭阀8、氮气缓冲罐4和高压过冷液氮罐7。超导限流器2完全浸没于液氮槽1下部液氮中，上部高压氮气本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种压差驱动的射流式高温超导冷却装置，包括低温液体浸泡槽，浸泡在所述低温液体浸泡槽内的超导限流器，通过第一调节阀连接所述低温液体浸泡槽上层的低压气体区的气体缓冲罐，其特征在于，还包括：低温导流管道，布置在所述低温液体浸泡槽内，管体上开设有多个朝向所述超导限流器表面的射流导流孔；高压过冷液罐，内部压力大于所述低温液体浸泡槽，通过第二调节阀与所述低温导流管道连通，向所述低温导流管道通入过冷液体以使过冷液体在射流导流孔处产生高速射流液体，击碎所述超导限流器表面因降温产生的气泡层并加快气泡排出进入气体缓冲罐。

【技术特征摘要】
1.一种压差驱动的射流式高温超导冷却装置，包括低温液体浸泡槽，浸泡在所述低温液体浸泡槽内的超导限流器，通过第一调节阀连接所述低温液体浸泡槽上层的低压气体区的气体缓冲罐，其特征在于，还包括：低温导流管道，布置在所述低温液体浸泡槽内，管体上开设有多个朝向所述超导限流器表面的射流导流孔；高压过冷液罐，内部压力大于所述低温液体浸泡槽，通过第二调节阀与所述低温导流管道连通，向所述低温导流管道通入过冷液体以使过冷液体在射流导流孔处产生高速射流液体，击碎所述超导限流器表面因降温产生的气泡层并加快气泡排出进入气体缓冲罐。2.如权利要求1所述的压差驱动的射流式高温超导冷却装置，其特征在于，所述低温液体浸泡槽中的低温液体为液氮、液氦或液氖。3.如权利要求1所述的压差驱动的射流式高温超导冷却装置，其特征在于，所述的低温导流管道穿过所述的超导限流器的中心区域。4.如权利要求3所述的压差驱动的射流式高温超导冷却装置，其特征在于，所述的低温导流管道靠近所述超导限流器的管道区域沿周向均匀设置有所述的射流导流孔。...

【专利技术属性】
技术研发人员：植晓琴，朱少龙，邱利民，孙大明，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：浙江,33