本發(fā)明涉及高溫超導(dǎo)冷卻領(lǐng)域，具體是涉及一種壓差驅(qū)動的射流式高溫超導(dǎo)冷卻裝置和方法。

背景技術(shù)：

伴隨著輸配電網(wǎng)規(guī)模日益擴(kuò)大，電網(wǎng)互聯(lián)程度越來越高。電網(wǎng)的互聯(lián)改善了電網(wǎng)的輸電效率，但這也使得電網(wǎng)的短路阻抗越來越小，短路電流水平急劇增大?，F(xiàn)在很多電網(wǎng)的短路電流水平已經(jīng)超出或即將超出現(xiàn)有線路斷路器能夠應(yīng)對的范圍，電網(wǎng)運(yùn)行安全存在著很大隱患。在設(shè)備上解決短路電流過大問題，傳統(tǒng)上采用的是高阻抗變壓器或限流電抗器，但這些設(shè)備的使用增加了輸電損耗，減弱了電網(wǎng)的電壓調(diào)節(jié)能力。同時加大了電網(wǎng)損耗和電網(wǎng)建設(shè)成本。而利用超導(dǎo)技術(shù)制作的限流器可以打破傳統(tǒng)限流器面臨的困境，提高限流器的效率和可行性。超導(dǎo)材料具有其他材料所不具有的兩個獨特性質(zhì)，即零電阻特性和完全抗磁性，使其可能制作出理想的故障電流限制設(shè)備，即超導(dǎo)限流器。

對于低溫超導(dǎo)，由于其采用的超導(dǎo)材料的工作溫度的限制，必須采用氦作為低溫冷卻介質(zhì)。而采用低溫氦為冷卻介質(zhì)，其經(jīng)濟(jì)性將受到嚴(yán)重影響。隨著高溫超導(dǎo)材料的出現(xiàn)，使得高溫超導(dǎo)技術(shù)不斷發(fā)展進(jìn)步，超導(dǎo)技術(shù)的應(yīng)用從原來的液氦溫區(qū)上升到液氮的溫區(qū)。高溫超導(dǎo)中過冷液氮的研究已經(jīng)成為高溫超導(dǎo)技術(shù)的一個重要研究方向。高溫超導(dǎo)材料的獨特性質(zhì)必須在一定的低溫環(huán)境下才能體現(xiàn)出，所以高溫超導(dǎo)材料的低溫冷卻系統(tǒng)非常關(guān)鍵。然而能否維持足夠的低溫環(huán)境，并且在該低溫環(huán)境下提供足夠的低溫制冷量，用來平衡高溫超導(dǎo)材料由于運(yùn)行產(chǎn)生的交流損耗以及由于系統(tǒng)的傳導(dǎo)和輻射漏熱，關(guān)系到高溫超導(dǎo)材料能否正常穩(wěn)定的運(yùn)行和工作。超導(dǎo)磁體系統(tǒng)運(yùn)行的低溫環(huán)境主要由3種方式提供，分別是制冷機(jī)傳導(dǎo)冷卻、再冷凝式冷卻和低溫液體浸泡冷卻。制冷機(jī)傳導(dǎo)冷卻結(jié)構(gòu)簡單無低溫液體輸送補(bǔ)充，但冷卻均勻性差預(yù)冷時間長且伴隨制冷機(jī)振動；再冷凝式冷卻零蒸發(fā)模式液體消耗量小，磁體不受機(jī)械振動，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜成本高；低溫液體浸泡冷卻結(jié)構(gòu)簡單溫度穩(wěn)定性好無機(jī)械振動，當(dāng)液體消耗量大。

對于采用低溫液體浸泡冷卻結(jié)構(gòu)，其超導(dǎo)材料失超后的再冷卻過程時間冗長問題，至今沒有找到很好的解決措施。當(dāng)電力系統(tǒng)發(fā)生故障時，超導(dǎo)限流器理想工作狀態(tài)發(fā)生改變，失去其超導(dǎo)性，即呈現(xiàn)阻抗性。當(dāng)電流通過超導(dǎo)限流器，會在其表面產(chǎn)生巨量的焦耳熱，熱量傳遞到液氮中，使液氮劇烈氣化，而形成的氣泡會有很大一部分覆蓋在超導(dǎo)限流器與液氮的接觸表面，造成散熱熱阻急劇增大，延緩了超導(dǎo)限流器的再冷卻過程。

