Криогенная установка

ации накам 3 ОБРЕТЕНИЯ Российской Федераци 2 (57) Использование: криоген проводниковая электротехник тения: установка содержит компрессор 1, вспомогатель основные теплообменники 3 . прямого потока криоагейта дроссель 13, потребитель хол ные на линии 15 обратного турные компрессоры 16 - 18 температурные компрессоры водящей электромашиной сверхпроводящими электром ками, охлаждаемыми криоаге(71) Всесоюзный научно-исследовательский институт гелиевой техники(73) Всесоюзный научно-исследовательский институт гелиевой техники(56) Авторское свидетельство СССР М 623073, кп. Г 253 1/00, 1974.Ускжин И,П. Установки, машины и аппараты криогенной техники. М Легкая и пищевая промышленность, 1982, с 16-58..6 Л Комитет Российской Фед по патентам и товарным 1 г) ОПИСАН к патентуная техника и сверх- а. Сущность изобревысокотемпературный ный теплообменник 2, - 8 для охлаждения детандеры 10 -2, ода 14 и установлен- потока низкотемпераДетандеры и низко- снабжены сверхпро- с бесконтактными агнитными подшипнинтом. 3 ил.Изобретение относится к криогенной технике и сверхпроводниковой электротехнике и может быть использовано в криогенных установках с криотурбомашинными агрегатами, а также в любых турбоагрегатах с криогенным охлаждением типа Сверхпроводниковых турбогенераторов, сверхпроводниковых электродвигателей и пр.Известны установки для получения холода, в которых сжатие рабочего газа, участву-. ющего в цикле охлаждения, осуществляется в компрессорах, установленных на температурном уровне окружающей среды.Недостатком таких установок и способов получения холода являются повышенные затраты энергии на сжатие рабочего криоагента.Известна криогенная установка и способ получения холода, в которой с целью повышения экономичности сжатие рабочего газа ведут как в компрессоре от температуры окружающей среды, так и на уровне температуры потребителя холода, где обратный поток, отходящий от потребителя, адиабатически сжимают до температуры, близкой.к температуре прямого потока пе- ред его адиабатическим расширением.Недостатком этой криогенной установки является то, что компенсируется только часть потерь, так как Сжатие ведется только на низкотемпературном уровне с очень малой степенью, сжатия, а сжатйе криоагента основного цикла ведется вкомпрессоре на уровне температуры окружающей среды.Цель изобретения - сокращение энергетических потерь на сжатие криоагента.Поставленная цель достигается тем, чтов криогенной установке, включающей замкнутый контур, образованный линиями прямого и обратного потоков, с размещенными в нем высокотемпературным компрессором, тремя детандерами, четырьмя теплообменниками и потребителем холода, дополнительно введены три низкотемпературных компрессора, последовательно расположенных в линии обратного потока, причем детандеры включены в линию прямого потока, а первая пара низкотемпературного компрессора и детандера размещена между потребителем холода и первым теплообменником, вторая пара - .между первым и вторым теплообменниками, третья пара - между вторым и третьим теплообменниками, линия всасывания вы- сокотемпературного компрессора соединена,с выходом четвертого теплообменника и выход второго детандера подключен к обратному потоку между вторыми компрессором и теплообмен ником, каждые низкотемпературный компрессор и детан- ь дер.снабжены сверхпроводящей электрома.