Определение параметров рефрижераторных станций криогенных линий

В криогенных кабелях имеют место теплопритоки из внешней среды в холодную зону и тепловыделения за счет потерь мощности внутри самого кабеля. Для обеспечения температуры фаз на заданном рабочем уровне все тепло, возникающее в холодной зоне, следует постоянно отводить хладагентом. С этой целью поток хладагента должен постоянно циркулировать. По мере отвода тепла температура хладагента по длине кабеля повышается, а давление снижается, и на каком-то определенном расстоянии потребуется восстановление первоначальных свойств хладагента. Для поддержания параметров хладагента необходимы специальные рефрижераторные станции, размещаемые вдоль трассы криогенной линии.
Возможны различные схемы циркуляции хладагентов. Для криогенных кабелей наиболее предпочтительна замкнутая схема циркуляции, которая может использоваться в различных вариантах.
В одном из вариантов движение хладагента в прямом Я и обратном О каналах происходит без теплообмена между ними. Такую схему можно применять, например, при прокладке однофазных криогенных кабелей либо в трехфазном кабеле, но с разделением потоков хладагента достаточной теплоизоляцией. Недостаток этого варианта в случае применения его для сверхпроводящих кабелей заключается в снижении пропускной способности кабеля за счет перепада температур на участке между рефрижераторными станциями. Действительно, критический ток
Если, например, перепад температур АГ=6—4=2 К, а критическая температура Тк=9 К, то критические токи в начале и конце участка к1 = 0,55 с и /К2=0,33 с, т. е. снижение критического тока по длине участка кабеля составляет н1 —/«2=0,22 с, или 40%.
В другом варианте замкнутой схемы циркуляции предусматривается теплообмен между прямым и обратным потоками хладагента. При этом перепад температур по длине кабеля уменьшается.
Важным является вопрос обеспечения надежности работы рефрижераторных станций. Здесь также возможны различные пути их резервирования. Один путь заключается в установке резервных рефрижераторов на каждой станции. В другом случае Я резервирование осуществляется путем такого выбора повышенных мощностей рефрижераторов, чтобы они обеспечивали нормальную работу линии при отключении одной из трех смежных рефрижераторных станций. При этом в нормальном режиме вентили / и 2 открыты, а вентили 3 закрыты (см. рис. 11.15). Если, например, рефрижератор Рп отключается, то вентили / и 2 у него закрываются, а вентили 3 открываются и поток хладагента направляется от рефрижератора Рп—\ непосредственно к рефрижератору Рп и обратно.
При проектировании криогенной линии должны быть определены следующие параметры рефрижераторов и циркуляции хладагентов: число рефрижераторов, их хладопроизводительность и мощность, расстояние между рефрижераторными станциями, расходы хладагентов, скорости потоков хладагентов, температура и давление хладагентов в начале и конце участка кабеля.
Рассмотрим определение этих параметров при заданных геометрических размерах криогенного кабеля. При этом будем считать, что охлаждение кабеля осуществляется однофазным потоком хладагента, когда азот и водорбд находятся в жидком состоянии, а гелий может находиться в жидком или газообразном состоянии при сверхкритических параметрах. Однофазность потока хладагента уменьшает гидравлическое сопротивление канала и повышает электрическую прочность, если хладагент используется в качестве электроизоляции. Пределы изменения температуры и давления, обеспечивающие однофазное состояние хладагента, определяются из диаграммы состояния Т—5.
Параметры рефрижераторов и хладагента определим на основе уравнения теплового баланса для данной холодной зоны криогенного кабеля:
где G— расход хладагента; At — разность энтальпий потока хладагента в начале и конце участка кабеля; Ар.АГ— перепад давлений и температур на участке кабеля; q — тепловыделения в зоне низких температур на единице длины кабеля; / — расстояние между рефрижераторными станциями.
Правая часть этого уравнения характеризует все тепловыделения в кабеле, левая — потенциальные возможности хладагента.
В общем случае при различных сечениях прямого и обратного каналов Sj и s2 расход хладагента для поддержания рабочих температур на участке кабеля
где р — плотность хладагента; v\, v2— скорости хладагента в прямом и обратном каналах.
При замкнутой схеме циркуляции G\ = G2.
Из выражения (11.15) определим расстояние между рефрижераторами:
Определение параметров циркуляции хладагента можно произвести по следующему алгоритму:
1)            задаются температурами в начале и в конце прямого канала. и температурами Т2 = Тг и Т'2 = Т\ в начале и в конце обратного канала, исходя из требований к сверхпроводнику или гиперпроводнику по условию пропускной способности и потерь мощности;
2)            задаются разностью энтальпий A1 для прямого и обратного каналов;
3)            задаются скоростью щ хладагента в прямом канале и по формуле (11.16) определяют скорость в обратном канале;
4)            по формуле (11.17) находят расстояние между рефрижераторами /;
5)            определяют падения давления Ap1 и Л/?2 в прямом и обратном каналах, соответствующие расстоянию / и скоростям V1 и 1>2, по формулам:
6)            задаются значением давления р1 в начале прямого канала таким образом, чтобы при температуре Т\ хладагент находился в заданной фазе, и по Т — S-диаграмме определяют энтальпию;
7)            определяют давление в конце прямого канала:
8)            по давлению р1 и температуре Т2определяют энтальпию и убеждаются, что хладагент находится в той же фазе;
9)            производят проверку справедливости условия — i = Ai. Если условие не выполняется, то задаются новым значением давления рх либо скорости vx и расчет повторяют. Если указанное условие выполнено, то задаются давлением в начале обратного канала с учетом соблюдения заданной фазы хладагента и определяют энтальпию /а;
10)         находят давление в конце обратного канала:
11)         по давлению р'2 и температуре Т' определяют энтальпию
|g, проверяют фазу хладагента и справедливость равенства
га — /q — А/. Если равенство соблюдается, то расчет заканчивается.
В противном случае расчет повторяется с п. 10 при новом значении давления рг. https://venta-realty.ru купить однокомнатную квартиру в районе Одинцово.
Практические расчеты показывают, что расстояние между рефрижераторами обычно получается от 10 до 100 км.
Следует заметить, что приведенная методика и алгоритм расчета являются приближенными. В них, в частности, не учитывается теплообмен между прямым и обратным каналами. Полагается, что все тепловыделения в кабеле распределяются для отвода поровну между прямым и обратным потоками хладагента. Допускается, что режим потока хладагента турбулентный, а в расчетные формулы подставляются приближенные коэффициенты сопротивления трению, определенные по формулам.
Холодопроизводительность рефрижератора, обслуживающего участок кабеля, определяется по формуле.
Мощность рефрижератора может быть выражена формулой стоимость рефрижератора
КР.Ф = с + <Й2™.
Здесь Qin—холодопроизводительность рефрижератора, кВт; а, с — постоянные части, не зависящие от холодопроизводительности; b, d — коэффициенты, характеризующие зависимость мощности и стоимости от холодопроизводительности; т, п — коэффициенты.
Приведем формулы для укрупненного анализа мощности и стоимости холодильно-газовых машин при различных уровнях охлаждения и холодопроизводительности установок.