CN1773632B - 备用低温制冷系统 - Google Patents

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Abstract

使用单一备用冷却剂储存箱为包括多重冷却环的低温制冷系统提供备用制冷。备用冷却剂储存箱与冷却环中至少一个流体连通，并且冷却环互相之间也流体连通。每一个冷却环按顺序各与一个制冷单元流体连通。当制冷剂从一个冷却环中漏失，冷却剂(例如液氮)将从其它冷却环中输送到漏失冷却剂的冷却环中，并且将冷却剂从备用冷却剂储存箱释放到系统中。

Description

备用低温制冷系统
(1)技术领域
本发明涉及低温制冷系统。一方面，本发明涉及一种低温制冷系统的备用或恢复系统，而在另一方面，本发明涉及用于高温超导(HTS)电缆的低温制冷系统的备用系统。在又一个方面，本发明还涉及一种为低温制冷系统提供低温制冷能力的方法。
(2)背景技术
高温超导体的低温制冷系统众所周知。在一种基本形式中，这些系统包括冷却环、制冷单元和冷冻剂。冷却环(例如管子或其它管道结构)被安置在一需要冷却的装置旁边(例如HTS电缆)并且冷却环与制冷单元流体连通。制冷单元是本行业中公知的机械制冷装置。冷冻剂(例如液氮)从制冷单元流入冷却环，在冷却环中循环而将热量从装置处吸走，然后回到制冷单元将热量移去，再循环回到冷却环。
低温制冷系统可以备有备用或恢复制冷单元以防主单元发生故障。为了防备制冷单元发生故障或常规检修而设置这种冗余设备通常不能节省费用并会增加系统的复杂程度和尺寸。
包括两个或多个冷却环低温制冷系统(例如那些与HTS电缆相关的)通常会要求每个冷却环有一个备用制冷单元。虽然有效，但每个冷却环配备一个备用制冷单元会增加整个制冷系统的投资成本费用及其操作的复杂性。
HTS电力或传输电缆众所周知。这些电缆需要低温冷却，并且有代表性的HTS电力或传输电缆在美国专利3946141、3950606、4020274、4020275、4176238以及最近的5858386、6342673和6512311中有所描述。一种典型的HTS电缆的制冷方式是通过在导体的中空的核心通液氮或在围绕(一根或多根)导体外围的通道中通液氮来将一根或多根HTS导体冷却。HTS导体相对于相同尺寸的传统导体的吸引人之处在于前者可以传送相当于后者数倍的电力而几乎没有电力损失。
冷却HTS电缆的普通模式是设置一机械制冷单元(本行业中已知)来冷却闭合环中的纯过冷液氮。“过冷”液氮是被冷却到沸点以下的氮气，这是依靠工作压力来实现的。例如，在工作压力为5bar的闭合环中，液氮的沸点是94K(绝对温度)。在典型的制冷剂温度70-75K下，液氮将被过冷19-24度。通常，单独一个过冷液体环无法冷却电缆的全长，因此，必须有可以控管的多重部分。在本发明的方案中，如果基于单独的部分的话，总设有备用制冷能力。EP1355114A2中描述的HTS电缆和制冷系统就是一个例证。
EP‘114中的HTS电缆和低温制冷系统包括围绕HTS电缆的第一和第二冷却通道(4、5)。液氮在这些通道中循环而将热量从电缆处带走，通过一低压沸腾液氮浴(9)(例如一过冷器)，在这里，从液氮中带走了热量，然后液氮再循环回到通道。如果出于任何原因，液氮从系统中损失，则从储存箱(1)处向系统加入补充液氮。储存箱和它的连接硬件是设计用来进行最初所要的液氮充注，以及在必要时再对冷却系统进行补充。储存箱还通过液氮和气氮冷却系统提供电缆最初冷却所需的冷却剂。
本发明旨在通过减少系统的整体尺寸和复杂性以及减少系统的投资成本和功率消耗来解决已有备用制冷系统的问题.
