Криогенная установка

 

Использование: криогенная техника и сверхпроводниковая электротехника. Сущность изобретения: установка содержит высокотемпературный компрессор 1, вспомогательный теплообменник 2, основные теплообменники 3 8 для охлаждения прямого потока криоагента, детандеры 10 12, дроссель 13, потребитель холода 14 и установленные на линии 15 обратного потока низкотемпературные компрессоры 16 18. Детандеры и низкотемпературные компрессоры снабжены сверхпроводящей электромашиной с бесконтактными сверхпроводящими электромагнитными подшипниками, охлаждаемыми криоагентом. 3 ил.

Изобретение относится к криогенной технике и сверхпроводниковой электротехнике и может быть использовано в криогенных установках с криотурбомашинными агрегатами, а также в любых турбоагрегатах с криогенным охлаждением типа сверхпроводниковых турбогенераторов, сверхпроводниковых электродвигателей и пр. Известны установки для получения холода, в которых сжатие рабочего газа, участвующего в цикле охлаждения, осуществляется в компрессорах, установленных на температурном уровне окружающей среды. Недостатком таких установок и способов получения холода являются повышенные затраты энергии на сжатие рабочего криоагента. Известна криогенная установка и способ получения холода, в которой с целью повышения экономичности сжатие рабочего газа ведут как в компрессоре от температуры окружающей среды, так и на уровне температуры потребителя холода, где обратный поток, отходящий от потребителя, адиабатически сжимают до температуры, близкой к температуре прямого потока перед его адиабатическим расширением. Недостатком этой криогенной установки является то, что компенсируется только часть потерь, так как сжатие ведется только на низкотемпературном уровне с очень малой степенью, сжатия, а сжатие криоагента основного цикла ведется в компрессоре на уровне температуры окружающей среды. Цель изобретения сокращение энергетических потерь на сжатие криоагента. Поставленная цель достигается тем, что в криогенной установке, включающей замкнутый контур, образованный линиями прямого и обратного потоков, с размещенными в нем высокотемпературным компрессором, тремя детандерами, четырьмя теплообменниками и потребителем холода, дополнительно введены три низкотемпературных компрессора, последовательно расположенных в линии обратного потока, причем детандеры включены в линию прямого потока, а первая пара низкотемпературного компрессора и детандера размещена между потребителем холода и первым теплообменником, вторая пара между первым и вторым теплообменниками, третья пара между вторым и третьим теплообменниками, линия всасывания высокотемпературного компрессора соединена с выходом четвертого теплообменника и выход второго детандера подключен к обратному потоку между вторыми компрессором и теплообменником, каждые низкотемпературный компрессор и детандер снабжены сверхпроводящей электромашиной с бесконтактными охлаждаемыми криоагентом сверхпроводящими электромагнитными подшипниками, содержащими роторные и статорные втулки, по наружным поверхностям последних уложены сверхпроводниковые кольца, а статорные втулки дополнительно имеют запиточные электрические обмотки. Благодаря такому решению схемы криогенной установки снижаются затраты энергии на сжатие криоагента, а также представляется возможность создания нового типа турбомашин со сверхпроводящими бесконтактными электромагнитными подшипниками, обеспечивающими работоспособность криогенной установки. На фиг.1 представлена криогенная установка; на фиг.2 низкотемпературный компрессор со сверхпроводящим электромагнитным подшипником; на фиг.3 T-S диаграмма способа получения холода. Криогенная установка содержит высокотемпературный компрессор 1, установленный на температурном уровне окружающей среды, вспомогательный теплообменник 2 для предварительного охлаждения криоагента после сжатия, основные теплообменники 3-8, служащие для последовательного охлаждения сжатого прямого потока 9 криоагента, детандеры 10-12, дроссель 13 для расширения криоагента и потребитель холода 14, а также установленные на линии 15 обратного потока низкотемпературные компрессоры: 16 установленный на температурном уровне третьего детандера 12 после потребителя холода 14; 17 установленный на температурном уровне второго детандера 11; 18 установленный на температурном уровне первого детандера 10. Для обеспечения сжатия рабочего тела на низкотемпературном уровне, когда необходимо учитывать теплофизические свойства газа, в конструкции низкотемпературных компрессоров предусмотрены сверхпроводниковые бесконтактные магнитные подшипники, основанные на принципе "магнитной потенциальной ямы", которые не генерируют тепло. Низкотемпературный компрессор (см. фиг.2) содержит корпус 19, в котором соосно размещено рабочее колесо 20, закрепленное консольно на валу 21, имеющем сверхпроводящие электромагнитные подшипники 22 и сверхпроводящий электродвигатель 23. По наружным поверхностям роторных 24 и статорных 25 втулок подшипников 22 уложены кольца 26 из сверхпроводника. На наружной поверхности статорных втулок 25 дополнительно закреплена запиточная электрическая обмотка 27. Причем сверхпроводящие обмотки электроприводов и кольца сверхпроводящих электромагнитных подшипников могут быть выполнены как