一种压差驱动的强制对流高温超导冷却装置和方法与流程

本发明涉及高温超导冷却技术领域，具体涉及一种压差驱动的强制对流高温超导冷却装置和方法。

背景技术：

随着人们对电力需求的日益增长和对供电质量要求的不断提高，输配电网的规模逐渐扩大，在提高电网输电效率的同时也使得电网的短路阻抗越来越小，短路电流急剧增大。在设备上解决短路电流过大问题，通过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。现有的研究与实践表明，基于传统材料与技术难于实现理想的限流器。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。

伴随着高温超导材料的问世，超导技术的应用从原来的液氦温区上升到液氮的温区。作为高温超导的研究热点之一，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。高温超导材料的工作温度必须维持在一定的低温环境下，这样超导材料才能体现出独特的性质，所以高温超导材料的低温冷却系统非常的关键。然而能否获得足够的低温环境和在该低温环境下有足够的低温制冷量，用来平衡由于系统的传导和辐射漏热以及高温超导材料由于运行产生的交流损耗，关系到高温超导材料能否正常稳定的运行和工作。

目前，超导磁体系统运行的低温环境主要由3种方式提供，分别是低温液体浸泡冷却、再冷凝式冷却和制冷机传导冷却。低温液体浸泡冷却结构简单温度稳定性好无机械振动，但液体消耗量大；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；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。

对于液氮冷却高温超导材料的研究已经日渐成熟。而关于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，形成的气泡有很大一部分会覆盖在超导限流器的表面，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，其结构相对简单，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。

当设备发生短路故障，超导限流器2失超，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低压区，在压差驱动下进入氮气缓冲罐4，而附着在超导限流器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。

技术实现要素：

本发明提供了一种压差驱动的强制对流高温超导冷却装置，可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。

一种压差驱动的强制对流高温超导冷却装置，包括低温液体浸泡槽以及浸泡在所述低温液体浸泡槽内的超导限流器，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导流孔；

低压平衡罐，内部压力小于所述低温液体浸泡槽，通过调节阀与所述低温导流管道连通，用于在限流器失去超导性时打开调节阀以使所述低温液体浸泡槽内的低温液体通过低温导流管道进入所述低压平衡罐，使在导流孔附近的超导限流器表面产生强制对流；

低温泵，用于将所述低压平衡罐内的过冷液体泵回所述低温液体浸泡槽。

本发明通过在超导限流器表面形成的强制对流，极大改善限流器表面传热特性，从而实现限流器表面的快速降温。

本发明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。

本发明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。所述低压平衡罐存在两种布置形式：当低压平衡罐与液氮槽平行布置，低压平衡罐内压力远低于液氮槽内的压力；当低压平衡罐位于液氮槽的底部位置，可借助液氮槽的顶部势能，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导流孔。使超导限流器表面所有气泡层均受到强制对流的扰动。

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。

导流孔的导向位置存在一定角度θ。当导流孔与低温导流管道垂直布置θ＝90°，低温液体横掠超导限流器表面进入导流孔；当导流孔偏移一定角度0＜θ＜90°，超导限流器表面的速度场发生剧烈变化，加速扰动壁面的气泡层。优选的，所述的导流孔为斜切孔，相对所述的低温导流管道轴线的倾斜角度为30°～60°。

优选的，所述的调节阀采用自动启闭阀。选用快速响应自动启闭阀，准确及时地改变低温液体浸泡槽和低压平衡罐的连通状态。

为了使对流更均匀，响应速度更快，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的调节阀并连接至低压平衡罐的进液口。

本发明还提供了一种压差驱动的强制对流高温超导冷却方法，其特征在于，使用上述的压差驱动的强制对流高温超导冷却装置，包括以下步骤：

(1)在发生短路故障时，所述超导限流器失去其超导性，所述超导限流器的表面使低温液体发生气化，形成的气泡一部分上升到低温液体浸泡槽上部空间形成高压气区，一部分气泡覆盖在超导限流器的表面，打开所述调节阀；

(2)所述低温液体浸泡槽内的低温液体在压差的驱动下，低温液体经过导流孔通过低温导流管道进入低压平衡罐；在所述导流孔处，由于截面积的缩小，压差作用下在超导限流器表面形成强制对流，加剧扰动超导限流器表面的气泡层，加快气泡的脱落并上升至所述低温液体浸泡槽的上部空间；而通过压差产生的强制对流，改变超导限流单元表面流体的速度场，加快超导限流单元表面流体的流速，极大改善超导限流单元表面的传热特性，加快超导限流单元的再冷却过程。