(3)发明内容
根据本发明，可为一种低温制冷系统提供备用制冷能力，包括使用单个备用制冷箱的多重冷却环。该备用制冷箱与冷却环中的至少一个流体连通，并且冷却环互相之间流体连通。每一个冷却环依次又各与一个制冷单元流体连通。制冷单元的制冷源可以是机械式的(例如氦循环制冷系统)或者是通过液化气体的大量蒸发(例如液氮)的。在操作中，制冷剂(例如液氮)在构造为通过或贴近需要冷却的装置(例如电缆)的冷却环中循环，并循环到制冷单元，用以在回到冷却环之前移去热量或再冷凝。如果由于无论何种原因，制冷剂从一个或多个冷却环中漏失，那么，就将冷却剂从另一个相连的冷却环中输送到(直接或间接地)漏失冷却剂的冷却环中，并且从储存箱将冷却剂释放到一个或多个与容器直接连接的冷却环中。这种备用冷却剂的添加是与低温制冷系统的持续运行同时进行的。
在一个实施例中，液态制冷剂储存在一个与普通的增压盘管结成一体的单一容器中。也可以选择的是，该容器也可与受控制以保持容器中所要求的上部压力而不允许任何容器中的内容物损失的再冷凝盘管结成一体。有了可选用的再冷凝盘管，备用液态冷却剂可以保存无限长的时间而没有损失，也不需要补充。
在另一个实施例中，备用液体冷却剂容器：(i)与过冷液体冷却环连接；(ii)作为一般工作时冷却环的缓冲容器；以及(iii)保持这些冷却环处于较佳的压力。单个的过冷部分冷却环在一般操作中不在两者之间传送冷却剂。而是每个冷却环保持同样的额定恒定压力。然而，当一个或多个冷却环部分由于任何的原因而漏失了冷却剂时，就将补充冷却剂从储存容器输送到冷却部分，并且冷却剂根据保持液态冷却剂总量的需要，在各冷却部分之间自然地传送。
在又一个实施例中，提供了一种用于高温超导电缆的备用低温制冷系统，该系统包括：
A.可选用地包括备用再冷凝盘管的备用制冷箱；
B.包括与第一制冷单元存在冷却关系的第一换热器盘管的第一换热器；
C.与电缆的第一部分和第一换热器都有冷却关系的第一循环圈；
D.包括与第二制冷单元存在冷却关系的第二换热器盘管的第二换热器；
E.与电缆的第二部分和第二换热器都有冷却关系的第二循环圈；以及
F.连接第一和第二循环系统的管子；
备用制冷箱与第一和第二循环圈中至少一个流体连通。在一个实施例中，第一和第二制冷单元为机械制冷单元。如果可选用的备用再冷凝盘管出现在备用冷却箱中，那么该系统还包括与备用再冷凝盘管有冷却关系的备用制冷单元(典型的是机械制冷单元)。第一或第二制冷单元也可以作为备用制冷单元。
在还有一个实施例中，提供了一种为高温超导电缆提供备用低温制冷的方法，该方法包括：提供含有液体低温冷却剂的液体低温备用箱；备用箱与多部分冷却系统中的至少一个部分流体连通；液体低温冷却剂在单个的部分中循环，并且冷却系统中的单个部分与其它部分互相流体连通；备用箱与多部分冷却系统中的至少一个部分流体连通，从而当任意一个相连的部分有冷却剂损失时，冷却剂就从备用箱传送到损失冷却剂的部分。
在再有一个本发明的实施例中，低温制冷系统可以为多重部分HTS电缆提供主要的(与备用系统相对)冷却。在此实施例中，每一部分的制冷单元为一过冷器，并且当冷却剂从单元中漏失(并因而从电缆部分漏失)时，损失的冷却剂由来自液体储存箱的冷却剂来替代。
(4)附图说明
图1A是用于多重冷却环的基本备用低温制冷系统的结构示意图；
图1B是图1A所示结构的变型，其中每一个制冷单元支持一个以上冷却环；
图2A是一个实施例中、用于多段HTS电缆的备用低温制冷系统的结构示意图；
图2B示出图2A所示结构的变型，其中一个热虹吸器和冷却回路用两个机械制冷单元来制冷。
图3是一逆流换热器的结构示意图；
图4是冷却源为大量液氮的换热器的结构示意图。
(5)具体实施方式
将结合附图描述本发明不同的实施例，在附图中相似的标号用于标示相似的零部件。省略了各种不同的装置部件(例如配合件、固定件、传感器、阀门等等)以使说明简化。然而，这些传统装备及其使用是本领域技术人员公知的，并且这些装备可以根据需要来使用。另外，虽然以下本发明的描述是就冷却多段HTS电缆来进行的，但本领域的技术人员会知道本发明也可应用于其它需要过冷液氮冷却系统的备用低温制冷能力的装置上。
图1A是本发明包括其最基本元件的结构示意图。备用冷却剂储存箱10(也称作备用冷却箱)与依次和冷却环2流体连通的冷却环1流体连通。冷却环1和2与制冷单元23和24分别流体连通，并且每个冷却环与另一个冷却环通过管子25流体连通。
