Криогенная холодильная рефрижераторная установка для ротора, имеющего высокотемпературную сверхпроводящую обмотку возбуждения, (варианты) и способ ее работы
Изобретение относится к холодильной установке для синхронной машины, имеющей ротор с высокотемпературным сверхпроводящим компонентом. Холодильная установка с текучей средой для подачи криогенной охлаждающей текучей среды в устройство содержит компрессор для рециркуляции, резервуар для хранения, входной трубопровод, соединяющий компрессор для рециркуляции с резервуаром для хранения и с устройством, и образующий канал для прохода охлаждающей текучей среды из компрессора для рециркуляции через резервуар для хранения и в устройство, так что криогенная охлаждающая текучая среда остается отделенной от второй криогенной текучей среды, содержащейся в резервуаре для хранения. Резервуар для хранения обеспечивает охлаждение криогенной охлаждающей текучей среды, даже когда конденсатор для повторного ожижения пара в паровом пространстве резервуара для хранения не функционирует. Техническим результатом изобретения является надежность и экономичность холодильной установки. 3 н. и 16 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 в ротор криогенной текучей среды 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, и это повторное ожижение создает значительные проблемы с надежностью и требует значительную вспомогательную энергию. 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 в качестве охлаждающей текучей среды для ВТС ротора.
В высокотемпературных сверхпроводящих генераторах требуется высоконадежное, имеющее низкую стоимость криогенное холодильное оборудование, чтобы они были конкурентоспособными как промышленные товары. Резервные компоненты криогенных холодильных машин использовались в прошлом для достижения высокой надежности с существующим криогенным холодильным оборудованием. Недостаточная надежность этих компонентов и требование непрерывной подачи охлаждающей текучей среды в ВТС роторы создавали в прошлом необходимость включения резервных компонентов в криогенные холодильные установки для ВТС роторов.
Стоимость криогенных холодильных установок существенно повышается в связи с потребностью в резервных компонентах криогенных холодильных машин. Более того, существующие криогенные холодильные установки требуют частого технического обслуживания в связи с их недостаточной надежностью и требуемых резервных систем. Соответственно, эксплуатационные расходы на эти установки относительно высоки.
Типичное оборудование криогенных холодильных машин для диапазона температур 20-30° Кельвина 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 того, чтобы повысить производительность и надежность установки ценой повышения стоимости. В дополнение ко множеству 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 способствуют коммерческой нецелесообразности включения ВТС роторов в продаваемые на рынке синхронные машины. Соответственно, имеется существенная и ранее неудовлетворенная 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 ограничиваются 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.
Традиционные медные обмотки обычно используются в роторах синхронных электрических машин. Однако электрическое сопротивление медных обмоток (хотя и низкое по обычным меркам) достаточно для того, чтобы внести свой вклад в существенный нагрев ротора и уменьшить энергетическую эффективность машины. Недавно были разработаны сверхпроводящие (СП) катушки обмотки для роторов. СП обмотки в действительности не имеют сопротивления и являются очень выгодными катушками обмотки ротора.
Роторы с железным сердечником насыщают напряженность магнитного поля воздушного зазора приблизительно до 2 тесла. В известных сверхпроводящих роторах используются конструкции с воздушным сердечником, без железа в роторе для того, чтобы создать магнитные поля воздушного зазора 3 тесла или выше, что повышает плотность энергии электрической машины и в результате значительно понижает ее вес и размер. Сверхпроводящие роторы с воздушным сердечником, однако, требуют больших количеств сверхпроводящей проволоки, что увеличивает число требуемых катушек, сложность опор катушек и стоимость.
