（制冷及低温工程专业论文）高温超导电机低温冷却系统中过冷器传热性能的研究.pdf

classified index: tb66 u.d.c.: 621.51.514 a dissertation for the degree of m. eng. study on heat transfer conductivity of subcooled heat exchanger in high temperature superconducting motor of cooling system candidate: supervisor: academic degree applied for: speciality: affiliation: date of oral examination: university: he zhenzong associate prof. chen anbin master of engineering refrigeration and cryogenic engineering school of energy science and engineering june, 2011 harbin institute of technology 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 i 摘要 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。高温超导电机作为超导技术领域中一项重要的应用得到了国内外科研院所的 关注，它与传统的电机相比具有效率高，能耗少，体积小以及质量轻等特点。因此， 高温超导电机具有很大的应用市场，也将是 21 世纪各国一项重要的科技攻关。 本文是依据哈尔滨工业大学电磁与电子技术研究所与低温超导技术研究所的 合作项目轴-径向磁通高温全超导低速同步电机为研究对象。 通过研究不同低温工质 的物性以及低温工程材料的物性选择适合于该项目的低温工质和材料。然后给出了 整个高温超导电机低温冷却系统的热负荷，确定了液氮循环各点的状态参数，并绘 制了循环温-熵图。 本文针对盘管式过冷器首先给出了冷头换热器和过冷器的换热系数的计算方 法，根据热负荷计算了相应的换热面积。然后分析比较了各种不同过冷器的结构形 式对换热效果的影响。 另外对于热管过冷器，给出了冷头换热器和过冷换热器的换热系数的设计方 案，并由总的热负荷计算得出换热面积及热管换热器的相关尺寸。通过 fluent 仿真 得到热管式过冷器的出口温度并与盘管过冷器进行了初步比较。 关键词： 高温超导电机；过冷液氮；盘管过冷器；热管过冷器 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 ii abstract with the adventure of the high temperature superconducting (hts) materials, the temperature area of the superconducting technology application rises from the liquid helium area to the liquid nitrogen. hts motors as a superconducting technology application get much attention from scientific research institutes all over the world. compared with traditional motors, hts motors have higher efficiency , smaller volume and lighter quality. so, hts motors has great application market, and they will also be one of the most important scientific research in the 21st century. this paper is based on the cooperation project between institute of electromagnetic and electronic and institute of cryogenic and superconducting technology of harbin industrial university. its topic is an axis-radial flux high-temperature fully superconducting low