Криогенная холодильная рефрижераторная установка, включающая краткосрочное охлаждение в открытом цикле для сверхпроводящей обмотки возбуждения, (варианты) и способ ее работы
Изобретение относится к криогенной холодильной установке для синхронной машины, имеющей ротор с высокотемпературным сверхпроводящим компонентом. Холодильная установка включает: основную холодильную установку и временную холодильную установку. Временная холодильная установка содержит устройство для хранения первой криогенной текучей среды, соединение для передачи охлаждения, которое соединено по потоку текучей среды с первой криогенной текучей средой из устройства для хранения и второй криогенной текучей средой, проходящей через основную холодильную установку. Техническим результатом является создание криогенной холодильной установки, которая менее дорогая, дешевая в эксплуатации и обеспечивает надежную подачу криогенной охлаждающей текучей среды. 3 н. и 15 з.п.ф-лы, 5 ил.
Настоящее изобретение относится в основном к криогенной холодильной установке для синхронной машины, имеющей ротор с высокотемпературным сверхпроводящим (ВТС) компонентом. Более конкретно, настоящее изобретение относится к холодильной установке для подачи криогенной текучей среды в ротор ВТС машины и для повторного охлаждения использованной охлаждающей текучей среды, возвращаемой из ротора.
Сверхпроводящие роторы имеют сверхпроводящие катушки, охлаждаемые жидким гелием, причем использованный гелий возвращается в виде газообразного гелия, имеющего комнатную температуру. Использование жидкого гелия для криогенного охлаждения требует непрерывного повторного ожижения возвращаемого газообразного гелия, имеющего комнатную температуру. Таким образом, повторное ожижение создает значительные проблемы с надежностью и требует значительной временной энергии для холодильной гелиевой установки. Соответственно, требуется криогенная холодильная установка, в которой производится повторное ожижение нагретой использованной охлаждающей текучей среды, возвращаемой из ротора. Повторно ожиженная охлаждающая текучая среда должна затем быть пригодной для повторного использования, чтобы непрерывно охлаждать ВТС ротор.
Криогенная холодильная установка для сверхпроводящей электрической машины подает охлаждающие текучие среды для охлаждения до криогенных температур и для поддержания свойств сверхпроводимости компонентов машины, например проводящих катушек ротора. По экономическим соображениям предполагается, что электрические машины должны иметь высокую работоспособность и надежность. Однако некоторые криогенные холодильные компоненты, такие как холодная головка и компрессоры в холодильной установке Гиффорда-МакМагона (ГМ), имеют короткий срок службы в связи с износом, и наблюдается утечка охлаждающей текучей среды в результате возвратно-поступательного механического перемещения компонентов холодильной установки. Надежность холодной головки и установок Гиффорда-МакМагона не может быть достаточной для высоких требований к надежности определенных машин, особенно в промышленных энергетических машинах, таких как электрогенераторы.
В высокотемпературных сверхпроводящих генераторах требуется высоконадежное, имеющее низкую стоимость криогенное холодильное оборудование для того, чтобы они были конкурентоспособными в качестве промышленных товаров. Резервные компоненты криогенных холодильных машин в прошлом использовались с существующим криогенным холодильным оборудованием для достижения высокой надежности. Недостаточная надежность отдельных охлаждающих компонентов и требование непрерывной подачи охлаждающей текучей среды в ВТС роторы создавали в прошлом необходимость во включении резервных компонентов в криогенные холодильные установки для ВТС роторов.
Холодильные установки должны непрерывно работать в машине, имеющей сверхпроводящие компоненты. Когда выходят из строя криогенные охлаждающие компоненты, охлаждающая текучая среда может в недостаточном количестве проходить в машину, и сверхпроводящие компоненты в машине нагреваются. Эти нагретые компоненты теряют свойство сверхпроводимости, и работа машины прерывается в связи с потерей сверхпроводимости. Соответственно, холодильные установки с недостаточной надежностью приводят к отключению машины, которое является непредвиденным и нежелательным. Для поддержания работоспособности установки полностью резервная холодильная установка использовалась в прошлом для повышения надежности холодильной установки. В связи с резервными компонентами установки стоимость криогенных холодильных установок для сверхпроводящих машин почти удваивается.
Стоимость криогенных холодильных установок существенно повышается в связи с потребностью в резервных компонентах криогенной холодильной машины. Более того, существующие криогенные холодильные установки требуют частого технического обслуживания в связи с недостаточной надежностью их и резервной установкой. Соответственно, капитальные и эксплуатационные расходы на эти криогенные холодильные установки относительно высоки.
Типичное криогенное холодильное оборудование для диапазона температур 20-30° Кельвина (К) основано на технологии холодной головки Гиффорда-МакМагона, которая ограничивает производительность холодильной машины и требует технического обслуживания примерно один раз в год. Множество блоков может быть объединено для повышения производительности и надежности установки ценой повышения стоимости. В дополнение к множеству (резервных) холодных головок, циркуляционные установки замкнутого цикла с криогенным газом требуют либо вентиляторов для рециркуляции холодного газа, либо внешних вентиляторов для рециркуляции теплого газа с противоточными высокоэффективными теплообменниками. Эти компоненты увеличивают стоимость и сложность установки, когда требуется резерв высокой надежности, если все компоненты не могут быть изготовлены с высоким качеством.