在工作中，每个冷却环环绕、围绕、通过、或在另一构造中贴近一装置(未示出，例如一HTS电缆段)并通过使冷却剂(例如液氮之类的挥发性液体)循环而向装置传递冷量。来自每个环的冷却剂循环通过一任意类型的制冷单元(例如机械式电冰箱、过冷却器等)、在该制冷单元中被冷却或再冷凝并回到冷却环中。通常，每一个冷却环在相同的平均压力下工作，并且由于这样，冷却剂不会从一个冷却环通过管子25流到另一个内。然而，如果在两个冷却环中的任意一个中发生泄漏或其它冷却剂损失，那么，所造成的压力损失会触发释放备用冷却剂，使之从液体冷却剂储存箱10释放到系统中。这可以自然地发生，或通过可监控系统压力或冷却剂总量的控制系统和阀门设置的动作来实现。如果在冷却环21中发生损失，那么，备用冷却剂就从储存箱10流入冷却环21。如果在冷却环22中发生损失，那么，冷却剂从冷却环21流入冷却环22，同时冷却剂从储存箱10流入冷却环21。冷却剂根据要求从一个冷却环流入另一个以平衡两个冷却环的压力。如图1B所示，在一个系列中连接有两个以上冷却环时，此类冷却剂输送机构以同样的方式运作，并且每个制冷单元可以为一个以上的冷却环提供服务。
图2A是图1的详图.图2A示出了一个用于HTS电缆的多部分、过冷液体冷却环.虽然图2A只示出了两部分，这只是为了简化.如上所说，本发明可以用于包括任意多个部分数的系统.另外，虽然所示的这几个部分长度大致相等，但这几个部分也可以长度不等，或由此，还在任何其它方面(例如管子尺寸、结构等)不相同.此外，不同的部分可以包括不同类型的装置，例如电缆或其它HTS装置.
在图2A中，备用制冷箱10包括可选用的、位于顶部空间12的备用再冷凝盘管11并存有液氮13。压力调节器18以标准方式工作以使液氮经管路15和16流入蒸发盘管20，使加压氮气循环回到顶部空间以帮助在容器10中维持所要求的上部压力。再冷凝盘管11与备用机械制冷单元14有冷却关系，即机械制冷单元14将再冷凝盘管11充分冷却从而再冷凝盘管11冷凝从液氮13蒸发而来的氮气并将它回送到液氮13。或者，再冷凝盘管11可以与一单独的机械制冷器(未示出)有冷却关系。
除了上述与电缆部分或循环圈21存在流体连通的备用制冷箱组件以外，电缆部分21和22实质上互成镜像对称。未示出HTS电缆本身。电缆部分21和22的过冷组件分别包括换热器(或在此处更具体的为再冷凝盘管)23和24。每个热虹吸器包括里面分别伸进再冷凝盘管23和24的顶端空间23a和24a，它们之间存在与上述备用再冷凝盘管和备用制冷单元之间相类似的冷却关系。在图2A的实施例中，再冷凝盘管23b伸进备用制冷单元14。在这个优选实施例中，一个制冷单元操作两个再冷凝盘管从而节省了投资成本和运行费用。在未示出的又一个实施例中，再冷凝盘管11和23b分别由单独的制冷单元来提供服务。在还有一个实施例中，两个或更多机械制冷单元可操作一个热虹吸器。未示出用于给再冷凝盘管24b提供服务的制冷单元。液氮23c和24c分别存在容器23和24中。那些本领域技术人员会认识到，冷凝盘管11、23b和24b可以位于它们各自的压力容器外部，但要与这些压力容器流体连通。此外，所显示的盘管可以由用于机械制冷单元的循环制冷液体(如氦)来冷却，或只是通过机械制冷单元的动作保持降低了的温度的冷表面(“冷头”)。
液氮分别通过管子23d-e和24d-e分别在电缆部分21和22中循环。管子23d-e和24d-e分别由泵23f和24f连接。管子23e和24e由互连管25连接。管子16和23e形成开口接头26，备用箱10通过它与电缆部分21流体连通。接头26是备用箱10保持循环圈中压力之处，并且通过将容器10用作为膨胀箱，接头26还作为液体承受膨胀和收缩的点。
在电缆部分21和22的过冷环的一般操作中，过冷液氮分别通过泵23f和24f在管子23d-e和24d-e中循环.在液氮分别离开热虹吸器时，其温度最低，并且在分别回到热虹吸器时，它的温度最高.当液氮通过各电缆部分的整个长度时，它从各自的电缆部分吸收热量并被加热，从而在回到热虹吸器时需要释放热量.这是通过将加热后的液体通入热虹吸器内的蒸发盘管23m和24m来完成的.热液体由换热器用冷却液23c和24c来冷却，这将随后使液体23c和24c的一部分沸腾.由于蒸发盘管23m和24m的作用，液氮持续蒸发进入热虹吸器各自的顶部空间.这一蒸发将导致热虹吸器中压力上升，该压力上升可分别通过再冷凝盘管23b和24b的作用来防止.