DE2530100A1 - Cooling for rotating magnet with superconducting windings - using convection generated in closed cooling channels forming thermosiphon - Google Patents
Cooling for rotating magnet with superconducting windings - using convection generated in closed cooling channels forming thermosiphonInfo
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Abstract
Description
Verfahren und Einrichtung zum Kühlen eines rotierenden Magneten.Method and device for cooling a rotating magnet.
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Kühlen eines rotierenden Magneten mit supraleitenden Wicklungen und einem durch Kühlkanäle geführten flüssigen Kühlmittel, das im Bereich der Wicklungen Verlustwärme aufnimmt und in einem anderen Bereich an eine Rückkühleinrichtung abgibt und eine Einrichtung zum Durchführen des Verfahrens.The invention relates to a method for cooling a rotating Magnets with superconducting windings and a liquid passed through cooling channels Coolant that absorbs heat loss in the area of the windings and in another Area gives off to a recooling device and a device for performing of the procedure.
Derartige Verfahren und Einrichtungen gewinnen in zunehmendem Maße an Bedeutung beim Bau großer Turbogeneratoren mit Leistungen in der Größenordnung von 1000 MW. Die Masse der mit Drehzahlen von 3000 Umdrehungen pro Minute rotierenden Läufer großer Synchrongeneratoren besteht im wesentlichen aus Kupferwicklungen und dem Eisenkern. Aus dynamischen und konstruktiven Gründen muß diese Masse möglichst klein gehalten werden.Such methods and facilities are increasingly winning in importance in the construction of large turbo generators with outputs in the order of magnitude of 1000 MW. The mass of the rotating at speeds of 3000 revolutions per minute The rotor of large synchronous generators consists essentially of copper windings and the iron core. For dynamic and structural reasons, this mass must be as possible can be kept small.
Das gelingt am einfachsten durch den Einsatz supraleitender Magnete, die jedoch zum Einstellen und Aufrechterhalten der Supraleitfähigkeit auf eine vorbestimmte, nahe dem absoluten Nullpunkt liegende Temperatur gekühlt werden müssen. Dabei ist die Wirtschaftlichkeit und insbesondere die Zuverlässigkeit der Kühlung von außerordentlicher Bedeutung, weil bereits deren kurzzeitiger Ausfall bei einem belasteten Generator in einer Art Kettenreaktion zum Uebergang auf Normalleitung mit hohen ohmschen Widerständen und rascher Erwärmung mit explosionsartigem Verdampfen von Kühlmittel und schließlich zur Zerstörung des Läufers führen kann.The easiest way to do this is to use superconducting magnets, the however, to adjust and maintain superconductivity cooled to a predetermined temperature close to absolute zero Need to become. The economy and especially the reliability the cooling is extremely important because its short-term failure with a loaded generator in a kind of chain reaction to the transition to normal conduction with high ohmic resistances and rapid heating with explosive evaporation coolant and can ultimately lead to the destruction of the rotor.
Die Kühlbedingungen sind um so günstiger, je niedriger die Eintrittstemperatur des Kühlmittels in das Kühlsystem und je höher der statische Druck und die Strömungsgeschwindigkeit desselben in den Kühlkanälen ist.The lower the inlet temperature, the more favorable the cooling conditions of the coolant in the cooling system and the higher the static pressure and the flow rate the same is in the cooling channels.