Расходы на покупку и эксплуатацию существующих криогенных холодильных установок значительно увеличивают цены машин, имеющих ВТС роторы. Эти высокие цены вносят вклад в коммерческую нецелесообразность включения ВТС роторов в продаваемые на рынке синхронные машины. Соответственно, имеется существенная и неудовлетворенная ранее потребность в криогенных холодильных установках, которые менее дороги, дешевы в эксплуатации и обеспечивают надежную подачу криогенной охлаждающей текучей среды в ВТС ротор.
Синхронные электрические машины, имеющие катушки обмотки возбуждения, включают роторные генераторы, роторные двигатели и линейные двигатели, но не ограничены этим. Эти машины в основном содержат статор и ротор, которые находятся в электромагнитном взаимодействии. Ротор может включать многополюсный сердечник ротора и катушки обмотки, смонтированные на сердечнике ротора. Сердечники ротора могут включать магнитопроницаемый твердый материал, такой как кованое железо.
Описана краткосрочная временная холодильная установка для сверхпроводящей машины. Временная холодильная установка работает в продолжение технического обслуживания или выхода из строя компонента основной холодильной установки и до тех пор, пока основная холодильная установка не будет отремонтирована и приведена в рабочее состояние. Временная холодильная установка имеет более низкую начальную стоимость и более низкие эксплуатационные расходы в продолжение срока службы по сравнению с расходами на традиционные резервные холодильные установки.
Временная холодильная установка может обеспечивать в течение нескольких часов криогенное охлаждение охлаждающей текучей среды, проходящей через СП машину. Охлаждение в течение часов, пока основная холодильная установка является, по меньшей мере частично, работоспособной, дает возможность продолжения работы сверхпроводящей машины. В то время, как работает временная холодильная установка, созданная система обслуживания сверхпроводящей машины должна иметь возможность отремонтировать вышедшие из строя компоненты основной холодильной установки и включить в работу основную холодильную установку (и затем выключить временную холодильную установку). Соответственно, временная холодильная установка непрерывно подает криогенную охлаждающую текучую среду для СП машины в течение определенного периода времени, например нескольких часов.
В первом конструктивном исполнении изобретения предусмотрена холодильная установка с текучей средой для подачи криогенной охлаждающей текучей среды в высокотемпературную сверхпроводящую машину, причем указанная установка включает основную холодильную установку (52, 88) и временную холодильную установку, причем указанная временная холодильная установка содержит: устройство для хранения, содержащее первую криогенную текучую среду; по меньшей мере одно соединение для передачи охлаждения, которое соединено по потоку текучей среды с первой криогенной текучей средой из устройства для хранения и второй криогенной текучей средой, проходящей через основную холодильную установку, и указанная временная холодильная установка имеет первый режим работы, в продолжение которого первая криогенная текучая среда не проходит через по меньшей мере одно соединение для передачи охлаждения, и второй режим работы, в продолжение которого первая криогенная текучая среда проходит через по меньшей мере одно соединение для передачи охлаждения, причем указанная временная холодильная установка переключается из первого режима работы во второй режим работы, когда выходит из строя основная холодильная установка.
В другом конструктивном исполнении изобретения предусмотрена холодильная установка с текучей средой, соединенная с высокотемпературным сверхпроводящим ротором для синхронной машины, причем указанная установка содержит: основную холодильную установку, которая дополнительно содержит компрессор для рециркуляции; входной трубопровод, образующий канал для текучей среды для прохода второй охлаждающей текучей среды из компрессора для рециркуляции в ротор, причем входной трубопровод проходит через блок с холодной головкой; и временную холодильную установку, которая дополнительно содержит: резервуар для хранения для первой криогенной текучей среды; по меньшей мере один теплообменник, соединенный по потоку текучей среды с указанным резервуаром для хранения и указанным входным трубопроводом; и клапан между резервуаром и по меньшей мере одним теплообменником, причем указанный клапан имеет открытое положение, которое дает возможность первой криогенной текучей среде проходить из резервуара в по меньшей мере один теплообменник, и закрытое положение, изолирующее первую криогенную текучую среду от по меньшей мере одного теплообменника, причем открытое положение клапана выбирается, когда блок с холодной головкой не работает, и указанное закрытое положение выбирается, когда блок с холодной головкой работает, чтобы охлаждать вторую криогенную текучую среду.
В дополнительном воплощении изобретение представляет собой способ охлаждения сверхпроводящей машины, в котором используют основную холодильную установку и временную холодильную установку, содержащий стадии: сохраняют первую криогенную охлаждающую текучую среду в указанной временной холодильной установке; осуществляют циркуляцию второй криогенной холодильной текучей среды между указанной основной холодильной установкой и указанной машиной для криогенного охлаждения сверхпроводящих компонентов машины; охлаждают вторую криогенную охлаждающую среду посредством блока с холодной головкой в указанной основной холодильной установке и в то же время термически изолируют первую криогенную холодильную текучую среду от указанной второй криогенной холодильной текучей среды; в то время, когда указанный блок с холодной головкой не работает, создают возможность для первой криогенной охлаждающей текучей среды производить криогенное охлаждение второй охлаждающей текучей среды.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
В прилагаемых чертежах вместе с текстом этого описания описан пример конструктивного исполнения изобретения.
Фиг.1 изображает схематический вид сбоку схемы сверхпроводящего (СП) ротора, который показан внутри статора.
Фиг.2 изображает схематический перспективный вид СП катушки в форме рейс-трека, имеющей каналы для охлаждающего газа.