виной с бесконтактными охлаждаемымикриоагентом сцерхпроводящими электромагнитными подшипниками, содержащимироторные и статорные втулки, по наружнымповерхностям последних уложены сверхпроводниковые кольца, а статорные втулкидополнительно имеют запиточные электрические обмотки."0 благодаря такому решению схемы криогенной установки снижаются затратыэнергии на сжатие криоагента, а такжепредставляется возможность создания но. вого типа турбомашин со сверхпроводящи 15 ми бесконтакгными электромагнитнымиподшипниками, обеспечивающими работоспособность криогенной установки,На фиг.1 представлена криогенная установка; на фиг,2 - низкотемпературный ком 20 прессор со сверхпроводящимэлектромагнитным подшипником; на фиг,З- Т - Я диаграмма способа получения холода:Криогенная установка содержит высокотемпературный компрессор 1, установ 25 ленныйна температурном уровнеокружающей среды, вспомогательный теп. лообменник 2 для предварительного охлаждения криоагента после сжатия, основныетеплообменники 3-8, служащие для после 30 довательного охлаждения сжатого прямогопотока 9 криоагента, детандеры 10-12,дроссель 13 для расширения криоагента ипотребитель холода 14, а также установленные на линии 15 обратного потока низко 35 температурные компрессоры; 16установленный на температурном уровнетретьего детандера 12 после потребителяхолода 14; 17 - установленный на темпера.турном уровне второго детандера 11; 18 -40 установленный на температурном уровнепервого детандера 10,Для обеспечения сжатия рабочего телана низкотемпературном уровне, когда необходимо учитывать теплофизические свойст-45 ва газа, в конструкции низкотемпературныхкомпрессоров предусмотрены сверхпроводниковые бесконтактные магнитные под.шипники, основанные на принципе"магнитной потенциальной ямы", которые50 не генерируют тепло, Низкотемпературныйкомпрессор (см. фиг.2) содержит корпус 19,в котором соосно размещено рабочее колесо 20, закрепленное консольно на валу 21,имеющем сверхпроводящие электромаг 55 нитные подшипники 22 и сверхпроводящийэлектродвигатель 23, По наружным поверхностям роторных 24 и статорных 25 втулокподшипников 22 уложены кольца 26 изсверхпроводника; На наружной поверхности статорных втулок 25 дополнительно закреплена запиточная электрическая обмот- водника (см. фиг,2), подают ток в запиточка 27, Причем сверхпроводящие обмотки ную обмотку 27 подшипника 22, где онаэлектроприводов и кольца сверхпроводя- индуцирует ток в короткозамкнутых сверхщих электромагнитных подшипников могутпроводниковых кольцах 26, в результате чебыть выполнены как из низкотемператур го в них возникает электромагнитное поле иных (НТСП), так и из высокотемпературных вал 21 "всплывает" (зависает) в "магнитной(ВТСП) сверхпроводников. потенциальной яме", при этом геометричеПопарно установленные на одном тем- ские оси вала 21 и статорной обмотки подпературном уровне компрессор и детандер шипника 22 совпадают. После этого подаютмогут быть выполнены как одна машина с 10 ток в электродвигатель 23 и начинается враконсольно расположенными рабочими ко- щение ротора компрессора (вала 21 с рабалесами на одном валу со сверхпроводящи- чим колесом 20), компрессор вступает вми электррмагнитными подшипниками. работу и сжимает газообразный криоагент.Криогенная установкаработаетследую- Запиачная обмотка 27 подшипника 22 тещим образом.:15 перь может быть отключена, а ток в ней иГазообразный криоагент сжимают в вы- магнитное поле в подшипнике оказываютсясокотемпературном компрессоре 1 при тем- "замороженйыми", т,е. не требуют подачипературе окружающей среды, после чего тока.тепло сжатия снимают во вспомогательномБлагодаряступенчатомусжатиюгазанатеплообменнике 2, например, водой, пря разных температурныхуровнях сокращаетмой поток 9 сжатого криоагента охлаждают ся количество энергии, затрачиваемой нав основных теплообменниках 3 - 8, а часть сжатие,засчетизменениявнутреннейэнерпотока отбирают и расширяют с промежу- гии газа при низкой и высокой температуточным охлаждением в двух детандерах 10 рах,и 11 и направляют в линию 15 обратного 25 Известно, что удельная затрата энергиипотока, а остальную часть прямого потока 9 на совершение процесса