傳統(tǒng)超導(dǎo)限流器的低溫冷卻系統(tǒng)如圖1所示，其結(jié)構(gòu)簡單，包括液氮槽1、超導(dǎo)限流器2、自動啟閉閥3和氮氣緩沖罐4。超導(dǎo)限流器2完全浸沒在液氮槽1的下部液氮中，液氮槽1上部低壓氮氣區(qū)和氮氣緩沖罐4相連接，通過自動啟閉閥3控制液氮槽1和氮氣緩沖罐4的連通狀態(tài)。當(dāng)超導(dǎo)限流器2失超后，短路電流通過超導(dǎo)限流器，產(chǎn)生大量焦耳熱，熱量傳遞到液氮中，使液氮劇烈氣化，自動啟閉閥3迅速打開，超導(dǎo)限流器2表面產(chǎn)生的氣泡一部分上升至上方氮氣區(qū)，在壓差驅(qū)動下進(jìn)入氮氣緩沖罐4，而殘留在超導(dǎo)限流器2表面的氣泡只能通過自然排出，之后液氮才能重新流回液氮槽1將其冷卻，導(dǎo)致超導(dǎo)限流器2復(fù)溫重啟嚴(yán)重滯后。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供了一種壓差驅(qū)動的射流式高溫超導(dǎo)冷卻裝置，有效解決超導(dǎo)限流器失超瞬間高熱容超導(dǎo)材料的快速再冷卻問題。

一種壓差驅(qū)動的射流式高溫超導(dǎo)冷卻裝置，包括低溫液體浸泡槽，浸泡在所述低溫液體浸泡槽內(nèi)的超導(dǎo)限流器，通過第一調(diào)節(jié)閥連接所述低溫液體浸泡槽上層的低壓氣體區(qū)的氣體緩沖罐，還包括：

低溫導(dǎo)流管道，布置在所述低溫液體浸泡槽內(nèi)，管體上開設(shè)有多個朝向所述超導(dǎo)限流器表面的射流導(dǎo)流孔；

高壓過冷液罐，內(nèi)部壓力大于所述低溫液體浸泡槽，通過第二調(diào)節(jié)閥與所述低溫導(dǎo)流管道連通，向所述低溫導(dǎo)流管道通入過冷液體以使過冷液體在射流導(dǎo)流孔處產(chǎn)生高速射流液體，擊碎所述超導(dǎo)限流器表面因液體氣化產(chǎn)生的氣泡層并加快氣泡排出進(jìn)入氣體緩沖罐。

本發(fā)明結(jié)合采用高效的絕熱方式，如堆積絕熱、真空粉末絕熱或高真空多層絕熱，以達(dá)到良好的絕熱性能。

本發(fā)明裝置適用于低溫液體浸泡式的冷卻系統(tǒng)，優(yōu)選的，所述低溫液體浸泡槽中的低溫液體為液氮、液氦或液氖。

下面以采用液氮進(jìn)行說明，低溫液體浸泡槽為液氮槽，氣體緩沖罐為氮氣緩沖罐，高壓過冷液罐為高壓過冷液氮罐。

高壓過冷液氮罐存在兩種布置形式：當(dāng)高壓過冷液氮罐與液氮槽平行布置，高壓過冷液氮罐內(nèi)儲存液氮壓力遠(yuǎn)高于液氮槽內(nèi)液氮的壓力；當(dāng)高壓過冷液氮罐位于液氮槽的頂部位置，可借助高壓過冷液氮罐的頂部勢能，通過頂部勢能提供一定的壓差。

為了更好地沖散氣泡層，優(yōu)選的，所述的低溫導(dǎo)流管道穿過所述的超導(dǎo)限流器的中心區(qū)域。

為了更好地沖散氣泡層，優(yōu)選的，所述的低溫導(dǎo)流管道靠近所述超導(dǎo)限流器的管道區(qū)域沿周向均勻設(shè)置有所述的射流導(dǎo)流孔。射流導(dǎo)流孔的排列方式存在單排布置和多排布置，導(dǎo)流孔的形狀可以為圓形、橢圓形或矩形等不同形式。