Фиг.3 изображает схему криогенной холодильной установки для подачи охлаждающей текучей среды в СП ротор.
Фиг.4 изображает схему второго конструктивного исполнения криогенной холодильной установки.
Фиг.5 изображает схему эжектора, который представляет собой компонент второго конструктивного исполнения.
На фиг.1 показан пример высокотемпературной сверхпроводящей (ВТС) синхронной генераторной машины 10, имеющей статор 12 и ротор 14. Ротор включает ВТС катушки обмотки возбуждения 34 в форме рейс-трека, которые пригнаны внутрь цилиндрической вакуумной полости 16 для ротора внутри статора. Ротор 14 пригнан внутрь вакуумной полости 16 для ротора внутри статора. Когда ротор вращается внутри статора, ротор создает магнитное поле 18 (показанное пунктирными линиями), и катушки ротора движутся внутри статора и создают электрический ток в обмотках катушек 19 статора. Этот ток представляет собой выход генератора в виде электрической энергии.
Ротор 14 имеет ось 20, простирающуюся в основном в продольном направлении, и в основном сплошной сердечник 22 ротора. Сплошной сердечник 22 имеет высокую магнитную проницаемость и обычно изготовляется из ферромагнитного материала, такого как железо. В сверхпроводящей машине при низкой плотности энергии железный сердечник ротора используется для того, чтобы уменьшить магнитодвижущую силу (МДС) и, таким образом, свести к минимуму использование обмотки катушки. Например, железо ротора может быть магнитно насыщено в воздушном зазоре до напряженности магнитного поля примерно 2 тесла.
На ротор 14 опирается простирающаяся в основном в продольном направлении, имеющая форму рейс-трека высокотемпературная сверхпроводящая (ВТС) обмотка катушки. ВТС обмотка катушки может быть альтернативно катушкой в форме седла или иметь какую-либо другую форму обмотки катушки, которая подходит для конкретной конструкции ВТС ротора. Холодильная установка, описанная здесь, может быть применена для конфигураций обмотки катушки и ротора, отличных от катушки в виде рейс-трека, смонтированной на сплошном сердечнике ротора.
Ротор включает валы 24, 30 на концах, которые удерживают сердечник 22 и опираются на подшипники 25. Вал 24 на конце коллектора имеет соединение 26 для подачи криогенного вещества с источником криогенной охлаждающей текучей среды, используемой для охлаждения СП обмоток катушки в роторе. Соединение 26 для подачи криогенного вещества включает стационарный сегмент, соединенный с источником криогенной охлаждающей текучей среды, и вращающийся сегмент, по которому подается охлаждающая текучая среда к ВТС катушке. Пример соединения для подачи криогенного вещества описан в находящемся в совместном владении и совместно поданном патенте США (в настоящее время заявка на патент серия № 09/854931; подана 15 мая 2001 г.) под названием «Синхронная машина, имеющая соединение для подачи криогенного газа в ротор со сверхпроводящими катушками», которая полностью включена для ссылки. Вал на конце коллектора может также включать коллекторные кольца 27 для соединения ВТС катушки обмотки возбуждения 34 в форме рейс-трека ротора с внешним электрическим устройством или для подачи энергии. Вал 30 на конце для привода может иметь муфту 32 электрической турбины.
На фиг.2 показан пример ВТС катушки обмотки возбуждения 34 в форме рейс-трека. ВТС катушка обмотки возбуждения 34 в форме рейс-трека ротора включает высокотемпературную сверхпроводящую катушку 36. Каждая ВТС катушка включает высокотемпературный сверхпроводник, например проволоки проводника из BSCCO (BixSrxCaxCuxOx), ламинированные в твердый эпоксидный состав, пропитывающий обмотку. Например, несколько проволок из BSCCO 2223 могут быть ламинированы, склеены вместе и намотаны на сплошную катушку, пропитанную твердой эпоксидной смолой.
ВТС проволока является хрупкой и легко повреждается. ВТС катушка представляет собой типичную прокладку, на которую намотана ВТС лента, затем пропитанную эпоксидной смолой. ВТС лента намотана в форме, точно воспроизводящей катушку, для достижения допусков размеров в узких пределах. Лента намотана в виде спирали для образования СП катушки 36 в форме рейс-трека.
Размеры катушки в форме рейс-трека зависят от размеров сердечника ротора. В общем каждая катушка в форме рейс-трека опоясывает магнитные полюса сердечника ротора и параллельна оси ротора. ВТС обмотки катушки простираются непрерывно вокруг рейс-трека. Катушки образуют путь тока, в котором нет сопротивления, вокруг сердечника ротора и между магнитными полюсами сердечника. Каналы 38 для текучей среды для прохода криогенной охлаждающей текучей среды включены в ВТС катушку обмотки возбуждения 34 в форме рейс-трека. Эти каналы могут проходить вокруг наружной кромки СП катушки 36. По каналам подводится криогенная охлаждающая текучая среда в катушки и отводится тепло от этих катушек. Охлаждающая текучая среда поддерживает низкие температуры, например 27К, в СП обмотке катушки, которая требуется для того, чтобы стимулировать условия сверхпроводимости, включая отсутствие электрического сопротивления в катушке. Охлаждающие каналы имеют входные и выходные отверстия 39 на одном конце сердечника ротора. Эти отверстия 39 соединяют охлаждающие каналы 38 в СП катушке с соединением 26 для подачи криогенного вещества.
