Способ и устройство для охлаждения сверхпроводящего кабеля

Авторы патента:

H01B12/16 - отличающиеся охлаждением

Владельцы патента RU 2491671:

Открытое акционерное общество Всероссийский научно-исследовательский, проектно-конструкторский и технологический институт кабельной промышленности (ВНИИ КП) (RU)

Изобретение относится к криогенной технике, а именно к организации охлаждения протяженных криогенных систем (КС), и может быть применено для охлаждения сверхпроводящей кабельной линии (КЛ). Устройство содержит протяженный криостат 1, систему криогенного обеспечения 2, буферные емкости 3. 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. Изобретение повышает эффективность, экономичность и надежность эксплуатации. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

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.

1. Способ охлаждения сверхпроводящего кабеля, по которому осуществляют перемещение охлажденного хладоносителя вдоль сверхпроводящего кабеля, отличающийся тем, что перемещение охлажденного хладоносителя осуществляют по одному каналу во взаимно противоположных направлениях с промежуточным накоплением части хладоносителя в буферных емкостях перед его обратным перемещением.

2. Устройство охлаждения сверхпроводящего кабеля, содержащее протяженный криостат с расположенным внутри него сверхпроводящим кабелем, систему криогенного обеспечения, отличающееся тем, что снабжено расположенными на концах протяженного криостата буферными накопительными емкостями и системой перекачивания хладоносителя во взаимно противоположных направлениях по одному каналу.

3. Устройство охлаждения сверхпроводящего кабеля по п.2, отличающееся тем, что протяженный криостат выполнен с распределенными по длине сверхпроводящего кабеля холодильными установками.

Изобретение относится к устройству для электрического токопроводящего соединения сверхпроводящего электрического кабеля с электрическим кабелем нормальной проводимости, находящимся при комнатной температуре, в соответствии с ограничительной частью пункта 1 формулы изобретения.

Сверхпроводящий провод типа "кабель в оболочке" (кабель-кондуит) // 2413319

Сверхпроводящая многофазная кабельная система, способ ее изготовления и ее применение // 2387036

Изобретение относится к сверхпроводящей многофазной кабельной системе с охлаждением текучей средой, содержащей: а) кабель с, по меньшей мере, тремя электрическими проводами, составляющими, по меньшей мере, две электрических фазы и нулевой или нейтральный провод, причем упомянутые электрические провода взаимно электрически изолированы друг от друга, и b) тепловую изоляцию, задающую центральную продольную ось и имеющую внутреннюю поверхность и окружающую кабель, причем упомянутая внутренняя поверхность упомянутой тепловой изоляции образует радиальный предел камеры охлаждения, предназначенной для удерживания охлаждающей текучей среды для охлаждения упомянутых электрических проводов.

Сверхпроводящий кабель // 2384908

Изобретение относится к сверхпроводящему кабелю, в котором обеспечивается охлаждение сверхпроводящего проводника с высокой эффективностью и обеспечивается достаточная эффективность изоляции, а также к способу контроля температуры хладагентов, используемых в кабеле.

Сверхпроводящая кабельная линия // 2361305

Сверхпроводящая кабельная линия // 2356118

Циркуляционная система охлаждения криогенного кабеля // 2352009

Изобретение относится к циркуляционной системе охлаждения криогенного кабеля, которая позволяет решить задачу уменьшения блока резервирования в размерах, при этом традиционный механизм регулировки или функция регулировки количества хладагента в блоке резервирования не требуется.

Способ эксплуатации сверхпроводящего кабеля и сверхпроводящая кабельная система // 2338281

Способ изготовления сверхпроводящего кабеля // 2327240

Изобретение относится к области электротехники, к сверхпроводящим кабелям с криогенной оболочкой, в частности к способу изготовления сверхпроводящего кабеля, состоящего из кабельного сердечника, содержащего, по меньшей мере, один удлиненный сверхпроводящий элемент, и охватывающей кабельный сердечник гибкой трубы, включающий в себя следующие этапы: а) непрерывную размотку кабельного сердечника с источника кабеля; б) непрерывную размотку металлической ленты с источника ленты; в) непрерывное формование металлической ленты вокруг кабельного сердечника в трубную заготовку, заварку продольного шва и последующее гофрирование заваренной трубы, причем внутренний диаметр гофрированной трубы больше наружного диаметра кабельного сердечника; г) намотку состоящего из кабельного сердечника и гофрированной трубы сверхпроводящего кабеля на кабельный барабан или укладку сверхпроводящего кабеля в, по меньшей мере, один виток; д) завершающее механическое соединение концов кабельного сердечника с концами гофрированной трубы в то время, как кабель находится на кабельном барабане или в виде, по меньшей мере, одного витка.

