СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОХЛАЖДЕНИЯ СВЕРХПРОВОДЯЩЕГО КАБЕЛЯ
METHOD AND APPARATUS FOR COOLING SUPERCONDUCTING CABLE

Изобретение относится к криогенной технике, а именно к организации охлаждения протяженных криогенных систем (КС), и может быть применено для охлаждения сверхпроводящей кабельной линии (КЛ).
Известны конструкции протяженных криогенных систем (ПКС), предназначенных для обеспечения функционирования сверхпроводящих кабельных линий. Для нормального функционирования рабочего объекта - сверхпроводящего кабеля (СПК) необходимо поддерживать определенную криогенную температуру на всем протяжении КЛ, что достигается циркуляцией хладоносителя по системе.
Условия функционирования рабочего объекта и его охлаждения ограничивают длину единого рабочего участка ПКС. При необходимости создания ПКС с общей длиной более возможной, система строится последовательно из рабочих участков с длиной не более возможной, каждый из которых имеет собственную КС.
Известна конструкция протяженной криогенной системы высокотемпературной сверхпроводящей (ВТСП) кабельной линии длиной 200 м (http://www.kp-info.ru/images/File/2010%202%203-10.pdf), которая содержит систему криогенного обеспечения (СКО), устройства ввода-вывода тока и протяженные криостаты, внутри которых расположен СПК. В данной ПКС по одному из криостатов идет поток хладоносителя от СКО, а по двум другим поток возвращается обратно. Недостатком данной системы является повышенный уровень тепловых потерь. Следует заметить, что основная теплопередача в зону криогенных температур идет по протяженным криостатам, и наличие нескольких криостатов влечет за собой большой уровень тепловых потерь.
Наиболее близким из числа известных к предлагаемому по совокупности признаков является ПКС, которая содержит: криогенную систему, устройства ввода - вывода, протяженный криостат внутри которого расположен СПК и внутренняя полость которого разделена на прямой и возвратный канал циркуляции хладоносителя; (http://perst.isssph.kiae.ru/supercond/bulletein.php?menu=bull_subj&id=463&subject_id=1 или http://iopscience.iop.org/1742-6596/97/1/012183/pdf/1742-6596_97_1_012183.pdf)
Конструкция этой ПКС предполагает направлять хладоноситель от криогенной установки по “прямому” каналу, расположенному непосредственно внутри кабеля, а возвращать по зазорам между кабелем и внутренней стенкой криостата - обратному каналу.
Недостаток известного устройства (способа) состоит в следующем. Наличие возвратного канала увеличивает теплопритоки в ПКС, повышает гидравлическое сопротивление и как следствие перепад давлений, необходимый для обеспечения циркуляции хладоносителя в системе, что ведет к повышенным затратам при изготовлении и эксплуатации ПКС, к ограничению длины рабочего участка ПКС.
Требуемые длины ПКС достигают десятков, а то и сотен километров. Длина рабочего участка - порядка километра.
Технический результат, на достижение которого направлено изобретение, заключается в повышении эффективности, экономичности и надежности способа эксплуатации ПКС.
Таким образом, задачей нового технического решения является разработка такого способа циркуляции хладоносителя и устройства, его реализующего, который позволил бы, используя особенности хладоносителя и конструкции самой ПКС, максимально увеличить длину рабочего участка (т.е. уменьшить перепад давлений и температуры по длине системы) без усложнения конструкции системы.
Технический результат достигается тем, что в способе охлаждения сверхпроводящего кабеля, по которому осуществляют перемещение охлажденного хладоносителя вдоль сверхпроводящего кабеля, перемещение охлажденного хладоносителя осуществляют по одному каналу во взаимно противоположных направлениях с промежуточным накоплением части хладоносителя в буферных емкостях перед его обратным перемещением.
Для достижения указанного технического результата устройство охлаждения сверхпроводящего кабеля, содержащее протяженный криостат с расположенным внутри него сверхпроводящим кабелем, систему криогенного обеспечения, снабжено расположенными на концах протяженного криостата буферными накопительными емкостями и системой перекачивания хладоносителя во взаимно противоположных направлениях по одному каналу.
Таким образом, в ПКС отсутствует канал возврата хладоносителя и перемещение охлажденного хладоносителя осуществляется периодически по одному каналу во взаимно противоположных направлениях с промежуточным накоплением части хладоносителя в буферных емкостях перед его обратным перемещением.
Сущность изобретения поясняется чертежом (рис.1).
Устройство содержит протяженный криостат 1, систему криогенного обеспечения 2, буферные емкости 3.
При изготовлении ПКС применяются промышленно выпускаемые материалы.
Криостат и криогенный интерфейс выполняется из немагнитного нержавеющего металла с использованием экранно-вакуумной изоляции, и стандартных крио - вакуумных штыковых разъемов.
Протяженный криостат оптимизирован по отношению длины к сечению на заданное значение потока хладоносителя и может быть выполнен, например, в виде гофрированной трубы из нержавеющей стали, снабженной высоковакуумной теплоизоляцией, внутри которой размещаются СПК. Буферные емкости представляют собой стандартные криогенные резервуары (танки) для хранения криожидкостей. Система криогенного обеспечения - стандартная промышленная единица и подбирается из условий обеспечения необходимых условий работы системы.
Работает устройство следующим образом.
По имеющемуся в криостате каналу образованному зазором между внутренней трубой и СПК из буферной емкости 3 на одном из торцов ПКС пропускают хладоноситель. На втором торце ПКС хладоноситель накапливается во второй буферной емкости 3. Поддержание необходимой температуры хладоносителя происходит в криогенных системах (холодильных установках), оптимально расположенных по длине вдоль ПКС. При заполнении (опорожнении) буферной емкости до определенного уровня происходит смена направления движения хладоносителя на обратное и начинается заполнение (опорожнение) буферной емкости на другом конце кабеля.
Отсутствие канала возврата хладоносителя обеспечивает при тех же габаритах криостата значительное снижение гидравлического сопротивления и уровня тепловых потерь за счет уменьшения работы продавливания, упрощает конструкцию ПКС, позволяет значительно увеличить длину рабочего участка ПКС.