Фиг.3 представляет собой схему криогенной холодильной установки 50 с рециркуляцией газа для высокотемпературной сверхпроводящей (ВТС) синхронной генераторной машины 10. Установка включает основную криогенную холодильную установку 52 и временную холодильную установку 54. В основной холодильной установке охлаждающая текучая среда циркулирует через электрическую машину, и имеется блок 56 с холодной головкой для охлаждения охлаждающей текучей среды до криогенных температур. В случае, когда холодная головка выходит из строя или отключается для технического обслуживания, временная холодильная установка выполняет функцию блока с холодной головкой и охлаждает охлаждающую текучую среду, циркулирующую в основной холодильной установке.
Криогенная холодильная установка 50 с рециркуляцией газа была разработана для высокотемпературного сверхпроводящего (ВТС) ротора. Холодильная установка включает основную установку 52, например холодильную установку с рециркуляцией, и временную холодильную установку 54. Основная холодильная установка в основном содержит компрессор 58 для рециркуляции, противоточный теплообменник 64 и блок 56 с холодной головкой. В основной холодильной установке криогенная охлаждающая текучая среда проходит из компрессора для рециркуляции через теплообменник и блок с холодной головкой (где текучая среда охлаждается до криогенных температур) и затем в ротор 14 и его сверхпроводящую катушку 36. Использованная охлаждающая текучая среда возвращается из ротора через теплообменник (где тепло от сжатой охлаждающей текучей среды, проходящей в ротор, передается использованному газу) и циркулирует обратно через компрессор для рециркуляции и во входной трубопровод.
Временная холодильная установка 54 может иметь ограниченный период работы, например несколько часов. Временная холодильная установка сконструирована для охлаждения охлаждающей текучей среды в основной установке 52 на период сверх нормального времени для ремонта и повторного включения блока с холодной головкой. Таким образом, временная холодильная установка дает возможность непрерывной работы ВТС синхронной генераторной машины 10 даже тогда, когда блок с холодной головкой временно выходит из строя или отключается.
Основная криогенная холодильная установка 52 включает компрессор 58 для рециркуляции и резервуар 60 для хранения охлаждающей текучей среды, который подает охлаждающую текучую среду и который осуществляет циркуляцию охлаждающей текучей среды через основную установку. Криогенная текучая среда в установке для рециркуляции преимущественно представляет собой гелий, но также может быть азотом, неоном или водородом, если рабочая температура ВТС ротора не опускается ниже 77К, 27К или 20К соответственно.
Основная холодильная установка представляет собой установку замкнутого цикла, в которой охлаждающая текучая среда циркулирует через основную холодильную установку и обмотки ротора и катушки. Охлаждающая текучая среда находится под высоким давлением и имеет температуру, равную или близкую к температуре окружающей среды, например 300К, когда она выходит из компрессора для рециркуляции и проходит через входной трубопровод 62 между компрессором и противоточным теплообменником 64. Через возвратный трубопровод 66 проходит использованная охлаждающая текучая среда, возвращаемая из ВТС синхронной генераторной машины 10 в компрессор 58 для рециркуляции. Использованная охлаждающая текучая среда в возвратном трубопроводе проходит через теплообменник, будучи все еще относительно холодной и не нагретой до температуры окружающей среды, посредством повышения давления, которое производится в компрессоре для рециркуляции. Холодная использованная охлаждающая текучая среда используется для охлаждения охлаждающей текучей среды, выходящей из компрессора. В теплообменнике передается тепло охлаждающей текучей среды, выходящей из компрессора, к использованной охлаждающей текучей среде в возвратном трубопроводе. Таким образом, охлаждающая текучая среда во входном трубопроводе 62 выходит из теплообменника при температуре, существенно более низкой, чем температура окружающей среды.
Охлаждающая текучая среда во входном трубопроводе проходит из теплообменника в змеевик 68 соединения для передачи охлаждения с блоком 56 с холодной головкой. Охлаждающей текучей средой, циркулирующей в основной холодильной установке, может быть газообразный или жидкий азот, газообразный или жидкий неон или газообразный или жидкий водород. Охлаждающая текучая среда может быть жидкостью у выходного отверстия блока с холодной головкой и может возвращаться из ротора как газ. Блок с холодной головкой охлаждает охлаждающую текучую среду во входном трубопроводе до криогенных температур, например до 30К или ниже. Криогенная охлаждающая текучая среда подается в ВТС генератор при входной температуре (Твх) для охлаждения ВТС обмотки ротора. Возвращаемый газ из ротора выходит при температуре (Твых) и проходит через противоточный теплообменник 64 для того, чтобы возвратиться в компрессор 58 для рециркуляции.
Охлаждающая текучая среда входит в ротор 14 как жидкость и может испаряться, когда она проходит через охлаждающие каналы 38 ВТС катушки обмотки возбуждения 34 в форме рейс-трека ротора. Испарение охлаждающей текучей среды в каналах 38 охлаждает СП катушки и обеспечивает работу катушек в условиях сверхпроводимости. Испарившаяся охлаждающая текучая среда проходит в виде холодного газа из ВТС ротора через возвратный трубопровод 66. Возвратный трубопровод имеет такой размер, чтобы указанный охлаждающий газ проходил из ротора в компрессор для рециркуляции.