Сверхпроводящий кабель // 439874

Сверхпроводящая многофазная кабельная система, способ ее изготовления и ее применение // 2521461

Изобретение относится к сверхпроводящей многофазной кабельной системе постоянного или переменного тока для распределения электроэнергии с охлаждением текучей средой, содержащей a) кабель, содержащий по меньшей мере три электрических провода, составляющих по меньшей мере две электрические фазы и нулевой или нейтральный провод, причем упомянутые электрические провода взаимно электрически изолированы друг от друга, и b) тепловую изоляцию, задающую центральную продольную ось и имеющую внутреннюю поверхность и окружающую кабель, причем упомянутая внутренняя поверхность упомянутой тепловой изоляции образует радиальный предел камеры охлаждения, предназначенной для удерживания охлаждающей текучей среды для охлаждения упомянутых электрических проводов. Изобретение также относится к способу изготовления кабельной системы и к ее применению. В кабельной системе по изобретению электрические провода содержат сверхпроводящий материал, присутствующий в форме лент или проволок, скрученных вокруг нижележащего слоя с формированием сверхпроводящего слоя и расположенных в таком порядке и под такими углами скрутки, чтобы дать низкие электрические потери на переменном или переходном токах за счет оптимизации числа сверхпроводящих лент и распределения тока в сверхпроводящих слоях. 3 н. и 33 з.п. ф-лы, 11 ил.

Устройство, по меньшей мере, с одним сверхпроводящим кабелем // 2541503

Изобретение относится к устройству, по меньшей мере, с одним сверхпроводящим кабелем (4) и одним окружающим его первым криостатом (К1) для пропускания первого хладагента, который состоит из расположенных коаксиально и на расстоянии друг от друга двух металлических трубок (9, 10), между которыми заключена теплоизоляция. Первый криостат (К1) по всей своей длине содержит полость (HR), в которой расположен кабель (4) и по которой при эксплуатации устройства направляется первый хладагент. В качестве сверхпроводящего материала применяется диборид магния, а в качестве первого хладагента используется жидкий или газообразный хладагент, охлажденный до температуры 39 К или меньше. Вокруг первого криостата (К1) отформован коаксиально и на расстоянии от него второй криостат (К2) для проведения второго хладагента, который также состоит из расположенных коаксиально и на расстоянии друг от друга двух металлических трубок (13, 14), между которыми заключена тепловая изоляция (15), и по которому во время эксплуатации устройства пропускается сжиженный газ с температурой 112 К или меньше. В промежуточном пространстве (12) между первым криостатом (К1) и вторым криостатом (К2) расположена устойчивая к высокому напряжению изоляция (16), которая со всех сторон окружает наружную трубку (10) первого криостата (К1) и опирается на него и которая во время эксплуатации устройства омывается сжиженным газом, протекающим в промежуточном пространстве (12), и пропитывается им. Изобретение обеспечивает охлаждение кабеля до температуры 39 К или меньше с одновременной оптимизацией электрических свойств кабеля. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

Устройство, по меньшей мере, с одним сверхпроводящим кабелем // 2545027

Устройство, по меньшей мере, с одним сверхпроводящим кабелем и окружающим его криостатом с возможностью соединения со стационарными деталями линии передачи электрической энергии, который содержит, по меньшей мере, одну теплоизолированную трубку, окружающую сверхпроводящий кабель и полость для пропускания хладагента, при этом на каждом из концов криостата (KR), выполненных для соединения со стационарными деталями линии передачи, установлены на расстоянии друг от друга два сильфона (6, 7) и между двумя сильфонами каждого из двух концов криостата (KR) помещен относящийся к нему, теплоизолированный патрубок изогнутой формы (8). Изобретение обеспечивает минимальное воздействие на длину криостата благодаря равномерной механической нагрузке изогнутым патрубком сильфонов. 3 з.п. ф-лы, 4 ил.