為了更好地沖散氣泡層，優(yōu)選的，所述的超導(dǎo)限流器為盤狀，豎立有多個且分隔排布。

優(yōu)選的，所述的射流導(dǎo)流孔為斜切孔，相對所述的低溫導(dǎo)流管道軸線的傾斜角度為30°～60°。液氮射流沖擊超導(dǎo)限流器表面，加快擾動壁面的氣泡層的同時，由于會在限流器表面形成駐點，此處熱應(yīng)力較大，也對超導(dǎo)限流器的材料提出了更高的要求。

優(yōu)選的，所述的第一調(diào)節(jié)閥和第二調(diào)節(jié)閥采用自動啟閉閥。采用快速響應(yīng)的氣相區(qū)自動啟閉閥和液相區(qū)自動啟閉閥分別控制低溫液體浸泡槽和氣體緩沖罐、低溫液體浸泡槽與高壓過冷液罐的連通狀態(tài)。

優(yōu)選的，所述低溫導(dǎo)流管道的兩端連接至同一管路，該管路上設(shè)置有所述第二調(diào)節(jié)閥并連接至高壓過冷液罐。

本發(fā)明還提供了一種壓差驅(qū)動的射流式高溫超導(dǎo)冷卻方法，使用上述的壓差驅(qū)動的射流式高溫超導(dǎo)冷卻裝置，當(dāng)所述的超導(dǎo)限流器失超時，第一調(diào)節(jié)閥和第二調(diào)節(jié)閥開啟，高壓過冷液罐內(nèi)的過冷液體在壓差驅(qū)動下通過所述的低溫導(dǎo)流管道進(jìn)入所述的低溫液體浸泡槽，在射流導(dǎo)流孔處產(chǎn)生高速射流液體，擊碎所述超導(dǎo)限流器表面的氣泡層，并加快氣泡的脫落并排出進(jìn)入氮氣緩沖罐。

本發(fā)明的有益效果：

(1)利用壓差驅(qū)動的過冷液氮射流冷卻技術(shù)，在短路故障時，在射流導(dǎo)流孔處產(chǎn)生高速射流液氮，擊碎限流器表面的氣泡層并加快氣泡排出。

(2)在短路故障時，超導(dǎo)限流器失去其超導(dǎo)性后，通過產(chǎn)生液體射流，引發(fā)超導(dǎo)限流器表面流體速度場的變化，過冷狀態(tài)的液體加快超導(dǎo)限流器表面流體的流速，極大改善超導(dǎo)限流器表面的傳熱特性，加快超導(dǎo)限流器的再冷卻過程。

(3)在短路故障時，超導(dǎo)限流器失去其超導(dǎo)性，由于液體氣化會消耗大量的液氮，通過產(chǎn)生液體射流，向液氮槽內(nèi)補(bǔ)充了過冷液體，有利于超導(dǎo)限流器的持續(xù)冷卻過程。

附圖說明

圖1是傳統(tǒng)的超導(dǎo)限流器的低溫冷卻系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2是本發(fā)明的壓差驅(qū)動的射流式高溫超導(dǎo)冷卻裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3是本發(fā)明的低溫導(dǎo)流管道局部的結(jié)構(gòu)示意圖。

其中：

1、液氮槽，2、超導(dǎo)限流器，3、氣相區(qū)自動啟閉閥，4、氮氣緩沖罐，5、低溫導(dǎo)流管道，6、射流導(dǎo)流孔，7、高壓過冷液氮罐，8、液相區(qū)自動啟閉閥。

具體實施方式

本實施例以液氮為例進(jìn)行說明，如圖2所示，本實施例的壓差驅(qū)動的射流式高溫超導(dǎo)冷卻裝置包括液氮槽1、超導(dǎo)限流器2、帶有射流導(dǎo)流孔6的低溫導(dǎo)流管道5、氣相區(qū)自動啟閉閥3、液相區(qū)自動啟閉閥8、氮氣緩沖罐4和高壓過冷液氮罐7。

超導(dǎo)限流器2完全浸沒于液氮槽1下部液氮中，上部高壓氮氣區(qū)與氮氣緩沖罐4通過管道相連接。低溫導(dǎo)流管道5穿過超導(dǎo)限流器2的中心區(qū)域，與超導(dǎo)限流器2相連的管道區(qū)域設(shè)置射流導(dǎo)流孔6，射流導(dǎo)流孔6設(shè)有多個并沿著周向均勻分布，射流導(dǎo)流孔6為斜切孔，角度θ＝45°，如圖3所示。