Блок 56 с холодной головкой может представлять собой криогенную холодильную машину, может быть одноступенчатым криогенным охладителем Гиффорда-МакМагона или пульсационной трубой с отдельным или выполненным как единое целое компрессором криогенного охладителя с блоком конденсатора для повторного ожижения, присоединенным к одной ступени. Один или множество блоков криогенных холодильных машин с холодной головкой (только один из которых показан на фиг.3) могут быть использованы для охлаждения охлаждающей текучей среды до криогенных температур у входа (Твх) в охлаждающие каналы в ротор 14 и его ВТС катушку обмотки возбуждения 34 в форме рейс-трека.
Холодильная камера 72 может окружать и изолировать теплообменник, блок с холодной головкой, и входной трубопровод в ротор и возвратный трубопровод из него. Холодильная камера изолирует при помощи вакуума криогенные компоненты основной холодильной установки и сводит к минимуму передачу тепла в холодильную установку. Холодильная камера может включать снабженные вакуумной рубашкой трубопроводы охлаждающей текучей среды и изолированные компоненты в теплообменнике и холодной головке. Холодильная камера проходит в соединение 26 холодильной установки с ротором для гарантии того, чтобы тепло без необходимости не передавалось в холодильную установку, и для поддержания криогенных температур охлаждающей текучей среды.
Входной и возвратный трубопроводы основной холодильной установки соединены с соединением 26 для подачи охлаждающей среды в ротор 14. В соединении для подачи и роторе охлаждающая текучая среда проходит через охлаждающие каналы с вакуумной рубашкой в вал 24 на конце и через охлаждающие каналы 38 вокруг СП катушек 36. Охлаждающая текучая среда поддерживает СП катушку 36 в роторе при криогенных температурах путем испарительного охлаждения и обеспечивает работу катушек в условиях сверхпроводимости.
Использованная охлаждающая текучая среда, обычно в форме холодного газа, выходит из охлаждающего канала 38 катушки, проходит через каналы с вакуумной рубашкой в вал на конце и через соединение 26 для охлаждающей среды, чтобы выйти из ротора 14. Возвратный подающий трубопровод 66 образует канал для возврата охлаждающей текучей среды из ротора через теплообменник 64 и в компрессор 58 для рециркуляции. Входной и возвратный трубопроводы в холодильной камере 72 снабжены вакуумной рубашкой и плотно изолированы. Вакуумная изоляция входного и возвратного трубопроводов и холодильной камеры сводит к минимуму потери тепла в охлаждающей текучей среде, когда она циркулирует между основной холодильной установкой и ротором. Нет необходимости вакуумировать рубашку трубопроводов между холодильной камерой и компрессором для рециркуляции. Клапан 76 потока регулирует поток охлаждающей текучей среды в основной холодильной установке 52.
Циркуляционная основная холодильная установка 52 обеспечивает стабильную подачу охлаждающей текучей среды в ВТС ротор. Более того, циркуляционная основная холодильная установка является экономичной по конструкции и в эксплуатации, так как она не требует дорогих резервных холодильных установок. Общая надежность холодильной установки повышается за счет временной холодильной установки, которая продолжает выполнять функции охлаждения, даже если блок с холодной головкой основной холодильной установки выходит из строя. Надежность и экономичность холодильной установки облегчают разработку экономически конкурентоспособной синхронной машины с ВТС ротором.
Временная холодильная установка 54 не работает в то время, когда основная холодильная установка полностью включена в работу и, конкретно, когда работает блок 56 с холодной головкой. Временная холодильная установка не охлаждает охлаждающую текучую среду, циркулирующую через основную холодильную установку, и она изолирована от основной установки клапаном 78 потока между криогенным резервуаром 74 для хранения и теплообменником 82, которые соединяют по теплу временную холодильную установку 54 с охлаждающей текучей средой в основной установке 52. Криогенный резервуар для хранения представляет собой обычный предназначенный для длительного хранения изолированный резервуар для хранения криогенных текучих сред.
Временная холодильная установка 54 включает резервуар 74 для хранения криогенной охлаждающей текучей среды 70 («временная охлаждающая текучая среда»), трубопроводы 80 для текучей среды, проходящие из резервуара для хранения во второй теплообменник 82, соединенный по теплу со входным трубопроводом 62 основной установки. Охлаждающая текучая среда в резервуаре для хранения отделена от рециркулирующей текучей среды в основной установке и не смешивается с ней. Временная охлаждающая текучая среда хранится в резервуаре до тех пор, пока временная холодильная установка не приводится в действие в ответ на выход из строя основной установки (например, блока с холодной головкой).
В продолжение нормальной работы основной холодильной установки, криогенная текучая среда остается неиспользованной и при криогенных температурах в резервуаре для временного хранения. Если ВТС ротор нужно охладить до 80К, в соединении 26 с ротором (Твх), тогда может быть использован жидкий азот в качестве временной криогенной текучей среды во временной холодильной установке открытого цикла. Жидкий неон может быть использован в качестве криогенной текучей среды во временном резервуаре для хранения, если ВТС ротор нужно охладить до примерно 30К при Твх, и жидкий водород или гелий могут быть использованы в качестве криогенной текучей среды, если ротор нужно охладить до примерно 20К при Твх.