Холодильная установка с рециркуляцией криогенного газа была разработана для Высокотемпературного Сверхпроводящего (ВТС) ротора. Эта холодильная установка в основном содержит компрессор для рециркуляции, противоточный теплообменник и охлаждающий змеевиковый теплообменник внутри резервуара для хранения жидкого криогенного вещества. Охлаждающая текучая среда проходит из компрессора для рециркуляции через теплообменник и охлаждающий змеевик (где жидкость охлаждается до криогенных температур) и затем в ротор и его сверхпроводящую катушку. Использованная охлаждающая текучая среда возвращается из ротора через противоточный теплообменник (где тепло от сжатой охлаждающей текучей среды, проходящей в ротор, передается использованному газу) и обратно в компрессор для рециркуляции.
Жидкое криогенное вещество в резервуаре для хранения охлаждается конденсатором для повторного ожижения криогенной холодильной машины. Конденсатор для повторного ожижения криогенной холодильной машины может быть одноступенчатым криогенным охладителем Гиффорда - МакМагона (ГМ), пульсационной трубой с отдельным или выполненным как единое целое компрессором с блоком конденсатора для повторного ожижения, присоединенным к одноступенчатой или другой криогенной холодильной установке. Жидким криогенным веществом может быть азот, неон или водород. Аналогично, криогенным газом в системе рециркуляции может быть гелий, водород, неон или азот.
Холодильная установка обеспечивает постоянную подачу охлаждающей текучей среды в ВТС ротор. Более того, холодильная установка является экономичной по конструкции и в работе. Надежность и экономичность холодильной установки облегчает расширение коммерческой конкурентоспособности синхронной машины с ВТС ротором.
В первом конструктивном исполнении изобретение представляет собой холодильную установку с текучей средой для подачи криогенной охлаждающей текучей среды в машину с высокотемпературной сверхпроводимостью, содержащую компрессор для рециркуляции; резервуар для хранения, содержащий вторую криогенную текучую среду, причем резервуар для хранения выполнен с возможностью обеспечения охлаждения криогенной охлаждающей текучей среды, когда холодильный агрегат не функционирует; входной трубопровод, соединяющий компрессор для рециркуляции с резервуаром для хранения и с ротором, и образующий канал для прохода охлаждающей текучей среды из компрессоров для рециркуляции через резервуар для хранения и в машину.
В другом конструктивном исполнении изобретение представляет собой холодильную установку для текучей среды, соединенную с высокотемпературным сверхпроводящим ротором для синхронной машины, причем указанная установка и источник криогенной охлаждающей текучей среды содержат компрессор для рециркуляции; криогенный резервуар для хранения, в котором хранится запас криогенной текучей среды, причем резервуар для хранения выполнен с возможностью обеспечения охлаждения криогенной охлаждающей текучей среды, когда холодильный агрегат не функционирует; входной трубопровод, образующий канал для текучей среды для прохода охлаждающей текучей среды между компрессором для рециркуляции и ротором, причем входной трубопровод проходит через резервуар для хранения, и возвратный трубопровод, образующий канал для текучей среды для прохода охлаждающей текучей среды из ротора в компрессор для рециркуляции.
В дополнительном воплощении изобретение представляет собой способ охлаждения сверхпроводящей машины, в котором используют установку с охлаждающей текучей средой, имеющую контур охлаждающей текучей среды, криогенный резервуар для хранения, теплообменник и входной и возвратный трубопроводы для охлаждающей текучей среды, причем указанный способ содержит стадии:
а. прокачивают криогенную охлаждающую текучую среду через входной трубопровод, через теплообменник, резервуар для хранения и в устройство так, что охлаждающая текучая среда остается отделенной от текучей среды в резервуаре для хранения, причем резервуар для хранения выполнен с возможностью обеспечения охлаждения криогенной охлаждающей текучей среды, когда холодильный агрегат не функционирует;
b. осуществляют передачу тепла от охлаждающей текучей среды во входном трубопроводе в теплообменник и в возвратный трубопровод, причем входной и возвратный трубопроводы проходят через теплообменник;
с. охлажают охлаждающую текучую среду до криогенной температуры в резервуаре для хранения, и
d. возвращают использованную охлаждающую текучую среду из машины через возвратный трубопровод и обратно во входной трубопровод.