speed synchronous motor. by researching the properties of different cryogenic working mediums and cryogenic engineering materials, we can choose the right ones for the hts motor. then we give out the heat load of the hts motor and the state parameters of the whole liquid nitrogen circle. at last ,we draw the temperature-entropy graph. first, this paper give out the method of heat exchanging coefficients of cold head exchanger and subcooled exchanger of the coil heat exchanger, and then calculates the heat exchanging area according to the heat load. in addition to tube heat changer, we also give out the method of heat exchanging coefficients of cold head exchanger and subcooled exchanger ,and the calculate the area of them. by the fluent simulation analysis of the tube heat exchanger , we compare the outlet temperature of the tube heat exchanger and that of coil heat exchanger. keywords: high temperature superconducting motor; subcooled liquid nitrogen; tube heat exchanger; coil heat exchanger 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 iii 目 录 摘要 . i abstract . ii 第 1 章 绪 论 . 1 1.1 课题背景 . 1 1.2 高温超导电机的概述 . 3 1.3 高温超导电机液氮冷却系统国内外研究现状 . 4 1.4 本文主要研究内容 . 12 第 2 章 低温工质和材料的选择 . 14 2.1 引言 . 14 2.2 液氮的物理性质 . 14 2.3 冷头换热器和过冷换热器材料的选择 . 19 2.4 低温系统中支撑结构材料的选择 . 22 2.5 本章小结 . 23 第 3 章 高温超导电机过冷液氮循环方案的确定 . 24 3.1 引言 . 24 3.2 绝热方式的确定以及漏热损失的计算 . 25 3.2.1 绝热方式的确定 . 25 3.2.2 低温冷箱的漏热 . 26 3-2 为低温冷箱内的辐射漏热表面的表面积。 . 28 3.2.3 传输管线的漏热 . 29 3.3 高温超导电机过冷液氮循环状态参数的确定 . 31 3.3.1 循环液氮流量的计算 . 31 3.3.2 循环液氮的管内流速以及管内直径的确定 . 31 3.3.3 低温冷却系统阻力损失以及低温液氮泵的选取 . 32 3.3.4 循环液氮的各点的状态参数的确定 . 33 3.4 本章小结 . 34 第 4 章 盘管过冷器的设计及方案比较 . 35 4.1 引言 . 35 4.2 盘管过冷器 . 35 4.2.1 池内液氮过冷度的选择 . 36 4.2.2 小型低温制冷机的选取 . 36 4.2.3 冷头换热器的设计方法 . 37 4.2.4 过冷换热器的设计方法 . 38 4.2.5 盘管过冷器不同结构换热效果的比较 . 39 4.3 本章小结 . 54 第 5 章 热管过冷器的初步设计及与盘管过冷器的比较 . 55 5.1 引言 . 55 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - iv - 5.2 热管过冷器 . 55 5.2.1 液氮过冷度的选择 . 57 5.2.2 冷头换热器的设计方法 . 57 5.2.3 过冷换热器的设计方法 . 59 5.2.4 模拟仿真 . 60 5.3 热管过冷器与盘管过冷器的比较 . 62 5.4 本章小结 . 63 结论 . 64 参考文献 . 65 攻读学位期间发表的学术论文 . 