百米级冷绝缘高温超导电缆制冷系统的设计研究

摘要

自从发现高温超导体(HTS)，HTS电力应用的可能性一直强烈地吸引着各工业化国家。从目前看来，HTS电力电缆的应用研究发展较快，极有可能首先广泛运用于电力系统中。和常规电缆相比，高温超导电缆具有体积小，重量轻，损耗低和传输容量大等优点，采用高温超导电缆输送电力是解决城市用电密度高、建设用地紧张的最佳输电方案，有着广阔的市场前景。高温超导电缆是高温超导技术的重要应用之一，它集成了超导材料、电缆、低温制冷、电力工程等多学科技术。
　　 本文详细描述了30米高温超导电缆系统的实验内容、设计方案以及对制冷系统主要设备，对低温系统的能量以及各实验结果进行了分析。比较了各种低温制冷系统的优劣，通过对比分析及各个国内外运行情况的调研，并且研究了国内外各种大型氦制冷系统的进展，选用了氦制冷系统来达到本工程的制冷量，为整个百米级高温超导电缆制冷系统的方案选择作出了初步的确立。通过对对百米级高温超导电缆的各状态点参数进行热力学分析及优化计算，对制冷循环的各冷却级和换热器进行热平衡分析，同时给出了各状态点的设计参数，并且给出了氦制冷循环的性能指标及其不可逆损失。所有这些制冷循环的分析结果是制冷机设计的基础，制冷机中的主要设备，如换热器、压缩机、膨胀机、阀门、低温液氮泵、缓冲罐等的设计、选型参数都来自于热力学分析优化的结果。
　　 本文主要对氦制冷系统的关键设备，如螺杆压缩机组、板翅式换热器、透平膨胀机、低温液氮泵、控制阀门、缓冲罐等的选型和设计作了论述。给出了螺杆压缩机的特性、性能评价指标、螺杆压缩机组的流程组织以及螺杆压缩机的设计选型参数。论述了低温板翅式换热器的设计，包括翅片的选取、通道的分配、换热系数及阻力的计算、换热器面积的计算等。同时论述了影响换热器效率的几个因素。本章还给出了透平膨机和低温液体泵以及真空泵的设计参数和设计结果。最后并说明了缓冲罐的作用及工作原理。
　　 本论文研究是以百米级高温超导电缆的制冷系统的设计研究为主要内容，给出了氦制冷系统设计及有关计算结果，希望为我国百米级高温超导电缆的低温系统的研究做出一定的贡献。

目录

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摘要

主要符号表

第一章 绪论

1．1 课题的研究背景及意义

1．2 冷绝缘高温超导电缆系统

1．2．1 室温绝缘高温超导电缆绝缘

1．2．2 低温介质绝缘高温超导电缆

1．2．3 超导电缆技术与安全电网系统

1．3 国内外百米级高温超导电缆的简介

1．4 百米级冷绝缘高温超导电缆系统的低温系统

1．5 本章小结

第二章 30米高温超导电缆制冷系统实验

2．1 30米高温超导电缆制冷系统实验概况

2．1．1 电气型式试验

2．1．2 长期运行可靠性试验

2．1．3 单相30m高温超导电缆低温系统

2．1．4 性能指标

2．1．5 液氮循环流程

2．2 30米高温超导电缆制冷系统设计方案

2．3 30米高温超导电缆制冷系统主要设备

2．3．1 30米高温超导电缆制冷系统主要设备介绍

2．3．2 低温系统的能量分析

2．4 实验结果分析

2．5 本章小结

第三章 百米级高温超导电缆氦制冷系统循环及其热力学分析

3．1 常用低温制冷机的类型

3．1．1 气体回热式制冷机

3．1．2 定压循环低温制冷机

3．1．3 氦制冷机

3．2 百米级高温超导电缆制冷系统方案的选择

3．3 百米级高温超导电缆制冷系统设计热负荷

3．4 氦制冷循环的热力学分析

3．4．1 对氦制冷循环进行热力学分析的目的

3．4．2 氦制冷循环的系统原理及热力学分析模型图

3．5 氦制冷循环的性能指标及其不可逆损失

3．5．1 制冷系数(COP)

3．5．2 设计参数

3．5．3 由于膨胀机泄漏造成的能量损失

3．5．4 氦制冷机换热器设计温差的选择

3．5．5 各状态点的物性参数

3．6 本章小结

第四章 氦制冷系统的主要设备选型

4．1 气氦制冷系统中的螺杆压缩机

4．1．1 螺杆压缩机的工作特点

4．2 换热器的设计计算

4．2．1 翅片的结构参数

4．2．2 板翅式换热器的设计计算

4．2．3．关于翅片形式、翅片结构尺选择原则

4．2．4 换热器长度的确定

4．2．5 设计参数

4．2．6 传热表面特性

4．2．7 物性参数

4．2．8 各准则数

4．2．9 翅片效率和表面效率

4．2．10 传热系数

4．2．11 液氮过冷器平均温差

4．2．12 通道排数

4．2．13 传热面积和长度

4．2．14 流体流动阻力

4．3 透平膨胀机

4．4 低温液氮泵

4．5 缓冲罐

4．5．1 缓冲罐的结构

4．5．2 缓冲罐的作用

4．6 本章小结

第五章 结论与展望

5．1 结论

5．2 展望未来

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文

致谢