Прилагаемые чертежи вместе с текстом описания описывают 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 по второму конструктивному исполнению.
На фиг.1 показан пример ВТС синхронной генераторной машины 10, имеющей статор 12 и ротор 14. Ротор включает ВТС обмотки возбуждения 34 катушки, 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 №09/854,931; 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 обмотки возбуждения 34 катушки 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 обмотки возбуждения 34 катушки в форме рейс-трека. ВТС обмотки возбуждения 34 катушки 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 обмотку возбуждения 34 катушки. 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 для ВТС синхронной генераторной машины 10. Компрессор 52 для рециркуляции подает сжатый газ при температуре окружающей среды, т.е. 300К (Кельвина) в противоточный теплообменник 54 в холодильной камере 56. Компрессор 52 для рециркуляции может включать источник, например емкость для хранения охлаждающей текучей среды. Противоточный теплообменник охлаждает газ до криогенной температуры путем передачи тепла от сжатого газа к использованному охлаждающему газу, который возвращается из ротора 14 ВТС синхронной генераторной машины 10.
Холодный сжатый газ из теплообменника охлаждается далее путем прохода через охлаждающий змеевик 58 внутри резервуара 60 для хранения криогенного вещества. Криогенная жидкая охлаждающая текучая среда 76 в резервуаре понижает температуру охлаждающей текучей среды в змеевике 58 до криогенных температур, таких как ниже 30К. Охлажденный газ из змеевика 58 подается в ВТС синхронную генераторную машину 10 при входной температуре (Твх) для охлаждения ВТС намотки ротора.
Возвратный газ из генератора выходит при температуре (Твых) и проходит через противоточный теплообменник 54 для возврата в компрессор 52 для рециркуляции при температуре окружающей среды. Трубопровод 62 создает канал для прохода охлаждающей текучей среды из компрессора 52 для рециркуляции через холодильную камеру 56 и в генератор. Возвратный трубопровод 64 создает возвратный канал для газа из генератора через холодильную камеру и в компрессор для рециркуляции. Холодильная камера представляет собой изолированную часть установки 50, в которой поддерживаются криогенные температуры, например, путем использования изоляции с вакуумной рубашкой для труб входного и возвратного трубопроводов и изоляции вокруг резервуара для хранения и теплообменника. Холодильная камера может создавать вакуум вокруг охлаждающих компонентов в камере. Более того, холодильная камера простирается внутрь ротора, чтобы гарантировать, что охлаждающая текучая среда не адсорбирует тепло, в котором нет необходимости.
Охлаждающая текучая среда может поступать в ротор как газ или жидкость и может испаряться, когда она проходит вокруг СП катушек. Испарение охлаждающей текучей среды охлаждает СП катушки и обеспечивает работу катушек в условиях сверхпроводимости. Испарившаяся охлаждающая текучая среда проходит как холодный газ из ВТС ротора через возвратный трубопровод 64. Возвратный трубопровод имеет такой размер, чтобы через него проходил холодный охлаждающий газ из ротора в компрессор для рециркуляции.
В резервуаре 60 для хранения криогенного вещества содержится запас криогенной текучей среды в жидком состоянии, которая хранится при постоянной криогенной температуре при помощи конденсатора 66 для повторного ожижения криогенной холодильной машины, который расположен в паровом пространстве 68 резервуара для хранения. Криогенная жидкая текучая среда 76 используется только для охлаждения охлаждающей текучей среды, проходящей через змеевик 58 в резервуаре. Криогенная жидкая охлаждающая текучая среда 76 в резервуаре не смешивается с охлаждающей текучей средой, используемой для охлаждения ВТС обмоток возбуждения 34 катушки в роторе.
