«Разработка систем криогенного обеспечения для перспективных ВТСП электромеханических преобразователей, электротехнических устройств и ВТСП силовыхкабельных линий.»

Проблема создания систем криогенного обеспечения чрезвычайно актуальна для широкого внедрения перспективных прорывных технологий в промышленности основанных на использовании высокотемпературной сверхпроводимости. Для создания силовых электрических устройств с использованием высокотемпературной сверхпроводимости (ВТСП) необходимо поддерживать постоянный температурный режим сверхпроводников в диапазоне от 20 до 75 К.Система криогенного обеспечения должна в течение длительного времени обеспечивать компенсацию теплопритоков поступающих через теплоизоляцию и термомосты (валы, токовводы и т.п.) и тепловыделений при использовании переменного тока. Системы криогенного обеспечения используются как в локальных системах (двигателях, генераторах, системах электродвижения судового и рельсового транспорта и т.п., электрических самолётов), так и протяжённых - силовых кабельных линиях.В настоящее время находятся в опытной эксплуатации в ряде стран мира определённое количество систем криообеспечения для протяжённых силовых ВТСП кабелей. Однако отсутствие удовлетворяющих всем требованиям систем криообеспечения сдерживает внедрение ВТСП устройств в технике. Особенно серьёзные проблемы связаны с их массой, габаритами и ресурсом работы.Одной из актуальных задач, которая рассматривается в настоящей работе, является создание моделей и методик расчёта компактных, автономных и эффективных систем криообеспечения с холодопроизводительностью от 1 до 16 кВт и ресурсом непрерывной эксплуатации без проведения регламентных работ (связанных с их остановкой) не менее 30 000 часов. В предыдущих работах авторов показано, что наиболее перспективными являются системы криообеспечения с криорефрижераторами использующих цикл Брайтона на радиальных турбомашинах. Турбокомпрессоры и турбодетандеры используют газодинамические или магнитные подшипники, а в качестве рабочего тела в контуре применяются неон или гелий. В настоящей работе будут разработаны новые методы проектирования турбодетандеров и турбокомпрессоров на газодинамических подшипниках с использованием современных компьютерных программ (Flowvzion, ANSYS). Для подтверждения работоспособности математических моделей будут изготовлены макеты турбокомпрессоров и турбодетандеров и проведены испытания на макете системы криообеспечения СКР 001. Криорефрижератор этой системы работает на газовом детандерном холодильном обратном цикле Брайтона с радиальными турбомашинами. Особенности конструкции криорефрижератора следующие: рабочее тело в газовом контуре - неон; турбокомпрессоры и турбодетандер с газодинамическими подшипниками; охлаждение рабочего тела (неона) после компрессии происходит в компактных пластинчато-ребристых концевых теплообменниках с помощью антифриза, а, охлаждение антифриза - воздухом в теплообменном аппарате вентиляторами.Будут рассмотрены проблемы создания новых схем криорефрижераторов с холодопроизводительностью от 1 до 16 кВт при темпетатуре 65 К и от 1 до 3 кВт при температуре 32 К. Эти криорефрижераторы необходимы для создания транспортных систем электродвижения (суда, самолёты).Решение проблемы передачи больших потоков энергии (десятки и сотни ГВт) на дальние расстояния могут обеспечиваться «гибридными» водородными энергетическими магистралями, в которых в сочетании с транспортом жидкого водорода по криогенной магистрали осуществляется передача электроэнергии по сверхпроводящим кабелям постоянного тока. Водород относится к самым эффективным энергоносителям, который имеет самую высокую плотность энергии среди других видов топлив и обладает хорошими охлаждающими свойствами в жидком состоянии. К тому же жидкий водород имеет теплофизические параметры, выгодно отличающие его от других известных криогенных жидкостей, используемых для криостатирования современных сверхпроводников. Теплоёмкость при постоянном давлении у него почти в два раза больше теплоёмкости гелия и в 5 раз больше чем у азота. Температуропроводность у водорода почти в 9 раз больше, чем у гелия и в 2 раза больше, чем у азота.Данное направления является новым и требует создания теоретической базы для расчёта и проектирования этих систем.Использование гибридных энергетических магистралей для комплексной транспортировки больших потоков энергии с использованием явления сверхпроводимости может принципиально изменить работу энергетических сетей и используемого электрооборудования, внести качественные изменения в их структуру и назначение, а также в самом режиме передаваемой электроэнергии. Переход на передачу электроэнергии в режиме постоянного тока, при котором максимально реализуется преимущество кабелей на основе дешевых сверхпроводящих материалов (например, диборида магния), сулит качественными преобразованиями в энергетики в целом. Сверхпроводники на основе диборида магния появились на рынке сравнительно недавно но они обладают рекордно-высокими значениями критических параметров - плотностью критического тока (3.. .4.1 А/см2) и критического поля больше 60 Тл, при этом имеют самый низкий уровень цены из известных в крупномасштабных применениях сверхпроводящих проводов порядка 5 долларов за 1 кАм. Будут созданы физические и математические модели позволяющие проводить расчёты этих гибридных магистралей и элементов их конструкций.Использование традиционных методов защиты от теплопритоков с использованием только пассивной теплоизоляции не может обеспечить необходимый температурный режим работы сверхпроводников для сверхпроводящих трактов большой длины. Одним из вариантов решения этой проблемы является использование испарительной системы криостатирования (ИСКР) предложенной ранее авторами. До настоящего времени они не использовались.При использовании ИСКР температура защищаемого от теплопритоков отрезка кабеля будет сохраняться практически постоянной на его длине. ИСКР выполняет функцию распределённого по длине силового кабеля теплообменного аппарата и обеспечивает полную компенсацию внешних теплопритоков. Это создает условия сохранения практической сверхпроводимости силового кабеля и снижения затрат на транспортировку энергоносителей от 2 до 5 раз.В настоящей работе будут разработаны математические модели расчёта протяжённых высокотемпературных сверхпроводящих кабелей с ИСКР. Для этого будут использоваться модели с раздельным описанием фаз. Для верификации моделей будут привлекаться результаты опытов выполненных авторами на макете водородной гибридной магистрали длиной 30 м.