69 哈尔滨工业大学硕士学位论文原创性声明 . 70 致谢 . 71 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 1 - 第1章 绪 论 1.1 课题背景 本课题主要来源于我国科技部的轴-径向磁通高温超导低速同步电机的国际 合作项目，其中哈尔滨工业大学电磁所主要负责整个电机的本体的设计，哈尔滨 工业大学低温与超导技术研究所主要负责超导电机的低温冷却系统的设计。 自从荷兰物理学家昂斯特在 1908 年，首次的成功的液化了世界上最难液化 的也是最后一种气体氦后，他在 1911 年研究有关汞的性质时发现了当汞处于的 外界环境温度降低到 4.2k 时，其内部的电阻会突然间消失，于是他认为在低温 下金属材料电阻进入一种零电阻状态为新的物态，且定义为“超导态” 。而且把 温度升高时，超导材料又会恢复电阻，从原来的超导零电阻态回到常导体状态， 他将这个超导材料从常导体状态突然变成超导态的转变温度成为超导材料的转 变温度，也称作临界温度。自从超导体的超导零电阻现象被发现后，德国物理学 家迈斯纳于 1933 年在研究超导体时又发现当出现超导现象时，超导体内的磁通 线将全部被排除体外，出现完全抗磁性的现象，这种现象被称为迈斯纳现象1。 超导现象被发现之后， 全世界各国的科学家都致力于研究超导材料。 在 1986 年以前，一般的超导材料的临界转变温度都比较低，基本上都不会超过十几 k 的温度，大概都是在非常稀少的液氦温度范围内，而且超导材料的性能不是特别 的好，由于对超导材料的研究一直停留在液氦的温区内，所以造成对超导材料的 研究也就是一直受到限制。但是在 1986 年，科学家们发现了高温超导材料，它 的临界转变温度大大的提高了，尤其是后来发现的 y 系和 bi 系氧化物超导体， 其临界转变温度提升到了液氮的温度温区。 而相对于液氦来说液氮的价格非常便 宜，而且获得方便，这就为超导材料的进一步发展和应用提供了可能1。 高温超导材料问世后， 全世界范围内迅速形成了一波研究高温超导材料的热 潮。其中，中国的赵忠贤、美国的朱经武、日本的田中昭二等为代表的科学家各 自独立研究了 ybacuo 超导体的临界转变温度到达了 93k。随后又相继发现了 t1bacacuo 系超导材料转变温度为 125k，以及 mgb2 等高温超导材料。而通过 研究发现其中最有实用价值的低温超导体是 nbti 合金和 nb3sn 材料，高温超导 体则是 ybco 和 bi-2223 带材，以及 mgb2。下表 1-1 为 d.larbalestier 等发表在 nature 上的实用超导体的基本材料和电流密度相关参数1,2。 目前国内外生产高温超导带材的公司主要有美国超导公司、日本住友公司、 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 2 - 中国英纳超导和 superpower 公司等。本课题根据低温超导带材和高温超导 带材的性能以及经济效益选择了高温超导带材。同时，根据以上公司提供的超导 带材的性能，比较了各公司之间高温超导一代带材和二代带材性能的优缺点，最 终选择 superpower 公司的 scs12050 线材作为该电机电枢线圈的二代带材 3。 表 1-1 实用超导体的基本材料和电流密度相关参数 table 1-1 the parameters of the basic materials and current density of practical superconductor 材料 nb47wt%ti nb3sn mgb2 ybco bi-2223 晶体结构 体心立方 a15 立方 p6/mmm六 方 正交层状钙钛 矿 四方层状钙钛 矿 各向异性 可忽略 可忽略 22.7 7 50100 tc/k 9 18 39 92 108 hc2(4k)/t 12 27 15 100 100 h/t 10.5(4k) 24(4k) 8(4k) 57(77k) 0.2(77k) 面 上 相 干 长 度/（0） /nm 4 3 6.5 1.5 1.5 面 上 穿 透 深 度 （0）/nm 240 65 140 150 150 去 对 电 流 密 度/（4.2k） a-2 3.6*107 7.7*108 7.7*107 3*108 3*108 jc/a 2 4*105(5t) 105 106 107 106 (tc)/ 60 5 0.4 4060 150800 研究还发现超导带材工作时所处的环境温度、外加磁场强度和临界电流之 间有着相互联系，如下图 1-1 所示电流强度、环境温度和外加磁场的强度形成一 个三维的坐标面。 在图中空间曲面与坐标面之间的区域是超导带材处于超导状态 的区域，从图上可以看出，当环境温度越低，而且外加磁场强度越小，超导带材 的临界电流密度越大，这也正是我们设计中所需要考虑的问题。