Конденсатор 66 для повторного ожижения криогенной холодильной машины может быть одноступенчатым криогенным охладителем Гиффорда - МакМагона или пульсационной трубой с отдельным или выполненным как единое целое компрессором 70 криогенного охладителя с блоком конденсатора для повторного ожижения, присоединенным к одной ступени. Один или множество блоков криогенных холодильных машин (только один из которых показан на фиг.3) могут быть использованы для повторного ожижения пара в паровом пространстве 68 в резервуаре для хранения, что требуется для того, чтобы отвечать требованиям к охлаждению газа, циркулирующего в охлаждающем змеевике 58 внутри жидкости.
Температура охлаждающего газа в системе циркуляции газа контролируется путем отбора криогенной жидкости в резервуаре для хранения. Криогенный охлаждающий газ во входном и возвратном трубопроводе системы рециркуляции (например, в компрессоре для повторной циркуляции, теплообменнике, змеевике и входном и возвратном трубопроводах) представляет собой в основном гелий, но он может представлять собой азот, неон или водород, если рабочая температура ВТС ротора не опускается ниже 77К, 27К или 20К соответственно. Если ВТС обмотки возбуждения 34 катушки в роторе ВТС синхронной генераторной машины 10 нужно охладить до Твх примерно 80К, то жидкий азот может быть использован в резервуаре для хранения для охлаждения охлаждающего змеевика. Жидкий неон в системе рециркуляции может быть использован для охлаждения катушек в ВТС роторе до примерно 30К, и жидкий водород может быть использован для охлаждения ротора до примерно 20К.
Криогенной текучей средой в резервуаре для хранения может быть жидкий неон, если катушки в ВТС роторе нужно охладить до примерно 30К, и жидкий водород, если катушки нужно охладить до примерно 20К. Температура в резервуаре для хранения регулируется посредством выравнивания давления в резервуаре, когда производительность блока конденсатора 66 для повторного ожижения соответствует требованиям к охлаждающему змеевику. Предохранительный клапан 72 предусмотрен для того, чтобы холодильная установка работала в режиме открытого цикла в случае, когда криогенная холодильная машина выключается. Режим открытого цикла используется для поддержания криогенной температуры криогенной жидкой охлаждающей текучей среды 76, если и когда блок конденсатора для повторного ожижения не может ее поддерживать, или в связи с аварией. В режиме открытого цикла давление пара в паровом пространстве 68 сводится к минимуму, например поддерживается давление на уровне окружающей среды для того, чтобы свести к минимуму давление в резервуаре и понизить температуру криогенной жидкой охлаждающей текучей среды 76.
Резервуар 60 для хранения криогенного вещества имеет достаточную емкость для хранения для того, чтобы дать возможность отключить конденсатор 66 для повторного ожижения криогенной холодильной машины для ремонта или замены без воздействия на работу ротора. В продолжение периодов отключения криогенной холодильной машины резервуар для хранения работает в открытом цикле, выпуская криогенный пар в окружающую атмосферу через предохранительный клапан. Потеря криогенной жидкости пополняется путем повторного заполнения резервуара для хранения после того, как криогенная холодильная машина вновь включается в работу. Резервуар для хранения обеспечивает охлаждение газа, охлаждающего ротор, даже когда конденсатор 66 для повторного ожижения криогенной холодильной машины не функционирует. Таким образом, предложенная ВТС холодильная установка обеспечивает высокую надежность при дешевых, не резервируемых компонентах.
Емкость резервуара 60 для хранения имеет такую величину, чтобы обеспечить достаточное количество криогенной жидкой охлаждающей текучей среды 76 для охлаждения охлаждающей текучей среды, проходящей через ротор в течение периода времени, когда конденсатор 66 для повторного ожижения выключается, например, на один день, причем в этом случае емкость типичного резервуара для хранения, требуемая для работы ВТС ротора при 30К, составляет примерно 100 литров жидкого неона.