После включения временная охлаждающая текучая среда течет (сливается) из резервуара 74 через трубопроводы 80 и в по меньшей мере один теплообменник 82, в котором временная охлаждающая текучая среда охлаждает до криогенных температур охлаждающую текучую среду в основной установке. Временная охлаждающая текучая среда может также проходить через теплообменник 64 в основной установке для охлаждения циркулирующей охлаждающей текучей среды, когда она выходит из компрессора для рециркуляции в основной установке. При этом теплообменники 64 и 82 представляют собой примеры соединений для охлаждения. После прохода через один или более теплообменников временная охлаждающая текучая среда выпускается через отвод 84 из временной холодильной установки. Достаточное количество временной охлаждающей текучей среды имеется в резервуаре для хранения временной холодильной установки для работы в течение нескольких часов в режиме открытого цикла. После работы в режиме открытого цикла дополнительная временная охлаждающая текучая среда может быть добавлена в резервуар для хранения для того, чтобы пополнить текучую среду, использованную и выпущенную в продолжение работы временной установки.
Временная холодильная установка включается (путем открытия изолирующего клапана 78 потока), когда блок с холодной головкой основной холодильной установки выходит из строя, или выключается по другой причине, или в продолжение начального охлаждения ротора, когда потребность в охлаждении высока, или когда какие-либо другие экстраординарные обстоятельства возникают в основной холодильной установке, так что охлаждающая текучая среда во входном трубопроводе 62 ротора становится перегретой и не может достаточно охлаждать ВТС катушку обмотки возбуждения 34 в форме рейс-трека в роторе 14. Изолирующий клапан 78 потока может регулироваться вручную или может открываться автоматически компьютеризованной системой регулирования для машины или холодильной установки.
Временная холодильная установка 54 работает в режиме открытого цикла. При работе криогенная текучая среда проходит из временного резервуара для хранения через криогенный трубопровод 80, через открытый клапан 78, и проходит через теплообменник 82, который соединяет по теплу временную холодильную установку с циркулирующей охлаждающей текучей средой в основной холодильной установке. Временный охлаждающий теплообменник 82 изолирован в продолжение нормальной работы, за исключением начального охлаждения и в продолжение отключения охлаждающих компонентов, например, при выходе из строя блока с холодной головкой. Когда криогенная текучая среда проходит в одном направлении через противоточный теплообменник, она охлаждает входной трубопровод 62 основной холодильной установки и таким образом передает тепло от рециркулирующей охлаждающей текучей среды к криогенной текучей среде во временной холодильной установке.
Отвод 84 выпускает нагретую криогенную среду в атмосферу или другую окружающую среду, куда нагретая криогенная текучая среда (например, газообразный водород или гелий) может быть безопасно выпущена. Выпущенная криогенная жидкость пополняется путем повторного заполнения резервуара для хранения после того, как основная холодильная установка, например блок с холодной головкой, возвращается в нормальную работу. Криогенная текучая среда, путем прохода через временный теплообменник и основной противоточный теплообменник, поддерживает криогенную рабочую температуру циркулирующей охлаждающей текучей среды в основной холодильной установке, когда охлаждающая текучая среда проходит в машину.
Временный криогенный резервуар 74 для хранения имеет достаточную емкость для хранения, чтобы дать возможность охладить циркулирующую охлаждающую текучую среду до криогенных температур, в то время как блок 56 с холодной головкой отключается для технического обслуживания или замены. Например, резервуар для хранения может содержать достаточное количество криогенной текучей среды, например 100 литров, для охлаждения охлаждающей текучей среды на период в несколько часов, например от 5 до 10 часов, при нормальной работе ВТС синхронной генераторной машины 10.
Временная холодильная установка представляет собой надежную, простую и недорогую временную холодильную установку. В холодильной установке требуются резервные блоки с холодной головкой и другие дорогие резервные блоки. Холодопроизводительность сверх нормальной не требуется для ее надежности, потому что временная холодильная установка 54 открытого цикла имеет достаточную холодопроизводительность для того, чтобы дать возможность отключать блок с холодной головкой для технического обслуживания или замены без воздействия на работу ротора. Соответственно, криогенная холодильная установка 50 с рециркуляцией газа (основная холодильная установка 52 и временная установка 54) имеет высокую холодильную работоспособность с дешевыми, не резервируемыми компонентами.
На фиг.4 показана схема второго конструктивного исполнения криогенной холодильной установки 86. Компоненты криогенной холодильной установки 86, которые являются общими с первой криогенной холодильной установкой 50 с рециркуляцией газа, идентифицированы одними и теми же номерами ссылок на фиг.3 и 4. В частности, временная холодильная установка 54 во втором конструктивном исполнении в основном является такой же, как временная холодильная установка 54 в первом конструктивном исполнении холодильной установки.
Основная холодильная установка 88, показанная на фиг.4, дополнительно включает эжектор 90, который нагнетает использованную охлаждающую текучую среду из возвратного трубопровода 66 во входной трубопровод 62. Охлаждающая текучая среда, которая повторно входит во входной трубопровод из возвратного трубопровода через эжектор, обходит компрессор 58 для рециркуляции и теплообменник 64. Таким образом, нагрузка текучей среды на компрессор и теплообменник уменьшается при использовании эжектора. Эжектор 90 дает возможность использовать меньшие теплообменник и компрессор в основной холодильной установке 88, чем необходимо в основной холодильной установке 52, которая не имеет эжектора.