因为获得的电流 密度越大，电机获得的输出功率就越大，这也是我们研究高温超导电机的主要目 的4。 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 3 - 图 1-1 超导带材临界温度、外加磁场和临界电流之间的关系 fig.1-1 the relation of critical temperature, magnetic field and critical current density of superconductor materials 1.2 高温超导电机的概述 高温超导技术在强电领域众多研究项目中都得到应用，诸如 hts 储能 (smes) 、hts 变压器、hts 限流器和 hts 电机等，hts 电机被许多科学家看 做一项重要的技术攻关。超导电机与一般的传统电机相比有许多的优越性。由于 超导电机采用的是超导材料，在超导状态下的临界电流比较大，而且处于超导状 态下带材没有电阻，因此没有电流损耗，在相同的驱动电压情况下就能获得大的 输出功率和小的体积，一般来说超导电机只有传统电机 2/31/2，而且超导电机 的电抗性能相对于传统的电机可以减少 1/4， 这样一来就提高电机的运行稳定性， 这也提高了电机电枢绕组对地的绝缘水平， 其中单机容量可以增加到百万千瓦级 以上。可以看出超导电机在在紧凑性、高功率型、稳定安全以及超负荷运转的情 况下有许多的潜在的优势5,6。 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 4 - 1.3 高温超导电机液氮冷却系统国内外研究现状 高温超导电机有如此多的优势，但是为了保证高温超导电机能够稳定运行， 其工作环境对温度的要求特别严格， 如果由于漏热和交流损耗所产生的热负荷不 能及时取走，就很容易造成整个超导线圈失超。因此，高温超导电机就需要一个 重要的低温冷却装置，常见的低温工质主要有以下几种，如表 1-2 所示7。 表 1-2 常见的低温工质 table 1-2 common low-temperature refrigerant 名称 氦 氢 氖 氮 氧 沸点/k 4.2 20.3 27.1 77.34 90.19 三相点/k 14.0 24.56 63.15 54.75 从以上表格可以看出氦、氢和氖的沸点和三相点都比较低，而且各物质的沸 点和三相点之间的温差不大，因此能够使用的温度范围不广。已知氦是用于低温 超导主要冷却工质，氢是易爆炸气体，在浓度为 4%75%时容易发生爆炸，非常 的不稳定，氖也常用于低温实验中，但是氖也是一种稀有气体，液氖价格相对来 说比较昂贵。氧的工作温区比较大，而且氧是比较安全的气体不会发生爆炸和漏 气中毒现象， 而且氧的制备也比较简单， 价格比较便宜， 但是氧是一种活泼气体， 容易氧化一些润滑油使其变质，所以氧也很少用于超导实验。氮是比较理想的高 温超导实验的冷却工质， 氮易获得而且化学性质比较稳定， 无毒， 不会发生爆炸， 是低温技术中最常用的安全而经济的冷源工质。 图 1-2 即为过冷液氮在高温超导 磁体工作温区内的相图。从图中可以看出高温超导电机的工作温度范围一般在 63k87k 之间，此时过冷液氮的处于两相区，对应的压力为 100kpa300kpa 范 围7,8。 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 5 - 图 1-2 过冷液氮在高温超导磁体工作区域的相图8 fig.1-2 subcooled liquid region for hts magnet on phase diagram of nitrogen 每台超导电机都有其冷却系统，而低温冷却系统有以下两个要求：1、低 温冷却系统电机的高速运转应该没有影响，2、高速运转的电机也不会影响电机 的低温冷却系统的工作。超导电机冷却由于受到超导材料的临界温度的限制，在 早期高温超导材料没研制出来之前，都是采用液氦冷却。而目前由于高温超导带 材的不断突破，高温超导电机的工作温度不断地提高，目前已经突破液氮温度 77k 这个“温度壁垒” ，这使得没有必要采用液氦这种稀有而昂贵的制冷剂。目 前，用于超导线圈的低温冷却的方案很多，选取何种冷却系统，则需要根据 hts 线圈的工作环境要求来确定9。 如图1-3是2008年韩国现代科学技术学院和韩国电工研究所共同研制的6kj 的高温超导储能系统（smes）的实验装置示意图，采用的是有制冷机无液氮直 接冷却的方式。 该系统采用的是把两个低温制冷机的冷头直接连接到用无氧铜换 热器，然后依靠铜换热器的导热，最终将 smes 的线圈冷却到其工作的要求的 温度环境，其中在这个连接冷头和 smes 线圈的导热铜板中间还通有液氮，其 目的是使得换热器的温度均匀。