(3)在超导限流器复温阶段完成后，使用低温泵将低压平衡罐内低温液体重新补充到所述低温液体浸泡槽内，实现低温液体的循环利用。

本发明的有益效果：

(1)本发明提出新的高温超导冷却技术，创新性地提出利用压差驱动的强制对流冷却技术，在短路故障时，通过压差作用在超导限流器表面产生强制对流，加剧扰动超导限流器表面的气泡层，加快气泡的脱落和排出。

(2)本发明提出新的高温超导冷却技术，在短路故障时，超导限流器失去其超导性后，通过压差产生的强制对流，增加超导限流单元表面流体流速，极大改善超导限流单元表面的传热特性，加快超导限流单元的再冷却过程。

(3)本发明提出新的高温超导冷却技术，在短路故障时，超导限流器失去其超导性后，通过使用低温泵将低压平衡罐内低温液体重新补充到低温液体浸泡槽内，实现低温液体的循环使用。

附图说明

图1是现有技术的超导限流器的低温冷却系统的结构示意图。

图2是本发明的压差驱动的强制对流高温超导冷却装置的结构示意图。

图3为超导限流器的局部结构示意图。

其中：1、液氮槽，2、超导限流器，3、自动启闭阀，4、氮气缓冲罐，5、低温导流管道，6、导流孔，7、低压平衡罐，8、低温泵。

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强制对流高温超导冷却装置包括液氮槽1、超导限流器2、带有导流孔6的低温导流管道5、自动启闭阀3、低压平衡罐7和低温泵8。

超导限流器2完全浸没于液氮槽1内的下部液氮中，上部为高压氮气区。低温导流管道5穿过超导限流器2的中心区域，与超导限流器2相连的管道区域设置导流孔6，导流孔6设有多个并沿着周向均匀分布，导流孔6为斜切孔，角度θ＝45°，如图3所示。

低温导流管道5连接液氮槽1与低压平衡罐7。采用快速响应自动启闭阀3控制液氮槽1与低压平衡罐7的连通状态。在低压平衡罐7和液氮槽1之间旁通一路管道，通过低温泵8实现液氮的回收使用。

超导限流器2正常工作时，控制液氮槽1与低压平衡罐7的自动启闭阀3处于关闭状态，低温导流管道5内充满与液氮槽1内相同状态的液氮，整个系统处于动态平衡的状态。

在发生短路故障时，超导限流器2理想工作状态发生改变，失去其超导性，即呈现阻抗性。于是在超导限流器2的表面产生巨量焦耳热，热量传递到液氮中，液氮发生剧烈气化，形成的气泡一部分上升到液氮槽1上部空间形成高压氮气区，一部分气泡覆盖在超导限流器2的表面，使其散热热阻急剧增大。而控制液氮槽1与低压平衡罐7的自动启闭阀3利用其快速响应特性，迅速切换至开启状态。

液氮由于气化产生的气泡进入液氮槽1的上部空间，在液氮槽1上部空间快速形成高压氮气区，而液氮槽1内的液氮与低压平衡罐7内的液氮存在一定压差，在上述压差的共同驱动下，液氮槽1内的液氮经过导流孔6，通过低温导流管道5分两端导出液氮槽1，最终汇合后进入低压平衡罐7。而在导流孔6处，由于截面积的缩小，压差作用下在超导限流器2表面形成强制对流，加剧扰动超导限流器2表面的气泡层，加快气泡的脱落并上升至液氮槽1上部空间。而通过压差产生的强制对流，改变超导限流单元表面流体的速度场，加快超导限流单元表面流体的流速，极大改善超导限流单元表面的传热特性，加快超导限流单元的再冷却过程。

由于液氮的气化，消耗了液氮槽1内的大量液氮。在超导限流器2复温阶段完成后，通过使用低温泵8将低压平衡罐7内液氮重新补充到液氮槽1内，实现液氮的循环利用。

综上所述，本实施例的压差驱动的强制对流高温超导冷却装置利用压差驱动的强制对流冷却技术，在短路故障时，通过压差作用在超导限流器2表面产生强制对流，加剧扰动超导限流器2表面的气泡层，加快气泡的 脱落和排出；在短路故障时，超导限流器2失去其超导性后，通过压差产生的强制对流，增加超导限流单元表面流体流速，极大改善超导限流器2表面的传热特性，加快超导限流器2的再冷却过程；同时通过使用低温泵8将低压平衡罐7内液氮重新补充到液氮槽1内，实现液氮的循环使用。