Печать страницы

Компактные криогенные рефрижераторы средней мощности

В настоящее время все большее количество именитых производителей предлагает коммерчески доступные серийные холодильные машины, предназначенные для получения криогенного холода. Перспективы широкого внедрения сверхпроводимости в энергетику подстегивают рынок формировать новые предложения на стабильно развивающийся спрос. Традиционно сложившиеся предложения криогенных рефрижераторов замкнутого цикла для криогенных вакуумных насосов, медицинских ЯМР томографов и лабораторных криостатов, не могут перекрыть потребности всего спектра ВТСП устройств, таких как трансформаторы, двигатели, электрогенераторы, токоограничители, кабели для линий электропередач и т.п.

На рис.1 представлена область температур и холодильных мощностей, необходимых для успешного функционирования различных приложений. Стоит заметить, что в области холодопроизводительностей 1 - 15 кВт на уровне температур 20 - 100 К на сегодняшний день коммерческих предложений на рефрижераторы практически не существует. Хотя это именно та область, заполнение которой обеспечит серьезный фундамент для широкого внедрения различных сверхпроводящих устройств в энергетику. Сегодня, пожалуй, единственным рыночным предложением для этой области температур и холодопроизводительностей являются криогенные рефрижераторы голландской компании Stirling Cryogenics & Refrigeration. Описание и принцип действия криогенных машин этой компании подробно представлены в бюллетене «Сверхпроводники для электроэнергетики» (т. 5, № 1).

(Рис. 1. Область температур и холодильных мощностей в различных приложениях)

Одним из важнейших конкурентных параметров криогенной машины является не только ее минимальная температура, холодопроизводительность и КПД, но и время непрерывной работы машины до очередного планового технического обслуживания. Работы по созданию высоконадежных компактных криогенных рефрижераторов ведутся сегодня во многих странах, больших успехов в этой области достигли японские разработчики.

В 2006-2007 гг. ISTEC и Taiyo Nippon Sanso Corporation (Япония) разработали криогенную систему малой мощности на базе турбодетандера. Турбодетандерный агрегат работает по схеме замкнутого цикла. Рабочий газ, совершив работу над крыльчаткой, через теплообменный аппарат охлаждает контур с жидким азотом. Рабочим телом является неон, скорость вращения турбины достигает 100 000 оборотов в минуту. Циркуляция рабочего тела в контуре обеспечивается при помощи отдельного турбокомпрессора, дополнительный криогенный насос служит для поддержания циркуляции жидкого азота во втором контуре. Криогенная машина обеспечивает холодильную мощность (холодопроизводительность) 2-3 кВт при температуре 65-70 К. Энергопотребление созданной модели составляет порядка 57 кВт, что приблизительно в полтора раза превышает энергопотребление аналогичной по холодопроизводительности машины Стирлинга. Очевидно, что уменьшить энергопотребление можно совместив турбокомпрессор на одном валу с турбодетандером, что позволит более эффективно использовать затраченную работу.

На сегодняшний день типичные турбодетандерные агрегаты имеют холодопроизводительность порядка нескольких десятков киловатт и успешно используются для сжижения компонентов воздуха или газообразного гелия. Сложность изготовления машины малой мощности связана с технологической сложностью изготовления крыльчатки турбины малого размера и системы подвеса вала турбодетандера. Турбина - устройство, не требующее сервисного обслуживания, работа по схеме замкнутого цикла позволяет существенно упростить систему подготовки газа. Таким образом, криогенные машины на базе турбин претендуют на повышенную надежность.

(Рис. 2. Криогенная машина замкнутого цикла на базе турбодетандерного агрегата)

Chubu Electric Power Co., Inc. и Aisin Seiki Co., Ltd. разработали (2004-2008 гг.) двухступенчатую машину Стирлинга с рабочей температурой 20 К, холодопроизводительностью около 100 Вт и непрерывным временем работы до очередного сервисного обслуживания не менее 20 000 часов (более двух лет непрерывной работы). Для сравнения, время наработки до сервисного обслуживания криогенных рефрижераторов компании Stirling Cryogenics & Refrigeration составляет не более 6 000 часов. Столь продолжительного срока работы удалось достичь при помощи специального встроенного композитного фильтра, поглощающего паразитные газы, загрязняющие регенератор, что приводит к снижению холодопроизводительности машины и специально разработанного уплотнения, существенно увеличивающего ресурс работы поршневой группы.

(Рис. 3. Криогенная машина Стирлинга с увеличенным ресурсом непрерывной работы)

Maglev Systems Technology Division и Railway Technical Research Institute изготовили прототип криогенного рефрижератора (пульсационная труба) для тягового трансформатора 25 кВ холодопроизводительностью 1,2 кВт при 65 К. Трансформатор предназначен для использования на Shinkansen - линии высокоскоростного ж/д транспорта в Японии. Задача минимизации массы поезда связана с минимизацией массы трансформатора, являющегося одним из самых массивных частей электровоза. Перспективным направлением поиска решения этой задачи является использование сверхпроводящих обмоток, но при этом предъявляются серьезные требования по минимизации массогабаритных параметров и самой криогенной машины, охлаждающей обмотку.

(Рис. 4. Пульсационная труба с высокой холодопроизводительностью)

В заключение хочется сказать пару слов о российских разработках в области криогенных рефрижераторов средней мощности. На сегодняшний день есть два заслуживающих упоминания производителя, это Санкт-Петербургский завод "Арсенал" (Завод имени Фрунзе), изготавливающий серийно 1 кВт @ 80 К машину Стирлинга и Омский НТК "Криогенная техника", имеющий разработанную машину Стирлинга холодопроизводительностью в несколько сотен ватт на температурном уровне в 80 К. Стоит признать, что данная техника далека от совершенства и требует внимания, как инженеров, так и инвесторов, в роли главного, из которых хотелось бы видеть наше государство.

Информационный бюллетень
"Сверхпроводники для электроэнергетики"
Том 6 выпуск 1 февраль 2009г