但是这都是在换热器中流动的，整个超导线圈并 没有泡在液氮里面，所以还是一个无液氮环境的冷却。这种设计的优点是充分利 用热交换器的导热，能够使得结构紧凑，漏热少，免去了许多由于液氮循环的所 要增加的部件， 同时这种无液氮环境在保证减少漏热和电流绝缘上面有一定的优 势。但是，这种设计对热交换器的设计要求非常的高，要保证换热器和超导线圈 有足够的大接触面积，而且要求换热器的温度比较均匀，因为一旦出现某一点的 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 6 - 温度过高超出了超导体正常工作所要求的温度则就会出现失超现象， 同时面积增 大可能就会导致整个装置的体积增大， 这对于整个装置的设计和空间分布都是不 利的， 因此这种依靠直接接触导热的方式来进行热量传递的换热方式主要还是针 对一些功率小电机的使用10。 图 1-3 高温超导储能器示意图10 fig.1-3 the schematic diagram of the assembled hts smes 如图1-4是韩国延世大学电气与电子工程学院和韩国弘益大学共同研制的用 于高温超导限流器（sfcl）的过冷液氮低温制冷系统的实验装置示意图。从图 中可以看出，整个高温超导变压器完全泡在液氮中，然后利用低温制冷机的冷头 连接在一个冷头换热器上。 而采用冷头换热器的目的就是为了增加换热面积来强 化传热，但是换热系数的增加和换热器表面积增加并不一致，当表面积增加到一 定程度后，换热系数增加的速度会下降。采用这种冷却的超导线圈的方式比前一 种确实换热性能提高了不少，液氮的自然对流降低了超导线圈各个部分的温差， 使得温度更加均匀11,12。 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 7 - 图 1-4 高温超导限流器低温冷却系统的示意图11 fig.1-4 the schematic view of cryogenic cooling system of sfcl 如图1-5是美国加利福尼亚大学劳伦斯柏克利国家实验室研究的超导电子仪 器设备的液体冷却系统的实验装置的草图。 该图的设计是将热管的蒸发和凝结过 程分开并通过循环管道连接， 在冷头换热器被冷凝的低温工质经过管道循环回流 到过冷蒸发换热器， 在过冷蒸发换热器处吸热后蒸发产生的气体经过回流再次回 到冷头换热器的部分，由此实现低温工质循环13。 图 1-5 电子仪器设备的液氮热管系统示意图13 fig.1-5 the schematic diagram of the nitrogen heat pipe for a electronic device 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 8 - 该实验装置采用的是热管来冷却超导电子系统。 这是与以前几种换热形 式完全不同的一种换热器，其换热机理是依靠热虹吸管的蒸发凝结换热来 实现的。热虹吸管与热管的原理类似，为了能清晰的了解该装置的工作原 理，先介绍一下热管的工作原理如图1-6所示14,15。 图 1-6 热管原理示意图 fig.1-6 the schematic diagram of heat pipe 热管主要是由冷凝器和蒸发器组成（上部为冷凝器，下部为蒸发器） ， 在蒸发器中液体吸热气化后上升到冷凝器，由于冷凝器中的温度低于露点 温度，所以气体遇冷凝结成液体放热，最后顺着热管壁面流到蒸发器中实 现了热量的传递。而图 1-5 中低温制冷机的冷头连接在一块冷凝板上，而超 导电子系统则是泡在制冷剂中。超导电子系统有一定的热负荷再加上各个 部件的漏热被制冷剂吸收气化沸腾成气体，气体制冷剂经过管道流入制冷 机所在的冷箱中，与冷凝板接触换热冷凝成液体，最后经过相关的管道流 回超导电子系统所在的低温恒温器，实现制冷剂的循环制冷。该装置采用 热管的相变换热方式，由于液体的气化潜热比较大，所以换热系数比盘管 式过冷器要大，因此在相同的热负荷的前提下热虹吸管换热器的设计尺寸 将缩小，进而整个装置的体积将缩小，同时体积的缩小对于减少系统装置 的漏热也非常有效16。 整个超导低温冷却系统中过冷器的最关键的部分就是冷头换热器和过冷换 热器的设计。冷头换热器是通过连接到制冷机上，把制冷机的冷量导入。国内外 对冷头换热器的设计主要有以下两种设计形式， 一种是平板式的冷头换热器如下 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 9 - 图1-7所示11。 图 1-7 平板冷头换热器示意图11 fig.1-7 the schematic diagram of plate cold head heat exchanger 该冷头换热器主要是通过将制冷机的冷头连接到一个导热性良好的大平板 上面，增加的平板也就增大了整个冷头换热器的换热面积，从而能够更好的将热 量导出。