Охлаждающая текучая среда проходит в замкнутом цикле в системе рециркуляции. Охлаждающая текучая среда из компрессора 52 для рециркуляции течет через входной трубопровод 62, который проходит через холодильную камеру 56 и соединяется с соединением 26 для подачи охлаждающей среды в ротор 14. В соединении для подачи и в 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 конвективного теплообмена или испарительного охлаждения и гарантирует 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. По возвратному подающему трубопроводу 64 возвращаемая охлаждающая текучая среда проходит из ротора в холодильную камеру 56 и затем в компрессор 52 для рециркуляции. Входной и подающий трубопроводы в холодильной камере 56 снабжены вакуумной рубашкой и таким образом плотно изолирована. Вакуумная изоляция подающих трубопроводов и холодильной камеры сводит к минимуму потери тепла в охлаждающей текучей среде, когда она проходит из резервуара в ротор и из ротора в резервуар. Нет необходимости вакуумировать рубашку для трубопроводов между холодильной камерой и компрессором для рециркуляции. Клапан 74 потока регулирует поток газа из компрессора для рециркуляции в холодильную камеру 56.
Конденсатор 66 для повторного ожижения не должен работать постоянно, если в резервуаре имеется запас жидкой охлаждающей текучей среды для ВТС ротора. Криогенная жидкая охлаждающая текучая среда 76 в резервуаре обеспечивает непрерывную работу холодильной установки для охлаждения охлаждающей текучей средой, которая циркулирует через ВТС ротор. Таким образом, может производиться техническое обслуживание конденсатора для повторного ожижения, в то время как ВТС генератор продолжает непрерывную работу. Конденсатор для повторного ожижения может временно отказать, при этом нет необходимости отключать ВТС ротор, в то время как конденсатор находится на ремонте. Когда ВТС ротор выключается для нормального обслуживания, резервуар можно обслуживать посредством блока обслуживания резервуара.
На фиг.4 изображена схема второго конструктивного исполнения криогенной холодильной установки 78. Компоненты второй холодильной установки 78, которые являются общими с первой холодильной установкой 50, идентифицированы одними и теми же номерами ссылок на фиг.3 и 4.
Холодильная установка 78, показанная на фиг.4, дополнительно включает эжектор 80, который нагнетает использованную охлаждающую текучую среду из возвратного трубопровода 64 во входной трубопровод 62. Охлаждающая текучая среда, которая повторно входит во входной трубопровод из возвратного трубопровода через эжектор, обходит компрессор 52 для рециркуляции и теплообменник 54. Таким образом, нагрузка текучей среды на компрессор и теплообменник уменьшается при использовании эжектора. Эжектор 80 дает возможность использовать меньшие теплообменник и компрессор, чем необходимо в противном случае.
На фиг.5 показана подробная схема эжектора 80, который представляет собой в основном стационарный насос для охлаждающей текучей среды. Эжектор включает первое сходящееся-расходящееся сопло 82, зону диффузора 84 и второе сходящееся-расходящееся сопло 86. Входное отверстие 92 в первое сопло соединено со входным трубопроводом 62 и принимает поток возвращаемой охлаждающей текучей среды из теплообменника 54. Когда поток под высоким давлением проходит через первое сопло, его скорость существенно увеличивается, когда он выпускается в виде струи из выходного отверстия 94 сопла и входит в диффузор 84 при относительно низком статическом давлении. Это низкое давление втягивает использованный охладитель в диффузор 84 из возвратного трубопровода 64 через входное отверстие 88. Входное отверстие 88 может находиться на одной оси с осью эжектора, так что возвращаемая охлаждающая текучая среда входит в эжектор вдоль оси.
