Система криообеспечения
CRYOPROVISION SYSTEM

Изобретение относится к классу устройств, предназначенных для ввода и удаления хладагента в высокотемпературных сверхпроводящих (ВТСП) устройствах, а также других устройствах, использующих во время работы криогенные жидкости.
Для поддержания заданного уровня температур (криостатирования), например, высокотемпературных сверхпроводящих обмоток высоконагруженных электрических машин возможно использование нескольких вариантов организации системы охлаждения и криостатирования этих обмоток. Рабочая температура криостатирования ВТСП обмоток 65-70 К. В настоящее время в качестве хладагента часто используется жидкий азот.
Одним из наиболее эффективных методов криостатирования является принудительная циркуляция жидкого хладагента в контуре за счет установки циркуляционного насоса.
Известны системы криостатирования с замкнутым циклом: патент РФ №2188367 "Холодильная установка с циркуляцией в замкнутом цикле", и патент РФ 127366 "Система жидкостного охлаждения бортовой аппаратуры летательного аппарата".
Для системы криообеспечения, применяемой для криостатирования высокотемпературных сверхпроводящих электрических машин, за прототип к предлагаемому изобретению взят патент РФ №149137 "Система криообеспечения высокотемпературного сверхпроводящего трансформатора". Система содержит расходный криостат с трубопроводом дренажа криостата и трубопроводом подачи криогенной жидкости, электромагнитный клапан, размещенный на трубопроводе подачи криогенной жидкости и подключенный к выходу блока системы управления, датчик уровня криогенной жидкости, размещенный в криостате и подключенный к входу блока системы управления, возвратную магистраль с датчиком сплошности среды, датчик давления и электромагнитный клапан, установленные на магистрали дренажа и подключенные к системе управления.
Общий недостаток известных устройств состоит в том, что они не обеспечивают необходимый уровень рабочих температур криогенной жидкости применительно к ВТСП устройствам.
Техническим результатом использования данного изобретения в частности является увеличение эффективности и надежности поддержания заданного уровня температур в ВТСП обмотках электрических машин на различных стадиях работы ВТСП устройств, в том числе возможность переохлаждения криогенной жидкости ниже температуры насыщения.
Указанный технический результат достигается за счет возможности понизить температуру хладагента в емкости хранения путем понижения давления с помощью вакуумного насоса и за счет барботирования газообразного гелия через криогенную жидкость, а также за счет введения теплообменника криорефрижератора.
Гидравлическая схема циркуляции жидкого азота в роторе сверхпроводниковой электрической машины представлена на фиг. 1.
Она состоит из следующих основных элементов: - расходного криостата емкостью 400 л - 1; датчика уровня криогенной жидкости - 2; теплообменника нагрузки криорефрижератора - 3; электрогидроклапана выдачи криогенной жидкости - 4; магистрали выдачи жидкости - 5; ВТСП ротора - 6; датчика сплошности среды - 7; возвратной трубы - 8; блока управления - 9; подогревателя паров азота - 10; вакуумного насоса - 11; криорефрижератора - 12; редуктора подачи гелия в емкость - 13; баллона газообразного гелия (V=40 л) - 14, криогенного насоса - 15.
Для получения переохлажденного азота после заправки криостата контура (1) жидким азотом из переносных сосудов Дьюара или цистерны типа ЦТК предусмотрена система первоначального охлаждения жидкого азота за счет создания в криостате разрежения. Для этого предусматривается установка вакуумного насоса (11) и теплообменника для подогрева паров азота (10) на входе в вакуумный насос. Подогрев паров необходим для обеспечения безаварийной работы вакуумного насоса. Подогрев азота обеспечивается с помощью теплообменного аппарата змеевикового типа из нержавеющей стали, который помещается в сосуд с проточной водой.
Для компенсации теплопритоков в трактах ВТСП роторов электрических машин при работе используется криорефрижератор (12). Теплообменный аппарат (3 - теплообменник нагрузки криорефрижератора) обеспечивает охлаждение и конденсацию пара и устанавливается в газовой подушке емкости криостата (1).
Жидкий азот из нижней точки емкости по трубе (5) и штуцер подачи жидкого азота поступает в полость вала ротора электрической машины (6).
В роторе электрической машины происходит основной прогрев криогенной жидкости и ее возможное испарение (при работе с насыщенной жидкостью). Подвод тепла, прогрев потока и испарение происходит и на подъемном участке за счет теплопритока через теплоизоляцию трубопровода. Нагретая жидкость или образовавшийся парожидкостный поток из подъемной магистрали поступает в емкость хранения (1).
Температура переохлажденного жидкого азота в емкости хранения находится на уровне 65...70 К. Использование недогретого до температуры насыщения азота, обеспечивает надежную работу сверхпроводниковых обмоток электрической машины без присутствия паровых включений в тракте охлаждения ВТСП обмоток. Давление в емкости при работе с переохлажденной жидкостью (недогретой жидкостью) без дополнительного наддува гелием будет ниже атмосферного и составляет 0.3…0.7.
Величина гидравлических потерь давления в проточной части контура циркуляции определяется величиной массового расхода G и теплового состояния контура, то есть является функцией параметров процесса.
Датчики уровня жидкости обеспечивают поддержание постоянного уровня жидкости в расходной емкости за счет управления работой клапана заправки. Датчик сплошности жидкости на выходе из ротора обеспечивает контроль за процессом захолаживания и возникновением паровых каверн в полости агрегата при работе.
Система криообеспечения выполняет необходимые операции по заправке емкости хранения, захолаживанию контура, а также криостабилизацию ВТСП роторов в процессе работы.
В схеме контура криообеспечения предусматривается использование системы наддува гелием паровой подушки емкости хранения (1). Использование системы наддува емкости хранения за счет самоиспарения жидкого азота для поддержания избыточного давления относительно окружающей среды в криостате невозможно, так как теплообменная поверхность криорефрижератора будет конденсировать поступающий в емкость пар.
Последовательность работы системы криообеспечения следующая.
На этапе захолаживания системы после заправки обеспечивается предварительный наддув емкости хранения с помощью гелиевой системы на величину избыточного давления 0.05…0.1 бар изб. Открывается вентиль дренажа возвратной магистрали с окружающей средой. Начинается захолаживание ротора. Завершение захолаживания контролируется по датчику сплошности (7), установленному на возвратной магистрали (8). Датчик сплошности выполнен в виде термоанемометра, что обеспечивает высокую чувствительность к смене фаз (пар - жидкость). Затем происходит дозаправка емкости хранения.
l
т
На этапе охлаждения жидкости в емкости хранения обеспечивается сообщение паровой подушки емкости хранения с вакуумным насосом. Все остальные тракты из криостата (1) закрываются. Закрывается клапан подачи жидкости в ротор. Начинается вакуумирование емкости. Контроль за температурой осуществляется с помощью датчиков температуры T и датчика давления Р.
На этапе запуска системы криостатирования закрывается дренаж из емкости хранения. Открывается вентиль возвратной магистрали. Обеспечивается наддув криостата газообразным гелием на величину избыточного давления 0.05…0.1 бар изб. Наддув емкости хранения через коллектор, расположенный в жидкости, обеспечивает барботаж гелия через массив жидкости и ее охлаждение за счет испарения в пузыри. Включается циркуляционный насос и криорефрижератор. Холодопроизводительность криорефрижератора обеспечивает компенсацию всех теплопритоков.
По мнению авторов, совокупность существенных признаков предлагаемого изобретения необходима и достаточна для достижения заданного технического результата.