该冷头换热器是由几块无氧铜板通过螺栓连接而成的，而且为了尽量的 减少接触热阻，在平板之间加入了导热性良好的金属铟。而在制冷机的冷头与冷 头换热器之间是通过无氧铜网连接的， 这是为了防止由于热胀冷缩所引起的对制 冷机冷头的应力作用。 还有一种比较常见的冷头换热器的形式就是利用线切割加 工得到的鳍片式冷头换热器，如图 1-8 所示。该冷头热交换器就是在原来的平板 热交换器上加上鳍片，鳍片的增加可以用来增加冷头热交换器的换热面积，强化 传热。而鳍片的截面形状有矩形、三角形、抛物线形、双曲线形和梯形这几种， 最终需要综合考虑鳍片的厚度和倾斜的角度以及加工的可行性， 同时还考虑尽量 使得整个冷头热交换器温度均匀，确定鳍片的尺寸参数17,18。 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 10 - 图 1-8 鳍片冷头换热器示意图17 fig.1-8 the schematic diagram of fins cold head heat exchanger 对于过冷器的研究，国内外主要是集中在浸泡于液氮中的盘管过冷器的研 究。过冷换热器与冷头换热器间充满了液氮。先假设冷头换热器和过冷换热器的 温度恒定的情况下，分析液氮内部自然对流循环如图1-9所示。图中左侧是过冷 换热器与冷头换热器间的液氮的流场流动的情况， 右侧的图是该空间中液氮温度 分布的示意图，靠近过冷换热器的部分为高温区，由于过冷器装置轴对称所以只 给出装置左边一半的示意图，h是过冷换热器的高度，r是的半径，r是冷头换热 器的半径。如图所示，液氮沿着线圈热交换器向上流动吸热温度不断地升高，然 后回流到低温恒温器的冷壁面时放热温度降低向下流动， 最后在流到线圈热交换 器完成一个循环19。 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 11 - 图 1-9 冷热壁面温度恒定的内部流场温度场的流动情况 fig.1-9 the internal flow field condition of hot and cold wall temperature constant 以上是假设冷头换热器和过冷换热器的温度恒定的情况， 实际上由于我们设 计的制冷机的冷头是位于冷头换热器的上方，主要的直接热流是向上的，或者说 对于整个装置上端温度低，下端温度高。这样存在于液氮中的自然对流情况应该 是如图 1-10 所示。仍然以过冷换热器和过冷换热器之间的液氮为例，由于制冷 机冷头是安装在冷头换热器上部，所以冷头换热器温度分布都不是均匀的，而且 都是上面温度低，下面温度高。温度高的制冷剂是从过冷换热器下面流入上面流 出的，所以过冷换热器下部分温度高上部分温度低。从示意图中可以看出，由于 温度分布的不均， 冷热端温差到达一定的值时出现了与图 1-9 不同的流动和换热 情况， 也就是出现了胞状流动现象。 这是由于过冷换热器下端温度高上端温度低， 沿着过冷换热器向上流的液氮温度不断地降低， 当液氮流到其自身的温度低于同 一高度的沿着冷头换热器向下流动的温度不断升高的液氮时， 这两股液氮就会分 别脱离原来的冷热壁面。脱离壁面后分别形成了小的胞状流动。而且研究发现虽 然包装流动的数目是由冷热表面的竖直方向表面温度决定的， 但是如果冷头换热 器高温端温度高于过冷换热器低温端温度时就会出现多层胞状流动现象。 研究还 发现当出现多层胞状流动现象时，将会强化自然对流换热，这有利于提高线圈热 交换器的换热效率。同时还发现，h/（r-r）的大小对过冷器的总的换热系数有 影响，当 h/（r-r）变小时（相当于 r-r 变大） ，总的换热系数将会变大20,21。 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 12 - 图 1-10 冷热壁面温度不恒定的内部流场温度场的流动情况 fig.1-10 the internal flow field condition of hot and cold wall temperature not-constant 1.4 本文主要研究内容 1）低温工质和材料物性的选择 本文通过分析比较各种常用的低温工质的性质结合超导带材的工作温 度，最终选择了液氮作为该项目的主要工质。同时，在选择过冷器的材料时，考 虑了紫铜和无氧铜这两种常用的低温工程材料， 最后根据实际实验的可行性和性 价比选择换热器的材料。 2）高温超导电机过冷氮循环方案的确定。 通过查阅相关参考文献计8算出来的的整个装置的超导线圈的交流损 耗的热负荷，再加上通过计算整个高温超导电机系统的其他的部分的漏热损失， 可以得到整个系统的热负荷。 