Специальные криогенные технологии

СВЕРХПРОВОДИМОСТЬ

ОПИСАНИЕ ПРОЦЕССА

Сверхпроводники являются материалами, которые полностью теряют электрическое сопротивление при охлаждении до очень низких температур. Еще в 1911 году были задокументированы исследования, которые рассказывают об этих явлениях. Критическая температура, ниже которой происходит эффект, лишь немного выше абсолютного нуля и требуется применение жидкого гелия для охлаждения (температура: -269 градусов по Цельсию).

Сверхпроводимость может генерировать чрезвычайно высокие мощные поля. Такие поля, например, используются в медицине, в научных исследованиях или в ядерном синтезе. Из-за дороговизны охлаждения с использованием гелия, возможность применения ограничена. Поставки гелия для этих технологий являются частью программы поставок ELME MESSER GAAS.

В 1986 году ученые Георг Беднорц и Александр Мюллер обнаружили материалы с критической температурой вблизи точки кипения жидкого азота (-196 градусов по Цельсию), и были удостоены Нобелевской премии по физике в 1987 году. Поскольку эти так называемые высокотемпературные сверхпроводники (HTSC) могут быть охлаждены жидким азотом, существует большой спектр применений сверхпроводимости, например, в ограничителях тока, электродвигателях и генераторах.

Новой технологией для этих материалов является передача электрической энергии через силовые кабели без потерь. Это большое преимущество, особенно в крупных городах и промышленных районах, так как прокладка обычного медного кабеля часто приводит к трудностям из-за требований большой площади. Кроме того, кабели HTSC не генерируют магнитные поля, что еще больше упрощает инсталляцию. Благодаря высокой пропускной способности, также появляется возможность для транспортировки большого количества энергии при более низком напряжении. Это позволяет сохранить подстанции и избежать электрических потерь в трансформаторах.

1. Емкость жидкого азота
2. Субкулер
3. Вакуумный насос
4. Азот
5. Сверхпроводник
6. Линия компенсации
7. Насос жидкого азота

Другими областями применения являются электропитание электролизеров в химической промышленности или производстве алюминия.

ПРИМЕНЕНИЕ ГАЗА

Высокотемпературные сверхпроводники можно охлаждать просто и энергоэффективно с применением жидкого азота. Ограничители тока, например, устанавливаются в вакуумно-изолированный криостат, который снабжается через контроль уровня небольшим количеством жидкого азота, чтобы компенсировать небольшие, но неизбежные потери холода.

Тем не менее, стоимость охлаждения силовых кабелей значительно больше. Здесь сверхохлажденный жидкий азот прокачивается через кабельный криостат для удаления поступающего тепла. Для этого жидкий азот должен быть охлажден до -206 градусов по Цельсию (на 10 градусов ниже точки кипения при атмосферном давлении).

РЕШЕНИЕ ОТ MESSER

Messer разработала систему охлаждения для охлаждения сверхпроводящих электро кабелей по следующей схеме:

Установка состоит в основном из субкулера, цепи охлаждения и емкости для жидкого азота. Внешняя часть субкулера оборудована клапаном расширения жидкого азота из контейнера для хранения. Здесь азот испаряется, создавая тем самым холод в субкулере.

Если азот поступает непосредственно в атмосферу с внешней стороны субкулера, он испаряется в точке кипения (-196 градусов по Цельсию). Однако такой температуры охлаждения недостаточно. Поэтому вакуумный насос подключается к субкулеру, так что азот испаряется в вакууме (при 150 мбар). Таким образом, температура испарения может быть снижена до -209 градусов по Цельсию. Дальнейшее понижение температуры невозможно, так как азот замерзает при температуре -210 градусов по Цельсию.

Внутри субохладителя находится теплообменник. Благодаря этому, жидкий азот прокачивается (действуя как хладагент), который тем самым охлаждается до температуры -206 градусов по Цельсию. Таким образом, охлаждение и трансмиссия холода осуществляются одним и тем же оборудованием.

Переохлажденный жидкий азот в теплообменнике протекает через кабель сверхпроводника, чтобы рассеивать поступившее тепло. Азот немного нагревается, но всегда остается жидким и не испаряется. Затем он возвращается к насосу, а после к субкулеру, где происходит переохлаждение до температуры охлаждения -206 градусов по Цельсию. Это создает замкнутый контур охлаждения, который соединен через линию компенсации с резервуаром жидкого азота, чтобы компенсировать колебания объема и давления.

Все компоненты системы охлаждения (кроме емкости для хранения) устанавливаются в раму из стальных профилей и полностью зашиваются, запитываются и изолируются. Для вакуумных насосов предусмотрена отдельная рама. Эти «направляющие» являются полностью функциональными агрегатами, которые полностью протестированы на заводе. В результате, монтажные работы на объекте невелики, а ввод в эксплуатацию выполняется быстро и эффективно.

Функциональный тест охлаждающего блока