из низкотемпературных (НТСП), так и из высокотемпературных (ВТСП) сверхпроводников. Попарно установленные на одном температурном уровне компрессор и детандер могут быть выполнены как одна машина с консольно расположенными рабочими колесами на одном валу со сверхпроводящими электромагнитными подшипниками. Криогенная установка работает следующим образом. Газообразный криоагент сжимают в высокотемпературном компрессоре 1 при температуре окружающей среды, после чего тепло сжатия снимают во вспомогательном теплообменнике 2, например, водой, прямой поток 9 сжатого криоагента охлаждают в основных теплообменниках 3-8, а часть потока отбирают и расширяют с промежуточным охлаждением в двух детандерах 10 и 11 и направляют в линию 15 обратного потока, а остальную часть прямого потока 9 после охлаждения в теплообменниках 4-8 расширяют в парожидкостном детандере 12 или дросселе 13 (в зависимости от режима работы), а образовавшуюся парожидкостную смесь (или жидкость) подают потребителю 14 для охлаждения. Образовавшиеся пары обратного потока 15 после потребителя 14 сжимают в низкотемпературном компрессоре 16 при 4-7 К, пропускают через первый теплообменник 8 и снова сжимают при 20-30 К, смешивают с детандерным потоком после детандера 11, нагретым в теплообменниках 7 и 6, и после второго теплообменника 5 вновь сжимают при 70-80 К в низкотемпературном компрессоре 18, а затем после подогрева в третьем теплообменнике 4 и вспомогательном теплообменнике 3 подают основной высокотемпературный компрессор 1. При режиме ожижения и в случае необходимости производится подпитка криоагента в компрессор 1. Низкотемпературные компрессоры 16-18 перед началом работы захолаживаются криоагентом, охлаждаемым в цикле за счет расширения в детандерах 10 и 11 и дросселе 13 в период пуска установки. После охлаждения сверхпроводящих обмоток подшипника 22 до необходимой температуры, определяемой материалом сверхпроводника (см. фиг.2), подают ток в запиточную обмотку 27 подшипника 22, где она индуцирует ток в короткозамкнутых сверхпроводниковых кольцах 26, в результате чего в них возникает электромагнитное поле и вал 21 "всплывает" (зависает) в "магнитной потенциальной яме", при этом геометрические оси вала 21 и статорной обмотки подшипника 22 совпадают. После этого подают ток в электродвигатель 23 и начинается вращение ротора компрессора (вала 21 с рабочим колесом 20), компрессор вступает в работу и сжимает газообразный криоагент. Запиточная обмотка 27 подшипника 22 теперь может быть отключена, а ток в ней и магнитное поле в подшипнике оказываются "замороженными", т.е. не требуют подачи тока. Благодаря ступенчатому сжатию газа на разных температурных уровнях сокращается количество энергии, затрачиваемой на сжатие, за счет изменения внутренней энергии газа при низкой и высокой температурах. Известно, что удельная затрата энергии на совершение процесса сжатия газа в низкотемпературном компрессоре резко снижается по мере снижения температурного уровня, на котором совершается процесс сжатия, что подтверждается T-S-диаграммой (см. фиг. 3) цикла, где показана площадь А, на величину которой сокращается работа сжатия. Так, при сжатии в компрессоре на температурном уровне 77 К удельная работа сжатия сокращается в 3,6 раза по сравнению с обычным сжатием при 300 К, а в случае сжатия криоагента на температурном уровне 4,5 К работа сжатия сокращается в 100 раз. Предлагаемая криогенная установка позволит сократить энергопотребление на получение холода за счет сжатия при криогенных температурах, дает возможность компоновать низкотемпературный компрессор на одном валу с детандером, используя его в качестве привода, кроме того, работоспособность низкотемпературного блока детандер-компрессор обеспечивается использованием энергетически выгодных сверхпроводящих бесконтактных электромагнитных подшипников. В предлагаемой криогенной установке можно достигнуть увеличения холодопроизводительности до 20% а также улучшить ее весогабаритные характеристики и надежность.

Формула изобретения

КРИОГЕННАЯ УСТАНОВКА, включающая замкнутый контур, образованный линиями прямого и обратного потоков с размещенными в нем высокотемпературным компрессором, тремя детандерами, четырьмя теплообменниками и потребителем холода, отличающаяся тем, что, с целью сокращения энергетических потерь на сжатие криоагента, она дополнительно содержит три низкотемпературных компрессора, последовательно расположенных в линии обратного потока, причем детандеры включены в линию прямого потока, а первая пара низкотемпературного компрессора и детандера размещена между потребителем холода и первым теплообменником, вторая пара между первым и вторым теплообменниками, линия всасывания высокотемпературного компрессора соединена с выходом четвертого теплообменника и выход второго детандера подключен к обратному потоку между вторым компрессором и теплообменником, каждый компрессор и детандер снабжен сверхпроводящей электромашиной с бесконтактными охлаждаемыми криоагентом сверхпроводящими электромагнитными подшипниками, содержащими роторные и статорные втулки, по наружным поверхностям последних уложены сверхпроводниковые кольца, а статорные втулки дополнительно имеют запиточные электрические обмотки.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3