根据热负荷大小以及选定的循环液氮泵可以计算得 出整个装置的参考点的状态参数，确定过冷器的设计要求，绘制出温-熵图。 3）盘管过冷器的设计及方案比较 确定了过冷器的进口温度和整个装置的热负荷后就能根据需要选择制冷 机。 根据热负荷以及自然对流换热的相关公式计算得出冷头换热器和过冷换热器 的面积，最后设计不同结构形式的过冷器。建模后导入fluent软件中仿真模拟。 盘管过冷器是本文研究的一个以自然对流换热形式的过冷器， 根据不同的结构形 式的换热器的仿真结构，分析比较，最终选择相对换热效果好的设计形式。 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 13 - 4）热管过冷器的初步设计与盘管过冷器的比较 热管过冷器是根据流体的蒸发凝结换热的形式来实现换热。本文进行了 过冷换热器和冷头换热器的换热面积的计算，设计出相关的尺寸。导入fluent软 件中仿真模拟可以得出整个换热器的温度分布， 最后对盘管过冷器和热管过冷器 进行了初步的分析比较。 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 14 - 第2章 低温工质和材料的选择 2.1 引言 高温超导电机是利用超导带材研制的高性能电机， 超导带材在临界条件下具 有超导性，大大降低了电机的热负载，提高了电机效率。要实现超导现象就必须 满足高温超导带材的低温环境。 超导体自问世以来其应用经历了从低温超导体到 高温超导的变化， 低温超导体和高温超导体是根据采用的超导材料的临界转变温 度来区分的。超导材料因为具有零电阻性质和完全抗磁性等优异特性，在工程和 科研等应用方面有很广泛的应用前景，因而近几十年来一直受到各国的关注22。 目前国内对高温超导电机的研究主要只有中科院电工所，武汉的 712 所，洛 阳的 725 所。以往的超导电机都是采用转子超导，定子常导的方式，而本课题的 超导电机采用定子超导，转子常导的方式。表 2-1 则为该高温超导电机的主要设 计参数及性能3。 表 2-1 电机的主要参数 table 2-1 main parameters of the motor 额定功率 400kw 额定速度 250rpm 级数 10 电枢终端电压 690v 频率 20.83hz 电枢额定电流 240aeff 电枢转数 80 转/周期 转动轴长度 300mm 电机外直径 700mm 2.2 液氮的物理性质 氮的标准沸点为 77.344k，相比较空气和氧气要低一些。在大气中氮气占总 体积的 78.08%。标准状态下的氮气（1bar，0）的密度为 1.2504kg/m3，比空气 略轻。在标准沸点下的液氮的密度为 808.6kg/m323,24。液氮的三相点的温度为 63.156k，液氮是无色透明的液体，化学性质不活泼，无毒性，不爆炸，是低温 技术中最常用的安全而经济的冷源。液氮主要是采用分馏液态空气的方法来制 备，并且广泛地在市场上买到，价格比较便宜，具有很广泛的市场使用前景。液 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 15 - 氮在不同的温度下的密度不同， 本课题对液氮过冷器的设计过程中涉及到自然对 流换热以及蒸发凝结换热等传热方式， 因此必须考虑到在不同温度下氮的密度变 化情况，通过 wigas 软件可以查得氮的饱和液密度和饱和气的密度如表 2-2 所 示。 将该表格分别绘制成曲线即为如图2-1为饱和液的密度随着温度变化的情况， 图 2-2 为饱和气的密度随着温度的变化情况25。 表 2-2 氮的饱和液密度和饱和气密度 table 2-2 the saturated liquid density and saturated gas density of nitrogen t/k 饱和液密度/(kg/m3) 饱和气密度/(kg/m3) 63.15 867.6 0.675 65 861.28 0.919 67 852.59 1.248 69 843.84 1.664 71 834.96 2.179 73 826.06 2.808 75 817.04 3.564 77 807.8 4.466 图 2-1 饱和液密度随温度的变化 fig.2-1 saturated liquid density changes with temperature 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 16 - 图 2-2 饱和气密度随温度的变化 fig.2-2 saturated gas density changes with temperature 从图 2-1 和图 2-2 可以看出随着温度的升高饱和液的密度在不断的减少而饱 和气的密度则不