Используемый охладитель уносится вместе со струей охладителя из первого сопла, и оба они образуют поток, который проходит через второе сходящеееся-расходящееся сопло 86, имеющее относительно большой диаметр выходного отверстия 90. Второе сопло замедляет струйный поток из первого сопла (который теперь включает возвращаемую текучую среду) и посредством этого увеличивает давление (до давления, большего, чем давление в диффузоре и возвратном трубопроводе) потока, когда он повторно входит во входной трубопровод 62 у выходного отверстия 90 эжектора. Давление охладителя во входном трубопроводе 62 ниже по потоку, чем диффузор, достаточно для перемещения охладителя через ротор, СП катушки обмотки 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 54 входит в сходящееся-расходящееся сопло у входного отверстия 92. У выхода из выходного отверстия 94 сопла и в диффузоре 84 давление текучей среды в потоке является низким, и его скорость высока. Низкое давление в диффузоре приводит к тому, что использованная охлаждающая текучая среда проходит в эжектор из возвратного трубопровода через входное отверстие 88.
Количество движения текучей среды сохраняется (за исключением потерь в связи с трением), когда охладитель проходит через эжектор. Высокое давление потока охладителя во входном трубопроводе превращается в высокую скорость потока в первом сопле 82. Количество движения этого потока вдоль оси эжектора (х-ось) сохраняется. Поток в возвратном трубопроводе охлаждающей текучей среды сливается с потоком с высокой скоростью в диффузоре. Общее количество движения двух потоков представляет собой по существу сумму количеств движения каждого из двух потоков вдоль оси эжектора. Это общее количество движения приводит поток после слияния через второе сопло 86, которое имеет большой диаметр выходного отверстия 90, 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 82 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 количества движения в относительно малом объеме потока, чтобы увлечь большую часть охлаждающей текучей среды в возвратный трубопровод и чтобы направить смешанный поток охлаждающей текучей среды из эжектора через остальную часть установки 78.
Поскольку относительно небольшой поток охлаждающей текучей среды необходим у входа в первое входное отверстие 92 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 криогенной холодильной машины. Аналогично, компрессор 52 для рециркуляции может быть небольшим и требовать меньше мощности, чем требует компрессор в установке 50 без эжектора. Таким образом, одним преимуществом использования эжектора в установке с криогенной холодильной машиной 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 (50, 78) с текучей средой для подачи криогенной охлаждающей текучей среды в устройство, содержащая
компрессор (52) для рециркуляции;
резервуар (60) для хранения, содержащий вторую криогенную жидкую охлаждающую текучую среду (76), причем резервуар для хранения выполнен с возможностью обеспечения охлаждения криогенной охлаждающей текучей среды, когда холодильный агрегат не функционирует; и входной трубопровод (62), соединяющий компрессор для рециркуляции с резервуаром для хранения и с устройством, и образующий канал для прохода охлаждающей текучей среды из компрессора для рециркуляции через резервуар для хранения и в устройство, так что криогенная охлаждающая текучая среда остается отделенной от второй криогенной текучей среды.
2. Холодильная установка с текучей средой по п.1, дополнительно содержащая теплообменник (54) и возвратный трубопровод (64), соединенный с указанным устройством, проходящий через теплообменник и соединенный с компрессором для рециркуляции, причем возвратный трубопровод представляет собой канал для прохода использованной охлаждающей текучей среды из устройства в компрессор, и входной трубопровод проходит через теплообменник перед проходом через резервуар для хранения.
3. Холодильная установка с текучей средой по п.2, в которой охлаждающая текучая среда во входном трубопроводе проходит через теплообменник в направлении, противоположном направлению потока охлаждающей текучей среды в возвратном трубопроводе.
4. Холодильная установка с текучей средой по п.1, в которой входной трубопровод включает змеевик (58) теплообменника в резервуаре для хранения.
5. Холодильная установка с текучей средой по п.1, в которой криогенная охлаждающая текучая среда выбирается из группы, состоящей из газообразного гелия, газообразного водорода, газообразного неона и газообразного азота.
6. Холодильная установка с текучей средой по п.2, в которой криогенная охлаждающая текучая среда представляет собой газ или жидкость во входном трубопроводе и пар в возвратном трубопроводе.
7. Холодильная установка с текучей средой по п.1, дополнительно содержащая конденсатор (66) для повторного ожижения, соединенный с резервуаром.