Aufgrund dieser Kenntnisse ist es bekannt (S. Foner, B. B. Schwartz, Superconducting Machines and Devices, Plenum Press, New York and London, 1974, Seiten 307, 308), die im Läufer und insbesondere an dessen Wicklungen anfallende Wärme mit flüssigem Helium von etwa 4 K abzuführen, das in einem System von Kühlkanälen umgewälzt wird. Dabei wird die Zwangsströmung mit einer Umwälzeinrichtung aufrechterhalten, die ebenso wie die Rückkühleinrichtung außerhalb des Läufers angeordnet ist. Die Verbindung zwischen der ortsfesten Umwälz- und Rückkühleinrichtung einerseits und den mit dem Läufer rotierenden Kühlkanälen andererseits erfolgt über zwei thermisch gegeneinander isolierte koaxiale Leitungen, die über eine Drehkupplung an den Läufer angeschlossen sind.Because of this knowledge it is known (S. Foner, B. B. Schwartz, Superconducting Machines and Devices, Plenum Press, New York and London, 1974, pp 307, 308), the heat generated in the rotor and in particular on its windings with liquid helium of about 4 K, in a system of cooling channels is circulated. The forced flow is maintained with a circulation device, which, like the recooling device, is arranged outside the rotor. the Connection between the stationary circulation and recooling device on the one hand and the cooling channels rotating with the rotor, on the other hand, take place via two thermal channels Coaxial lines isolated from one another and connected to the rotor via a rotary coupling are connected.
Die Nachteile dieses bekannten Verfahrens bestehen insbesondere darin, daB die Drehkupplung mit dem statischen Druck des Kühlmittels belastet werden muß und wegen der begrenzten Druckbelastbarkeit der Dichtungen der Drehkupplung der Kühlmitteldruck auf einem relativ niedrigen Wert zu halten ist. Geringe Kühlmitteldrucke haben aber bei Kompression des Kühlmittels durch radiale Beschleunigungskräfte eine relativ große Temperaturerhöhung des Kühlmittels zur Folge, so daß der Wirkungsgrad der Kühleinrichtung herabgesetzt wird.The disadvantages of this known method are in particular: that the rotary joint must be loaded with the static pressure of the coolant and because of the limited compressive strength of the seals of the rotary coupling Coolant pressure is to be kept at a relatively low value. Low coolant pressures but have a compression of the coolant by radial acceleration forces relatively large increase in temperature of the coolant result, so that the efficiency the cooling device is reduced.
Ein anderer Nachteil ist darin zu sehen, daß die Drehkupplung infolge der erhöhten Anforderungen auf Dichtheit bei Druckbelastung eine komplizierte Konstruktion erfordert, die möglicherweise störanfälliger ist und deren Ausfall zu einem erstrangigen Sicherheitsproblem für die zu kühlende Einrichtung werden kann.Another disadvantage is the fact that the rotary coupling as a result the increased requirements for tightness under pressure load a complicated construction requires, which is possibly more susceptible to failure and whose failure becomes a first-rate Safety problem for the facility to be cooled can be.
Ähnliche Nachteile ergeben sich aus der Notwendigkeit der Verbindung des Läufers mit der externen Kälteanlage über mindestens zwei thermisch und druckmäßig gegeneinander isolierte Leitungen in koaxialer Anordnung.Similar disadvantages arise from the need for the connection of the rotor with the external refrigeration system via at least two thermal and pressure-wise mutually insulated lines in a coaxial arrangement.