再冷凝盘管23b和24b由机械制冷单元(例如用于再冷凝盘管23b的机械制冷单元)提供正好足够将蒸发的液体冷凝并保持热虹吸器所要求的温度和压力的制冷量.来自机械制冷单元的制冷量被控制在保持热虹吸器压力或者冷却环温度的速率和总量上.这一控制动作是通过公知的开/关或比例-积分-微分(PID)型控制逻辑来完成的.由于在这种模式的工作下氮气既不从热虹吸器箱23和24漏失、也不从中得到增加，在热虹吸器中的液氮水平保持恒定.在一般的、稳定的运作中，由于在两个冷却环中保持恒定的额定压力(排除由于循环液引起的压力降低)，液氮不会通过互连管25流入管子23e和24e或从它们流出.在一般操作中，为对可能引起冷却环21和22中的液氮膨胀或收缩的工作温度或情况的变化作出回应，会有额定量的液氮沿多个方向流过管子25.
当负责保持一个热虹吸器中的液氮的一个制冷单元发生故障时，一组阀门对(即23h/j或24h/j)将动作，取决于哪一个冷却环丧失了冷却源而实际致动该对阀门。为了说明，如果是负责保持热虹吸器24中的液氮的制冷单元的故障，那么，在热虹吸器24中通过沸腾和再冷凝平衡而保持恒定的额定压力的闭合液氮浴中的压力将升高。随着与热虹吸器24关联的制冷单元发生故障，上升的压力将使阀门24j打开并使泵24k产生真空从而开始运作。阀门24j的打开以及泵24k的运作将被控制在将上升的压力恢复到要求的压力的速率和总量上。这一控制动作是通过众所周知的开/关或PID型控制逻辑来完成的。使用泵24k就要求将热虹吸器24的压力保持在大气压力之下的要求。如果要保持的压力为一般的大气压力或之上，那么真空泵24k可以省略。如图所示，真空泵23k和24k必须在冷态条件下运作。如果通过管子23i和24i的出口液流被加热，它们可以在较温暖的条件下运行。阀门24j和真空泵24k的联合作用将保持液氮浴的压力，但液体水平面将下降并最终丧失冷却用于电缆部分22的过冷液体环的能力。
液氮24c在热虹吸器24中的水平高度通过打开阀门24h来保持，阀门24允许更高压力的液氮从冷却环22流入液氮浴中。阀门24h的开度将被控制在将下降的液氮24c的水平高度恢复到要求的水平高度的速率和总量上。这一控制动作是通过众所周知的开/关或PID型控制逻辑来完成的。过程中的热能和流量确保补充液体(即液氮)的质量流量将大大低于循环过冷液氮的流量。总量的保持将导致相同量的液体从电缆部分22的过冷环中被抽出，这些量又将在随后通过连接管25从电缆部分21的过冷环中得到补充。随后，这些液氮从备用制冷箱10通过管子15、16和接头26中被抽出。整个过程的发生并不额外需要控制逻辑，并且对特征为过冷液体环的电缆冷却很少或没有影响。如果需要，经过冷却循环21和22循环的液体量可以在对由本过程引起的流量微小变化进行补偿的后备运作过程中用泵23f和24f来调整。仅有的明显影响是将导致普通增压盘管20在更宽的范围内运作的备用液体损失。还存在在某一时刻补充备用容器10中液体总量的要求，该时刻取决于被抽出的液体量和容器的尺寸。
图2B示出了另一个实施例，其中每一个热虹吸器和冷却回路用两个(或更多)机械制冷单元冷却。在图2B中，热虹吸器23具有从机械制冷单元14a和14b伸入顶部空间23a的再冷凝盘管23b和23b’。在这一布置中，一个制冷单元的故障或维修通常只会要求备用制冷系统来替代停止运行的机械制冷单元的制冷容量。在这种情况下，备用制冷单元和还在运行的制冷单元将一同运行。在还有一个实施例中，当需求增加(例如在接近峰值的情况下)机械制冷单元和为冷却环服务的单元都可以与备用制冷系统协同工作，以提供增加的制冷能力。
上述过冷液氮环由混合换热器(即热虹吸器)冷却。其它换热器也可在本发明的实施过程中使用。虽然这些换热器不能提供热虹吸器的双冷却模式的适应性，但它们却是对于每一种冷却模式都可行的换热器。既然人们都关注它们每一个自身所特有的冷源，所以，它们可作为所建议的双模式运作的热虹吸器的例证。
图3是用于机械冷却源的简单的和常用的逆流换热器的结构示意图.该机械冷却源的特征对本发明的内容来说并不重要，并且鉴于本发明的目的，冷却剂(例如氦气)可以预定的温度和流量进入换热器.在完成它在换热器中的冷却任务以后，冷却剂以比进入换热器时要高的温度离开换热器，确切的出口温度取决于诸如冷却剂特性、流量和冷却负荷(典型地以瓦特来计量)等变量.在实施本发明的过程中，取决于机械制冷单元的特性，也可使用其它类型的换热器.例如，当机械冷却源使用“冷头”时，那么，换热器可以简化为环绕冷头的一管圈.