На фиг.5 показана подробная схема эжектора 90, который представляет собой в основном стационарный насос для охлаждающей текучей среды. Эжектор включает первое сходящееся-расходящееся сопло 92, зону диффузора 94 и второе сходящееся-расходящееся сопло 96. Входное отверстие 98 в первое сопло соединено со входным трубопроводом 62 и принимает поток охлаждающей текучей среды под высоким давлением из теплообменника 64. Когда поток под высоким давлением проходит через первое сопло 92, его скорость существенно увеличивается, когда он выпускается в виде струи из выходного отверстия 100 сопла и входит в диффузор 94 под относительно низким статическом давлением. Это низкое давление в диффузоре втягивает использованную охлаждающую текучую среду в диффузор 94 из возвратного трубопровода 66 через входное отверстие 102. Входное отверстие 102 может находиться на одной оси с осью диффузора.
Использованная охлаждающая текучая среда, которая входит в отверстие 102, уносится в диффузор 94 со струей охлаждающей текучей среды из первого сопла. Оба потока охлаждающей текучей среды образуют смешанный поток охлаждающей текучей среды, который проходит через второе сходящеееся-расходящееся сопло 96, имеющее относительно большой диаметр выходного отверстия 104. Второе сопло замедляет струйный поток из первого сопла (который теперь включает возвращаемую текучую среду) и увеличивает давление (до давления, большего, чем давление в диффузоре и возвратном трубопроводе) потока, когда он повторно входит во входной трубопровод 62 у выходного отверстия 104 эжектора. Давление охладителя во входном трубопроводе 62 ниже по потоку, чем диффузор, достаточно для перемещения охладителя через блок с холодной головкой, ротор, СП обмотки катушки и возвратный трубопровод.
Относительно небольшой объем, высокое давление потока охлаждающей текучей среды из компрессора для рециркуляции могут быть использованы для того, чтобы заставить эжектор нагнетать больший объем текучей среды из возвратного трубопровода во входной трубопровод. Во входном трубопроводе поток под высоким давлением из теплообменника 64 входит в первое сходящееся-расходящееся сопло 92. У выходного отверстия 100 сопла и в диффузоре 94 давление текучей среды в потоке является низким, и ее скорость высока. Низкое давление в диффузоре приводит к тому, что использованная охлаждающая текучая среда проходит в эжектор из возвратного трубопровода через входное отверстие 102.
Количество движения текучей среды в эжекторе сохраняется (за исключением потерь в связи с трением), когда охлаждающая текучая среда проходит через эжектор. Высокое давление потока охладителя во входном трубопроводе превращается в высокую скорость потока в первом сопле. Количество движения этого потока вдоль оси эжектора (х-ось) сохраняется. Поток охлаждающей текучей среды в возвратном трубопроводе, входящий в диффузор, сливается с потоком с высокой скоростью, выходящим из первого сопла. Общее количество движения двух потоков представляет собой по существу сумму количеств движения каждого из двух потоков вдоль оси эжектора. Это общее количество движения направляет поток после слияния через второе сопло 96, которое имеет большой диаметр выходного отверстия 104, для того, чтобы превратить скорость потока в давление. Давление выходящего потока движет охлаждающую текучую среду во входной трубопровод ниже по потоку, чем эжектор, через змеевик, ротор и возвратный трубопровод.
Поток через первое сопло 92 представляет собой обычно часть потока, который нагнетается через эжектор, и смешанного потока, выходящего из эжектора. Высокое давление потока, проходящего во входной трубопровод 62 из теплообменника, создает достаточное количество движения в относительно небольшом объеме потока, чтобы увлечь большую часть охлаждающей текучей среды из возвратного трубопровода 66 и направить смешанный поток охлаждающей текучей среды из эжектора через остальную часть основной холодильной установки 88.
Поскольку относительно небольшой поток охлаждающей текучей среды необходим у первого сопла, поток охлаждающей текучей среды через компрессор для рециркуляции и теплообменник представляет собой только часть потока охлаждающей текучей среды, циркулирующего через ВТС ротор. В результате размер теплообменника значительно уменьшается и его эффективность не является столь решающей для эффективности всей основной холодильной установки. Аналогично, компрессор для рециркуляции может быть небольшим и требовать меньше мощности, чем требует компрессор в основной установке без эжектора. Таким образом, одним преимуществом использования эжектора в основной установке является значительное уменьшение размера и стоимости теплообменника и компрессора и более высокая эффективность установки в связи с уменьшением потерь в теплообменнике и требуемой мощности компрессора.
Несмотря на то, что изобретение было описано в связи с тем, что в настоящее время считается наиболее практичным и предпочтительным конструктивным исполнением, необходимо понять, что изобретение не должно быть ограничено описанным конструктивным исполнением, но, напротив, оно предназначено для того, чтобы охватить все конструктивные исполнения в пределах сущности прилагаемых пунктов формулы изобретения.
1. Холодильная установка с текучей средой для подачи криогенной охлаждающей текучей среды в высокотемпературную сверхпроводящую синхронную генераторную машину, причем указанная установка включает основную холодильную установку (52, 88) и временную холодильную установку, при этом временная холодильная установка содержит устройство для хранения, содержащее первую криогенную текучую среду; по меньшей мере одно соединение для передачи охлаждения, которое соединено по потоку текучей среды с первой криогенной текучей средой из устройства для хранения и второй криогенной текучей средой, проходящей через основную холодильную установку, и временная холодильная установка имеет первый режим работы, в продолжение которого первая криогенная текучая среда не проходит через, по меньшей мере, одно соединение для передачи охлаждения, и второй режим работы, в продолжение которого первая криогенная текучая среда проходит через, по меньшей мере, одно соединение для передачи охлаждения, причем временная холодильная установка переключается из первого режима работы во второй режим работы, когда выходит из строя основная холодильная установка.