Устройство с тремя сверхпроводящими фазными проводами // 2552633

Изобретение относится к устройству с тремя сверхпроводящими фазными проводами, которые расположены, по меньшей мере, в одном пропускающем хладагент криостате, состоящем, по меньшей мере, из одной имеющей теплоизоляцию трубки, и которое выполнено из сверхпроводящего провода, а также диэлектрика и окружающего его электропроводящего экрана. Экраны (S1, S2, S3) каждого из трех фазных проводов (1, 2, 3) для образования трех- или целочисленных кратных трем расположенных друг за другом в их продольном направлении участков (А1, А2, А3) с частичными экранами - первого, второго и третьего участка, полностью разъединены в двух или соответственно двух, расположенных на расстоянии друг от друга, местах. Частичный экран первого участка каждого фазного провода электропроводно последовательно соединен с частичными экранами второго и затем третьего участка обоих других фазных проводов, причем экраны (S1, S2, S3) трех фазных проводов (1, 2, 3) состоят из нормально проводящего материала, в частности из меди. Изобретение обеспечивает упрощение конструкции и снижение потерь при передаче на фазные провода. 2 з.п. ф-лы, 5 ил.

Устройство по меньшей мере с одним сверхпроводящим кабелем // 2562618

Изобретение относится к устройству по меньшей мере с одним сверхпроводящим кабелем (4) и с окружающим его первым криостатом (K1) для прохождения первого охлаждающего вещества, который состоит по меньшей мере из одной теплоизолированной трубы (10) и который на протяжении всей своей длины охватывает пустое пространство, в котором расположен кабель. В качестве сверхпроводящего материала применен диборид магния, а в качестве первого охлаждающего вещества используется жидкое или газообразное охлаждающее вещество, охлажденное до температуры 39 K или менее. Вокруг первого криостата (K1) соосно и на расстоянии от него сформирован второй криостат (K2) для прохождения второго охлаждающего вещества, который состоит из двух соосных и расположенных на расстоянии друг от друга труб (12, 13), заключающих между собой теплоизоляцию (14), и через который во время работы устройства проводится сжиженный газ с температурой от 112 K или менее. Изобретение обеспечивает достижение сверхпроводящего состояния материалов до температуры 39 К или ниже. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

Способ электрически проводящего соединения двух сверхпроводящих кабелей // 2575919

Изобретение относится к способу электрически проводящего соединения двух сверхпроводящих кабелей (7, 8), которые имеют каждый по меньшей мере два расположенных концентрично относительно друг друга и окруженных диэлектриком сверхпроводящих проводника (2, 4), а также установленный над наружным диэлектриком электрически активный экран. Проводники и экраны зачищают на концах обоих кабелей (7, 8) от окружающих слоев, соединяют друг с другом электрически с помощью проходящих поперек их ориентации электрических контактных элементов (10, 11, 12). Концы обоих кабелей (7, 8) располагают рядом друг с другом и параллельно друг другу так, что их свободные концы обращены в противоположных направлениях, а их проводники (2, 4, 9) лежат рядом друг с другом по меньшей мере приблизительно на одинаковой высоте. Оба кабеля (7, 8) закрепляют относительно друг друга. Экраны (6) обоих кабелей (7, 8) соединяют электрически с помощью отдельных контактных элементов (13, 14, 15), и оба обработанных таким образом конца кабелей при создании линии для передачи электрической энергии располагают совместно в корпусе (16) криостата. Изобретение уменьшает расходы при соединении. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

Сверхпроводящая система передачи энергии // 2580839

Изобретение относится к сверхпроводящей системе передачи электрической энергии. В термически изолированной двойной трубе предоставляется структура, в которой может быть предотвращено существенное смещение внутренней трубы относительно внешней трубы из-за термического сжатия. Структура включает в себя внутреннюю трубу 101, внутри которой установлен сверхпроводящий кабель, внешнюю трубу 103, внутри которой размещена внутренняя труба, причем внутренняя и внешняя трубы составляют термически изолированную двойную трубу, а элемент 104 поддержки внутренней трубы поддерживает внутреннюю трубу. Элемент 104 поддержки внутренней трубы прикреплен к внутренней и внешней трубам. Изобретение обеспечивает исключение возможного смещения внутренней трубы при термическом сжатии внешней трубы. 3 н. и 15 з.п. ф-лы, 8 ил.