Охлаждение высокотемпературных сверхпроводниковых материалов в магнитолевитационных системах

Полный текст

Введение

Наиболее перспективным направлением при разработке магнитолевитационных транспортных систем, является использование сверхпроводниковых материалов. Использование таких материалов сопряжено с необходимостью постоянного поддержания стабильных низких температур в различных условиях эксплуатации, в связи с выделением большого количества тепловой энергии при эксплуатации устройств на базе сверхпроводников. Проблема влияния температуры заключается в снижении критического тока сверхпроводимости даже при незначительном увеличении температуры материала, а так же неустойчивость свойств устройств, при изменении его фактической температуры вне критического диапазона. Ниже описаны особенности условий эксплуатации низкотемпературных сверхпроводников (НТСП) и высокотемпературных сверхпроводников (ВТСП), а так же возможные способы обеспечения стабильных низких температур при работе данных систем.

Особенности температурных режимов работы сверхпроводников

Подробное описание как НТСП и ВТСП приведено в [1]. Основным отличием данных материалов является температурный диапазон их эксплуатации и жесткие требования, как по объему, так и по скорости отводимых избытков тепловой энергии, что в свою очередь влечет за собой высокие требования, предъявляемые к системам охлаждения таких устройств.

В процессе эксплуатации и при разработке устройств с применением сверхпроводников рассматриваются следующие критерии, связанные с обеспечением температурных режимов:

1. Динамическая стабилизация, нарушение которой может приводить к существенным локальным перегревам. В данном случае задача системы охлаждения сводится к обеспечению превышения скорости тепловой диффузии над скоростью магнитной диффузии. Это достигается комплексным решением – применением систем криостатирования и конструктивными особенностями сверхпроводников.
2. Стационарная стабилизация заключается, в том числе в своевременном отводе тепловой энергии из нормальной зоны в криогенную среду. Сложность данных систем заключается в недопущении «кризиса кипения» криоагента, так как это в разы снижает интенсивность теплообмена.
3. Недопущение эффекта деградации – эффекта снижения критического тока магнитной системы по отношению к критическому току «короткого образца». Этот эффект может возникать при недостаточном теплоотводе, так как при этом локально возникшая нормальная зона может распространяться по всей обмотке.

Основным отличием НТСП от ВТСП является температура возникновения критического тока. В связи с этим в большинстве систем охлаждения НСТП в качестве криогенных жидкостей используется жидкий гелий. Использование данной криогенной жидкости позволяет обеспечить температурный режим порядка 4-5 К. Однако эти системы сложны в эксплуатации, небезопасны и требуют огромных эксплуатационных расходов. Решением задачи, связанной с повышением эффективности использования сверхпроводников при разработке современных магнитолевитационных транспортных систем может быть переход от НТСП к ВТСП. Применение ВТСП позволит повысить рабочие температуры до азотных (77 К). Применение в качестве хладоагента жидкого азота имеет ряд неоспоримых преимуществ. Сравнительный анализ характеристик жидкого гелия и жидкого азота приведен в таблице 1.

 

Таблица 1. Теплофизические свойства хладоагентов

№ п/п	Параметр	Ед. изм.	Жидкий гелий	Жидкий азот
1	Скрытая теплота парообразования	МДж/м3	2,58	161
2	Тепловой поток	кВт/м2	9…10	115…180
3	Допустимый перепад температур в криогенной зоне	К	0,5…1,0	6…18
4	Коэффициент затрат мощности на компенсацию притока тепловой энергии в криогенную зону	-	450…480	8…12

 

Основные требования по температурным режимам к современным обмоточным материалам из ВТСП приведены на рисунке 1.

 

Рис. 1. Температурные диапазоны обмоточных материалов из ВТСП

 

Как видно из графика, приведенного на рисунке 1 температурные диапазоны большинства устройств с применением современных высокотемпературных материалов укладываются в азотный диапазон.

Таким образом, наиболее оптимальные параметры работы систем с применением ВТСП могут быть достигнуты применением систем охлаждения на основе жидкого азота.

Способы охлаждения ВТСП

Процесс создания сверхпроводящих магнитных систем является сложной и многоуровневой задачей. Этот процесс охватывает ряд смежных областей, таких как изготовление сверхпроводящих материалов, разработка конструкции криогенных систем охлаждения, выбор хладагента и др. От правильного выбора обмоточного материала для сверхпроводниковой магнитной системы - катушка, секция или модуль любой формы и назначения, зависят: конструкция и технология намотки ее модулей, конструкция криостата, размещение и тип электрических соединений модулей, способы их крепления, межвитковая и корпусная изоляция, криогенное охлаждение, устройства ввода тока, диагностики и защиты магнитной системы - в конечном итоге эффективная и надежная работа сверхпроводникового комплекса.

Процесс получения жидкого гелия как криоагента для систем охлаждения НТСП довольно сложен и дорогостоящий. Общая схема установки по производству жидкого гелия приведена на рис. 2. Производство жидкого гелия в промышленных масштабах на сегодняшний день довольно затруднительно. Преимущества использования жидкого гелия - возможность получения низких температур порядка 4 - 5 К. К недостаткам можно отнести: Сложность и дороговизну процесса получения жидкого гелия, а также сложность и дороговизна изготовления и эксплуатации систем охлаждения.

