本发明专利技术公开了一种射流闪蒸冲击冷却的液氮过冷系统，涉及低温制冷和冷却技术领域，包括液氮储罐、过冷箱、加热器、真空泵、低温泵和待冷却超导设备，过冷箱包括端盖、筒体、过冷换热器和扰流装置，过冷换热器设有中空冷板，真空泵将其中压力维持在粗真空状态，过冷箱中的部分液氮经冷板壁面开设的射流孔进入冷板中空层中发生闪蒸形成低温的两相射流冲击冷却冷板，进而冷却过冷箱中液氮，扰流装置增强换热，过冷箱中的液氮被过冷换热器冷却至过冷状态后经低温泵增压进入待冷却超导设备吸收热量之后回到过冷箱中，液氮储罐补充过冷换热器消耗的液氮，本发明专利技术在过冷箱中实现了射流冲击冷却和扰流强化换热，过冷系统具有换热效率高、换热效果好的优点。换热效果好的优点。换热效果好的优点。
【技术实现步骤摘要】
一种射流闪蒸冲击冷却的液氮过冷系统
[0001]本专利技术涉及低温制冷和冷却相关
，具体为一种射流闪蒸冲击冷却的液氮过冷系统。
技术介绍
[0002]随着超导技术迅速发展，超导电缆、超导磁体、超导电机等设备中广泛应用了高温超导材料。超导体必须在临界温度以下才具有超导特性，而在超导设备中常面临交流损耗、涡流损耗和环境漏热等因素带来的热负荷，因此超导设备必须配备相应的低温制冷和冷却系统。此外，根据超导体的温度特性，在临界温度下进一步降低运行温度可以提升超导体的通流性能。
[0003]开环式液氮减压制冷系统因其简单可靠、设备和运行成本低、液氮安全无污染等优点在超导设备的制冷系统中有很多的应用。开环式制冷利用工质的潜热吸收热量，根据减压降温原理降低气化压力后可以进一步降低制冷温度，液氮常压下沸点约为77K，压力降低至17kPa时制冷温度可达65K，可以满足常见的高温超导材料的冷却温度需求。
[0004]开环式液氮减压制冷常用的过冷箱形式有满液式和非满液式两种。满液式过冷箱中，过冷换热器内部流动着较高压力的过冷液氮，外部为低压的饱和液氮，由于重力导致的压力梯度上下层饱和液氮存在温差，下层液氮温度偏高导致冷却效率偏低。非满液式的过冷箱中，过冷换热器内部流动着低压的饱和液氮，外部为较高压力的过冷液氮，为在有限空间中实现较大的换热面积，盘管式、管束式的过冷换热器通常采用较小的管径，过冷换热器管内两相流动压损很大，沿流程前段温度偏高导致换热效率低下，此外换热器管外过冷液氮的换热主要为换热强度较低的自然对流形式。<br/>[0005]基于以上技术背景，为解决上述提出的开环式液氮减压制冷中液氮过冷箱换热效率低、换热效果差的问题，本专利技术提出了一种射流闪蒸冲击冷却的液氮过冷系统。
技术实现思路
[0006]本专利技术的目的在于提供一种射流闪蒸冲击冷却的液氮过冷系统，以解决上述
技术介绍
中提出的开环式液氮减压制冷中液氮过冷箱换热效率低、换热效果差的问题。
[0007]为实现上述目的，本专利技术提供如下技术方案：一种射流闪蒸冲击冷却的液氮过冷系统，包括液氮储罐、过冷箱、加热器、真空泵、低温泵和待冷却超导设备，过冷箱包括端盖、筒体、过冷换热器和扰流装置，端盖固定连接在筒体的上端，过冷换热器固定安装在过冷箱的内部，端盖固定连接有用于往筒体内导入液氮的液氮进口通道，筒体的下端固定连接有用于导出液氮的液氮出口通道，液氮出口通道的一端固定连接低温泵，过冷换热器具有环形腔体，环形腔体上部有氮气出口通道，端盖开设有过冷换热器安装孔，氮气出口通道固定插接在过冷换热器安装孔内，过冷换热器的下端固定连接有多个中空的冷板，冷板与过冷换热器的环形腔体相互连通，冷板的内部开设有中空层，冷板表面开设有射流孔，射流孔与冷板的内部中空层、过冷箱的主腔体相互连通。