低溫導(dǎo)流管道5連接液氮槽1與高壓過冷液氮罐7。采用快速響應(yīng)的氣相區(qū)自動啟閉閥3和液相區(qū)自動啟閉閥8控制液氮槽1和氮氣緩沖罐4、液氮槽1與高壓過冷液氮罐7的連通狀態(tài)。

超導(dǎo)限流器2正常工作時，控制液氮槽1和氮氣緩沖罐4、液氮槽1與高壓過冷液氮罐7的兩個自動啟閉閥處于關(guān)閉狀態(tài)，低溫導(dǎo)流管道5內(nèi)充滿與液氮槽1內(nèi)相同狀態(tài)的液氮，整個系統(tǒng)處于動態(tài)平衡的狀態(tài)。

在發(fā)生短路故障時，超導(dǎo)限流器2理想工作狀態(tài)發(fā)生改變，失去其超導(dǎo)性，即呈現(xiàn)阻抗性。于是在超導(dǎo)限流器2的表面產(chǎn)生的巨量焦耳熱，熱量傳遞到液氮中，使液氮劇烈氣化，形成的氣泡一部分上升至上方高壓氮氣區(qū)，一部分氣泡覆蓋在超導(dǎo)限流器2的表面，使其散熱熱阻急劇增大。而控制液氮槽1和氮氣緩沖罐4、液氮槽1與高壓過冷液氮罐7的兩個自動啟閉閥利用其快速響應(yīng)特性，迅速切換至開啟狀態(tài)。

此時，液氮由于氣化產(chǎn)生的氣泡進(jìn)入液氮槽1的上部空間，在液氮槽1上部空間快速形成高壓氮氣區(qū)，使氮氣緩沖罐4內(nèi)的低壓氮氣與液氮槽1上部空間的高壓氮氣產(chǎn)生了一定壓差，在壓差驅(qū)動下液氮槽1上部空間氮氣進(jìn)入氮氣緩沖罐4。

高壓過冷液氮罐7內(nèi)的高壓過冷液氮在壓差驅(qū)動下通過低溫導(dǎo)流管道5，分兩端進(jìn)入液氮槽1，在射流導(dǎo)流孔6處，由于截面積的突然縮小，產(chǎn)生高速射流，高速高壓過冷的液氮擊碎超導(dǎo)限流器2表面由于氣化產(chǎn)生的氣泡層，加快氣泡的脫落并排向液氮槽1的上部空間。高壓高速過冷狀態(tài)的液氮改變超導(dǎo)限流器表面的速度場，加快超導(dǎo)限流器表面流體的流速，這種強(qiáng)制對流能夠極大改善超導(dǎo)限流器表面的傳熱特性，加快超導(dǎo)限流器的再冷卻過程。由于液氮的氣化，液氮槽1內(nèi)的液氮量急劇降低。通過高壓過冷液氮罐7內(nèi)的液氮射流進(jìn)入液氮槽1，向液氮槽1內(nèi)補(bǔ)充了過冷液氮，有利于超導(dǎo)限流器2的持續(xù)冷卻。

綜上所述，本實施例的壓差驅(qū)動的射流式高溫超導(dǎo)冷卻裝置利用壓差驅(qū)動的過冷液氮射流冷卻技術(shù)，在短路故障時，在射流導(dǎo)流孔處產(chǎn)生高速射流液氮，擊碎限流器表面的氣泡層并加快氣泡排出；在短路故障時，超導(dǎo)限流器失去其超導(dǎo)性后，通過產(chǎn)生液氮射流，引發(fā)超導(dǎo)限流器表面流體速度場的變化，過冷狀態(tài)的液氮加快超導(dǎo)限流器表面流體的流速，極大改善超導(dǎo)限流器表面的傳熱特性，加快超導(dǎo)限流器的再冷卻過程；在短路故障時，超導(dǎo)限流器失去其超導(dǎo)性，由于液氮氣化會消耗大量的液氮；通過產(chǎn)生液氮射流，向液氮槽內(nèi)補(bǔ)充了過冷液氮，有利于超導(dǎo)限流器的持續(xù)冷卻過程；通過壓差產(chǎn)生的射流冷卻技術(shù)，不僅可以適用于液氮浸泡式，同樣適用于其他低溫液體浸泡式的冷卻系統(tǒng)，如液氦浸泡式和液氖浸泡式。