 

Рис. 2. Принципиальная схема получения жидкого гелия 1 – Ожижитель; 2 – Компрессор; 3 – Маслоотделитель; 4 – Ресивер; 5 - Контроллер давления; 6,7 – Дьюары; 8 – Осушитель; 9 -Главный контроллер; 10 - Дожимающий компрессор; 11 - Рампа с баллонами; 12 - Мягкий газгольдер газообразного гелия

 

Процесс получения жидкого азота по сравнению с процессом получения жидкого гелия более прост (рис. 3) и находит промышленное применение в различных областях техники. Кроме того, в состав атмосферного воздуха входит 70% азота, что делает его более интересным с точки зрения стоимости.

 

Рис. 3. Принципиальная схема получения жидкого азота 1 - Вход в воздушный фильтр; 2 - Воздушный компрессор; 3 - Система охлаждения; 4 - Сепаратор воздух/вода; 5 - Система очистки воздуха; 6 - Турбодетандер; 7 - Главный теплообменник; 8 - Колона дистилляции

 

Наиболее интересными и перспективными для дальнейших исследований и усовершенствования конструкции являются многоконтурные системы криогенного обеспечения высокотемпературных сверхпроводниковых устройств. Схема такого устройства показана на рис.4.

 

Рис. 4. Схема двухконтурного криогенного обеспечения высокотемпературных сверхпроводниковых устройств 1 – сверхпроводниковое устройство; 2 – система циркуляции переохлажденного жидкого азота; 3 – теплообменник; 4 – турбодетандер; 5 – главный теплообменник; 6 – компрессор; 7 – отвод тепла; 8 – неоновый криокулер; 9 – пульт управления

 

Особенностью данных систем относительно применения в Маглев системах является автономность и возможность длительной эксплуатации без дозаправки хладагента. Такие системы могут быть изготовлены в модульном исполнении, что конструктивно облегчает установку оборудования на подвижной состав.

Наиболее распространенные марки криокуллеров, которые могут использоваться в системах Маглев, приведены в табл. 2.

 

Таблица 2. Рабочие параметры криокуллеров в системах Маглев  

Марка криокулера	Рабочая температура	Холодо- производ-ть	Потребляемая мощность
Рабочая температура 4,2 К
Cryomech PT415	4,2/45 К	1,5/40 Вт	10,5 кВт
SHI Cryogenics RDK-415	4,2/50 К	1,5/35 Вт	7,2 кВт
Рабочая температура 20-30 К
Leybold Coldpower 140 T	20 К	20 Вт	6,2 кВт
Leybold Coolpower 10 MD	20/80 K	18/110 Вт	6,5 кВт
Striling Cryogenics LPC-1T RL (LPC-8T RL)	26 К	105 Вт (820 Вт)	11 кВт (90 кВт)
Striling Cryogenics GPC-1  (GPC-4)	20/80 K	50/400 Вт (200/1600 Вт)	11 кВт (45 кВт)
Рабочая температура 77 К
Cryomech AL600	80 K	620 Вт	15,5 кВт
Q-drive 2S362K	77 К	1000 Вт	21 кВт
Striling Cryogenics LPC-1 FF (LPC-8 FF)	77 К	750 Вт (7400 Вт)	12 кВт (98 кВт)
Striling Cryogenics LPC-1 RL (LPC-8 RL)	77 К	1000 Вт (8000 Вт)	11 кВт (88 кВт)

 

Перспективные направления разработки систем ВТСП

Кроме того, важной задачей развития криосистем является разработка эффективной системы охлаждения токовводов (рис. 5).

 

Рис. 5. Схемы охлаждения токовводов

 

Данная задача является немало важной, так как по токовводам осуществляется большой приток тепловой энергии из внешней среды. Критериями тепловой оптимизации являются: наименьший теплоприток по токовводу в криогенную зону; минимальные энергетические затраты на охлаждение токоввода. Перспективные направления исследований: оптимальные температурный профиль, тепловой поток, расход криоагента по длине токоввода.

В качестве критериев тепловой оптимизации токовводов можно принять следующие:

• - наименьший теплоприток по токовводу в криогенную зону;
• - минимальные энергетические затраты на охлаждение токоввода.

В настоящее время наиболее актуальными и перспективными являются следующие направления модернизации и оптимизации систем охлаждения сверхпроводниковых материалов и устройств:

1. Снижение массогабаритных характеристик систем криостатирования;
2. Снижение стоимости производства жидкого гелия и жидкого азота;
3. Снижение энергозатрат в системах охлаждения ВТСП;
4. Разработка комплексных систем охлаждения и производства хладагентов, а также создание автономных систем криостатирования.

Заключение

В статье рассмотрены актуальные вопросы применения систем криостатирования систем с применением НТСП и ВТСП. Рассмотрены существующие на сегодняшний день конструкции систем охлаждения, а также отражены основные перспективные направления развития данной области.

Об авторах

Юрий Федорович Антонов

Петербургский государственный университет путей сообщения Императора Александра I

Автор, ответственный за переписку.
Email: yuri-anto@yandex.ru

профессор кафедры «Электромеханические комплексы и системы», заведующий НИЛ «МЭТС»

Россия

Антон Сергеевич Краснов

Петербургский государственный университет путей сообщения Императора Александра I

Email: anton.s.krasnov@gmail.com

преподаватель кафедры «Теплотехникка»

Россия

Татьяна Сергеевна Зименкова

Петербургский государственный университет путей сообщения Императора Александра I

Email: tatyana.zimenkova@gmail.com

инженер НИЛ «МЭТС»

Россия

Список литературы

Дополнительные файлы