图4示出冷却源是大量液氮的最简单的换热器。这种形式的传统过冷器在本行业中是公知的。在本发明的实施中，液氮浴在不寻常地低的压力下工作(在液氮浴温度低于77K时低于大气压力)。液体供应(可以在大于液氮浴压力的任意供应压力)下只是用来保持规定的液氮浴水平高度。液氮浴通常在饱和状态下运作。即液体将处于只由液氮浴压力决定的其沸点之下。
在尽可能最简单的过冷器中，液氮浴暴露于外部环境中且任何的排放或蒸汽都通过一开口逸出。在这种情况下，压力为大气压力，而沸点为约77K。为要在更低的压力下(这意味着更低的液氮浴温度)工作，真空泵/风机减速以保持规定的液氮浴压力。与图3中的单个换热器相反，热力学过程更复杂。由于液氮浴处于沸点(这通常比要冷却的进口液体更冷)，就存在与所要的冷却量成比例的蒸发。当通过泵/风机的逸出流量为两股流量之和时，复杂程度适中。第一股是来自发生在换热器盘管中的液氮浴的蒸发，第二股是来自为保持液氮浴充满而补充的液氮。根据补充液氮的温度和压力，由于进入液氮浴的较低压力环境而发生压力下降，液氮会“闪蒸”。热力学上，其术语是等焓(焓恒定)膨胀。一些“闪蒸”气体还会在液氮管中形成上升流。从补充管进入液氮浴的最终液体和蒸汽是饱和的并有同液氮浴温度相等的温度。
虽然本发明通过前面的实施例进行了相当详细的描述，但这些细节只是用来作说明。可以做出许多的变型和修改而不超出所附权利要求书的精神实质和范围。所有以上引用的美国专利和受理的美国专利申请都引用于此作为参考。

Claims (10)

1.一种用于高温超导电缆的备用低温制冷系统，包括：
A.备用制冷箱；
B.包括与第一制冷单元存在冷却关系的第一换热器盘管的第一换热器；
C.与电缆的第一部分和第一换热器都有冷却关系的第一循环圈；
D.包括与第二制冷单元存在冷却关系的第二换热器盘管的第二换热器；
E.与电缆的第二部分和第二换热器都有冷却关系的第二循环圈；和
F.连接第一和第二循环系统的管子；
备用制冷箱与第一和第二循环圈中至少一个流体连通，当第一循环圈或第二循环圈中的任意一个发生冷却剂损失时，所造成的压力损失会触发释放备用制冷剂，使之从备用制冷箱释放到系统中。
2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，第一和第二制冷单元为机械制冷单元。
3.如权利要求1所述的系统，其特征在于，备用制冷箱还包括备用再冷凝盘管。
4.如权利要求3所述的系统，其特征在于，备用再冷凝盘管与备用制冷单元有冷却关系。
5.如权利要求4所述的系统，其特征在于，备用制冷单元为第一或第二制冷单元。
6.如权利要求1所述的系统，其特征在于，备用制冷箱还包括增压盘管。
7.如权利要求1所述的系统，其特征在于，至少一个换热器是热虹吸器。
8.如权利要求2所述的系统，其特征在于，至少一个换热器是(i)循环圈和机械制冷单元之间的直接换热手段和(ii)与循环圈有换热关系的挥发性冷却剂液体的液体浴的组合。
9.如权利要求1所述的系统，其特征在于，包含低温冷却剂。
10.一种使用如权利要求1到9中任意一个所述的系统为高温超导电缆提供备用低温制冷的方法。
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