2. Холодильная установка с текучей средой по п.1, в которой временная холодильная установка дополнительно содержит криогенный трубопровод, образующий канал прохода для текучей среды для первой криогенной текучей среды из устройства для хранения в соединение для передачи охлаждения, и указанный трубопровод включает клапан, в котором первое положение клапана препятствует потоку первой криогенной текучей среды через трубопровод, и второе положение клапана открывает поток первой криогенной текучей среды через трубопровод.
3. Холодильная установка с текучей средой по п.1, в которой указанное, по меньшей мере, одно соединение для передачи охлаждения представляет собой, по меньшей мере, один теплообменник.
4. Холодильная установка с текучей средой по п.1, в которой предусмотрено два соединения для передачи охлаждения, представляющих собой первый теплообменник и второй теплообменник, причем второй теплообменник работает во втором режиме работы и не работает в первом режиме работы.
5. Холодильная установка с текучей средой по п.2, в которой временная холодильная установка дополнительно содержит отвод на выходе из указанного криогенного трубопровода.
6. Холодильная установка с текучей средой по п.1, в которой первая криогенная охлаждающая текучая среда выбирается из группы, состоящей из азота, водорода, неона и гелия.
7. Холодильная установка с текучей средой, соединенная с высокотемпературным сверхпроводящим ротором для высокотемпературной сверхпроводящей синхронной генераторной машины, причем указанная установка содержит основную холодильную установку, дополнительно содержащую компрессор для рециркуляции; входной трубопровод, образующий канал для текучей среды для прохода второй охлаждающей текучей среды от компрессора для рециркуляции в ротор, причем входной трубопровод проходит через блок с холодной головкой; временную холодильную установку, дополнительно содержащую резервуар для хранения для первой криогенной текучей среды; по меньшей мере, один теплообменник, соединенный по потоку текучей среды с резервуаром для хранения и входным трубопроводом; и клапан между резервуаром и, по меньшей мере, одним теплообменником, причем клапан имеет открытое положение, которое дает возможность первой криогенной текучей среде проходить от резервуара в, по меньшей мере, один теплообменник, и закрытое положение, изолирующее первую криогенную текучую среду от, по меньшей мере, одного теплообменника, причем открытое положение клапана выбирается, когда блок с холодной головкой не работает, и закрытое положение выбирается, когда блок с холодной головкой работает, чтобы охлаждать вторую криогенную текучую среду.
8. Холодильная установка с текучей средой по п.7, в которой основная холодильная установка дополнительно содержит возвратный трубопровод, образующий канал для текучей среды для прохода второй охлаждающей текучей среды между ротором и компрессором для рециркуляции.
9. Холодильная установка с текучей средой по п.7, в которой временная холодильная установка дополнительно содержит криогенный трубопровод, создающий канал для текучей среды для прохода первой криогенной текучей среды из устройства для хранения в, по меньшей мере, один теплообменник.
10. Холодильная установка с текучей средой по п.7, в которой предусмотрены первый теплообменник и второй теплообменник, причем второй теплообменник работает во втором режиме работы и не работает в первом режиме работы, а первый теплообменник работает как в первом, так и во втором режимах работы.
11. Холодильная установка с текучей средой по п.9, в которой временная холодильная установка дополнительно содержит отвод на выходе из криогенного трубопровода.
12. Холодильная установка с текучей средой по п.7, в которой первая криогенная охлаждающая текучая среда выбирается из группы, состоящей из азота, водорода, неона и гелия.
13. Способ охлаждения высокотемпературной сверхпроводящей синхронной генераторной машины, в котором используют основную холодильную установку и временную холодильную установку, содержащий стадии:
а. сохраняют первую криогенную охлаждающую текучую среду во временной холодильной установке;
b. осуществляют циркуляцию второй криогенной холодильной текучей среды между основной холодильной установкой и машиной для криогенного охлаждения сверхпроводящих компонентов машины;
с. охлаждают вторую криогенную охлаждающую среду посредством блока с холодной головкой в основной холодильной установке, и в то же время термически изолируют первую криогенную холодильную текучую среду от второй криогенной холодильной текучей среды;
d. создают возможность для первой криогенной охлаждающей текучей среды производить криогенное охлаждение второй охлаждающей текучей среды в то время, когда блок с холодной головкой не работает.
14. Способ по п.13, в котором производят непрерывную циркуляцию второй криогенной охлаждающей текучей среды во время работы машины.
15. Способ по п.13, дополнительно содержащий стадию выпуска первой криогенной охлаждающей текучей среды после охлаждения второй текучей среды.
16. Способ по п.13, в котором временная холодильная установка содержит резервуар для хранения и, по меньшей мере, один теплообменник и в котором первую криогенную охлаждающую текучую среду сохраняют в резервуаре и охлаждают вторую криогенную охлаждающую текучую среду, когда она проходит через, по меньшей мере, один теплообменник.
17. Способ по п.16, в котором обеспечивают первый теплообменник и второй теплообменник, причем второй теплообменник работает во время стадии (d) и не работает во время стадии (с) и первый теплообменник работает в стадиях (с) и (d).
18. Способ по п.13, в котором первая криогенная охлаждающая текучая среда выбирается из группы, состоящей из азота, водорода, неона и гелия.