8. Холодильная установка с текучей средой по п.1, в которой конденсатор для повторного ожижения включает компрессор (70) криогенного охладителя.
9. Холодильная установка с текучей средой по п.1, в которой вторая криогенная охлаждающая текучая среда в резервуаре для хранения выбирается из группы, состоящей из жидкого водорода, жидкого неона или жидкого азота.
10. Холодильная установка с текучей средой по п.1, в которой указанный резервуар имеет предохранительный клапан (72).
11. Холодильная установка (50, 78) с текучей средой, соединенная с высокотемпературным сверхпроводящим ротором (14) для синхронной генераторной машины (10), причем указанная установка для подачи криогенной охлаждающей текучей среды содержит
компрессор (52) для рециркуляции;
криогенный резервуар (60) для хранения, в котором хранится запас второй криогенной жидкой охлаждающей текучей среды (76), причем резервуар для хранения выполнен с возможностью обеспечения охлаждения криогенной охлаждающей текучей среды, когда холодильный агрегат не функционирует;
входной трубопровод (62), образующий канал для текучей среды для прохода охлаждающей текучей среды между компрессором для рециркуляции и ротором, причем входной трубопровод проходит через резервуар для хранения, так что криогенная охлаждающая текучая среда остается отделенной от второй криогенной текучей среды; и
возвратный трубопровод (64), образующий канал для текучей среды для прохода охлаждающей текучей среды между ротором и компрессором для рециркуляции.
12. Холодильная установка с текучей средой по п.11, дополнительно содержащая конденсатор (66) для повторного ожижения криогенной холодильной машины, охлаждающую криогенную текучую среду в резервуаре для хранения.
13. Холодильная установка с текучей средой по п.12, в которой как входной трубопровод, так и возвратный трубопровод проходят через теплообменник (54).
14. Холодильная установка с текучей средой по п.11, в которой криогенная охлаждающая текучая среда выбирается из группы, состоящей из газообразного гелия, газообразного водорода, газообразного неона и газообразного азота.
15. Холодильная установка с текучей средой по п.11, в которой криогенная охлаждающая текучая среда представляет собой жидкость во входном трубопроводе и пар в возвратном трубопроводе ниже по потоку, чем резервуар для хранения.
16. Холодильная установка с текучей средой по п.11, в которой криогенная текучая среда в криогенном резервуаре для хранения выбирается из группы, состоящей из жидкого водорода, жидкого неона и жидкого азота.
17. Холодильная установка с текучей средой по п.11, в которой указанный резервуар имеет предохранительный клапан (72).
18. Способ охлаждения устройства, в котором используют холодильную установку (50, 78) с охлаждающей текучей средой, имеющую контур охлаждающей текучей среды, криогенный резервуар (60) для хранения, теплообменник (54) и входной и возвратный трубопроводы (62, 64) для охлаждающей текучей среды, причем указанный способ содержит стадии:
а. прокачивают криогенную охлаждающую текучую среду через входной трубопровод, через теплообменник, резервуар для хранения и в устройство, так что охлаждающая текучая среда остается отделенной от текучей среды в резервуаре для хранения, причем резервуар для хранения выполнен с возможностью обеспечения охлаждения криогенной охлаждающей текучей среды, когда холодильный агрегат не функционирует;
b. осуществляют передачу тепла от охлаждающей текучей среды во входном трубопроводе в теплообменник и в возвратный трубопровод, причем входной и возвратный трубопроводы проходят через теплообменник;
с. охлажают охлаждающую текучую среду до криогенной температуры в резервуаре для хранения, и
d. возвращают использованную охлаждающую текучую среду из устройства через возвратный трубопровод и обратно во входной трубопровод.
19. Способ охлаждения по п.18, в котором охлаждающую текучую среду прокачивают через змеевик в резервуаре для хранения, и резервуар для хранения находится ниже по потоку, чем теплообменник во входном трубопроводе.