[0008]冷却工质液氮在过冷箱中被过冷换热器冷却至过冷状态，经筒体底部开设的液氮出口通道流出再经低温泵增压后进入待冷却超导设备对其进行冷却，之后液氮经端盖上开设的液氮进口通道重新回到过冷箱中构成循环，液氮储罐经液氮进口通道补充循环过程中过冷换热器消耗的液氮。
[0009]过冷换热器内部处于低压力的粗真空状态，如过冷换热器内部压力维持在17kPa左右，在此压力下液氮有相较于常压状态下更低的饱和温度，过冷箱的主腔体处于常压状态，过冷箱主腔体中的液氮液面维持在过冷换热器环形腔体的上下表面之间，在压力差的驱动下过冷箱主腔体中的液氮经过冷板上的射流孔喷射进入过冷换热器下部冷板的中空层中，液氮在低压下发生闪蒸形成了低温的两相射流，对冷板的板壁进行冷却后进而对过冷箱主腔体中的液氮进行冷却，过冷箱的扰流装置可强化主腔体中液氮与冷板外侧壁面之间的换热。过冷换热器中液氮气化产生的氮气经氮气出口通道流出，在加热器中被加热到真空泵的许用温度后进入真空泵，真空泵将过冷换热器的压力维持在粗真空状态。
[0010]在进一步的实施例中，扰流装置包括扰流叶轮、轴承、驱动电机，扰流叶轮具有多个均匀分布的叶片，以增强过冷箱主腔体中液氮的周向流动，扰流叶轮转动安装在过冷箱的主腔体内，绕流叶轮位于过冷换热器的内侧，扰流叶轮的轴心与过冷换热器的环形腔体的轴心重合，绕流叶轮的外径小于过冷换热器的环形腔体的内径。
[0011]端盖的上端固定安装有用于安装驱动电机的驱动电机安装板，端盖开设有用于安装轴承的轴承安装孔，扰流叶轮的上端固定连接有旋转轴，旋转轴贯穿轴承和轴承安装孔固定连接在驱动电机的输出轴一端，通过驱动电机驱动扰流叶轮转动。轴承和驱动电机在过冷箱的外部，避开了低温环境以保证轴承和驱动电机的正常工作。
[0012]在进一步的实施例中，过冷箱的端盖、筒体内部设有具备良好的绝热性能的高真空绝热夹层，通过高真空绝热夹层，加强过冷箱的端盖、筒体内部的绝热性能。过冷箱主腔体中的液氮液面与端盖保持一定距离，有利于减少从端盖进入的漏热。
[0013]在进一步的实施例中，端盖的上端开设有用于安装铠装热电偶的铠装热电偶安装孔，通过调节铠装热电偶的长度可以获取过冷箱不同深度处的温度信息。
[0014]在进一步的实施例中，端盖的上端开有用于安装液位计测量杆的液位计安装孔，通过液位计测量杆安装在液位计安装孔内，测量过冷箱中的液氮液位。
[0015]在进一步的实施例中，多个冷板均匀分布在过冷换热器的环形腔体下部，相邻两个冷板之间构成截面积逐渐减小的流道，通过逐渐减小的流道，使得液氮在流道中加速有利于与冷板外壁的换热。
[0016]在进一步的实施例中，冷板上的射流孔分别均匀分布在冷板的前板壁和后板壁上，前板壁和后板壁上的射流孔轴线在板壁平面的投影呈现交错分布，由此冷板前板壁的射流孔形成的两相射流对后板壁进行冲击冷却，后板壁的射流孔形成的两相射流对前板壁进行冲击冷却。
[0017]在进一步的实施例中，冷板上的射流孔沿射流方向截面积逐渐缩小，射流孔的孔径需满足如下关系公式：
[0018][0019]其中，d1为冷板外侧壁处射流孔孔径，d2为冷板内侧壁处射流孔孔径，p1为过冷箱主腔体内压力，p2为过冷换热器内压力，N为射流孔的总数，ρ为液氮密度，r为在p2压力下液氮的汽化潜热，Q为系统热负荷，包括待冷却超导设备的产热量以及其它漏热。