сжатия газа в низпосле охлаждения в теплообменниках 4-8 котемпературном компрессоре резко снирасширяют в парожидкостномдетандере 12 жается по мере снижения температурногоили дросселе 13 (в зависимости от режима уровня, на котором совершается процессработы), а образовавшуюся парожидкост сжатия, что подтверждается Т-Я-диаграмную смесь (или жидкость) подают потреби-мой(см. фиг,3) цикла, где показана площадьтелю 14 для охлаждения. Образовавшиеся А, на величйну которой сокращается работапары обратного потока 15 после потребите- сжатия. Так, при сжатии в компрессоре наля 14 сжимают в низкотемпературном ком- температурномуровне 77 К удельная работа, прессоре 16 при 4 - 7 К, пропускают через 35 сжатия сокращается в 3,6 раза по сравнепервый теплообменник 8 и снова сжимают нию с обычным сжатием при 300 К, а в слупри 20 - 30 К, смешивают с детандерным по- чае сжатия криоагента на температурйомтоком после детандера 11, нагретым в теп- уровне 4,5 К работа сжатия сокращается влообменниках 7 и 6, и после второго 100 раз.теплообменника 5 вновь сжимают при 70- 40 Предлагаемая криогенная установка80 К в низкотемпературном компрессоре позволит сократить энергопотребление на18, а затем после подогрева в третЬем теп- получение холода за счет сжатия при криолообменнике 4 и вспомогательном теплооб- генных температурах, дает возможностьменнике 3 подают основной компоновать низкотемпературный компвысокотемпературный компрессор 1. При 45 рессорнаодномвалусдетандером,испольрежиме ожижения и в случае необходимо- зуя его в качестве привода, кроме того,сти производится подпитка криоагента в работоспособность низкотемпературногокомпрессор 1, блока детандер-компрессор обеспечиваетНизкотемпературные компрессоры 16 - ся использованием энергетически выгод 18 перед началом работы захолаживаются 50 ных сверхпроводящих бесконтактныхкриоагентом, охлаждаемым в цикле эа счет электромагнитных подшипников.расширения в детандерах 10 и 11 идроссе- В предлагаемой криогенной установкеле 13 в период пуска установки. После ох- можнодостигнуть увеличения холодопроизлаждения сверхпроводящих обмоток водительности до 20, а также улучшить ееподшипника 22 до необходимой температу весогабаритные характеристики и надежры, определяемой материалом сверхпро- ность,17 М 777 формула изобретения рая пара - между первым и вторымКРИОГЕННАЯ УСТАНОВКА, включаю- теплообменниками, линия всасывания щая замкнутый контур, о разованныз нутый контур образованный высокотемпературного компрессора соен ями прямоо и обратного потоков динена с выходом четвертого теплообс размещенными в нем высокотемпера- ме"ника и выход второго детандера турным компрессором, тремя детандера-. подключен к обратному потоку между ми четырьмя теплообменнйками и по- вторым компрессором и теплообменнитребителем холода, отличающаяся тем, ком, каждыикомпрессор и детандер что, с целью сокращения энергетиче снабжен сверхпроводящей электромашиских потерь на сжатие криоагента, она ной с бесконтактными охлаждаемыми дополнительно содержит три ниэкотем- крйоагентом сверхпроводящими электропературных компрессора, последователь- магнитными подшипниками, содержащино расположенных в линии обратного ми РотоРные и статорные втулки, по потока, причем детандеры включены в 15 наружным поверхностям последних улолинию прямого потока, а первая пара жены" сверхпроводниковые кольца, а низкотемпературного компрессора и де- статорные втулки дополнительно имеют тандера размещена между потребителем запиточные электрические обмотки.холода и первым теплообменником, вто 2 О 1 У р оставитель А.Кузнецоехред М,Моргентал улакова кт ектог и Тираж Подписное НПО "Поиск" Роспатента313035, Москва, Ж, Раушская наб., 4/5 аказ 70 оизводственно-издательский комби атент", г. Ужгород; ул.Гагар нат "П 01