[0020]在进一步的实施例中，冷板内侧壁射流孔出口孔径使出口位置雷诺数不小于管内流动层流向湍流转捩的临界雷诺数2300，即出口孔径d2需满足如下关系公式：
[0021][0022]其中，d2为冷板内侧壁处射流孔出口孔径，Q为系统热负荷，N为射流孔的总数，r为工作状态下液氮的汽化潜热，μ为工作状态下液氮的动力粘度。
[0023]与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：
[0024]本专利技术为一种射流闪蒸冲击冷却的液氮过冷系统，通过过冷换热器内部处于低压力的粗真空状态，如过冷换热器内部压力维持在17kPa左右，过冷箱的主腔体处于常压状态，过冷箱主腔体中的液氮液面维持在过冷换热器环形腔体的上下表面之间，在压力差的驱动下过冷箱主腔体中的液氮经过冷板上的射流本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种射流闪蒸冲击冷却的液氮过冷系统，其特征在于：包括液氮储罐(1)、过冷箱(2)、加热器(3)、真空泵(4)、低温泵(5)和待冷却超导设备(6)，所述过冷箱(2)包括端盖(7)、筒体(8)、过冷换热器(9)和扰流装置(21)，所述液氮储罐(1)和低温泵(5)分别管路连接在过冷箱(2)的两端，所述待冷却超导设备(6)的两端分别管路连接过冷箱(2)和低温泵(5)，所述加热器(3)的两端分别管路连接过冷箱(2)和真空泵(4)；所述端盖(7)固定连接在筒体(8)的上端，所述过冷换热器(9)固定安装在过冷箱(2)的内部，所述端盖(7)固定连接有用于往筒体(8)内导入液氮的液氮进口通道(71)，所述筒体(8)的下端固定连接有用于导出液氮的液氮出口通道(81)，所述液氮出口通道(81)的一端固定连接低温泵(5)，所述过冷换热器(9)具有环形腔体，所述环形腔体上部有氮气出口通道(91)，所述端盖(7)开设有过冷换热器安装孔(72)，所述氮气出口通道(91)固定插接在过冷换热器安装孔(72)内；所述过冷换热器(9)的环形腔体下部有多个中空的冷板(92)，所述冷板(92)与过冷换热器(9)的环形腔体相互连通，所述冷板(92)的内部开设有中空层，所述冷板(92)表面开设有射流孔，所述射流孔与冷板(92)的内部中空层、过冷箱(2)的主腔体相互连通。2.根据权利要求1所述的一种射流闪蒸冲击冷却的液氮过冷系统，其特征在于：所述扰流装置(21)包括扰流叶轮(10)、轴承(11)、驱动电机(12)，所述扰流叶轮(10)具有多个均匀分布的叶片，所述扰流叶轮(10)转动安装在过冷箱(2)的主腔体内，所述绕流叶轮(10)位于过冷换热器(9)的内侧，所述扰流叶轮(10)的轴心与过冷换热器(9)的环形腔体的轴心重合，所述绕流叶轮(10)的外径小于过冷换热器(9)的环形腔体的内径；所述端盖(7)的上端固定安装有用于安装驱动电机(12)的驱动电机安装板(74)，所述端盖(7)开设有用于安装轴承(11)的轴承安装孔(75)，所述扰流叶轮(10)的上端固定连...
【专利技术属性】
技术研发人员：李育隆，高远，容诚钧，马恩泽，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：
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