Darüber hinaus erfordert die bekannte Einrichtung ein Pumpsystem zum Umwälzen großer Kühlmittelmengen im Läufer, da der Kühlmitteldurchsatz auch im stat i onären Betrieb so groß sein muß, daß er zum Auffangen der zu erwartenden Belastungsspitze ausreicht.In addition, the known device requires a pumping system for Circulation of large quantities of coolant in the rotor, as the coolant throughput also in the stat ionary operation must be so large that it can absorb the expected peak load sufficient.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Kühlsystem für rotierende Magnete zu schaffen, das ohne eine die Zwangsströmung des Kühlmittels bewirkende externe Umwälzanlage arbeitsfähig und deshalb frei ist von allen damit verbundenen Nachteilen.The invention is based on the object of a cooling system for rotating To create magnets that without causing the forced flow of the coolant external circulation system capable of working and therefore free of all associated with it Disadvantages.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß in jedem einer Vielzahl der in sich geschlossenen und als Thermosyphon-Schleifen wirkenden Kühlkanäle vorzugsweise im Bereich der supraleitenden Wicklungen durch die im stationären Betrieb ständig auftretenden Wärmeverluste infolge der die thermische Isolierung durchdringenden Wärmeeinstrahlung und der über die Antriebswelle stattfindenden Wärmeleitung ein Konvektionsstrom angetrieben und das Umwälzen des flüssigen Kühlmittels durch an diesem angreifende Zentrifugalkräfte gefördert wird, daß das Kühlmittel in jedem der abgeschlossenen Kühlkanäle unter überkritischem Druck steht und die im KonvektionssAom mitgeführte Wärme an ein bei Normaldruck siedendes, in den rotierenden Magneten integriertes Kühlmittelbad abgeführt wird, und daß bei Normaldruck dem Kühlmittelbad flüssiges Kühlmittel zugeführt und verdampftes Kühlmittel wieder abgeführt wird.This object is achieved in that in each one Large number of self-contained cooling channels that act as thermosyphon loops preferably in the area of the superconducting windings by the stationary operation Constantly occurring heat losses as a result of penetrating the thermal insulation Heat radiation and the heat conduction taking place via the drive shaft Convection current driven and the circulation of the liquid coolant through on This attacking centrifugal forces is promoted that the coolant in each the closed cooling ducts are under supercritical pressure and those in the convection chamber entrained heat to a boiling at normal pressure in the rotating magnet integrated coolant bath is discharged, and that the coolant bath at normal pressure liquid coolant is supplied and evaporated coolant is discharged again.
Eine einfache Einrichtung zum Durchftihren des Verfahrens nach der Erfindung wird dadurch erhalten, daß jeder einer Vielzahl von als Thermosyphonschleifen wirkenden Kühlkanäle einen mit dem Magneten fest verbundenen, in sich geschlossenen Kreislauf bildet und im wesentlichen aus einer an der Peripherie des Magneten im Wickelraum zwischen vorbestimmten Punkten angeordneten Kühlleitung besteht, daß die Kühlleitung an ihren beiden Enden über zwei im wesentlichen radial verlaufende Verbindungsleitungen an eine zur Rotationsachse geneigte, den Kreislauf schließende Rückkühlleitung mit den Endpunkten angeschlossen ist, daß die Rückkühlleitung in einem vorbestimmten mittleren Abstand von der Rotationsachse des Magneten innerhalb einer zur Rotationsachse koaxialen zylindrischen Bohrung des Magneten gehalten ist, daß die zylindrische Bohrung an ihren Stirnseiten abgeschlossen und mit einem in der flüssigen und in der gasförmigen Phase befindlichen Kühlmittel gefüllt ist (Rückkühler) und infolge der Radialbeschleunigung das Kühlmittel der flüssigen Phase wegen seiner höheren Dichte eine die Rückkühlleitung einschließende Mantelzone und das Kühlmittel der gasförmigen Phase wegen seiner geringeren Dichte eine von der Mantelzone umhüllte Kernzone der zylindrischen Bohrung ausfüllt, und daß an der Stirnseite der zylindrischen Bohrung eine ttbertragungseinrichtung zum Zuführen von Kühlmittel der flüssigen Phase und zum gleichzeitigen Abführen von Kühlmittel der gasförmigen Phase angeschlossen ist.A simple means of performing the method according to the Invention is obtained in that each of a plurality of thermosyphon loops Acting cooling channels a closed with the magnet firmly connected Circuit forms and essentially consists of one on the periphery of the magnet in the Winding space arranged between predetermined points cooling line exists that the cooling line at its two ends via two essentially radially extending Connecting lines to a circuit that is inclined to the axis of rotation and closes the circuit Recooling line is connected to the end points that the recooling line in a predetermined mean distance from the axis of rotation of the magnet within a cylindrical bore of the magnet that is coaxial to the axis of rotation is held, that the cylindrical bore is closed at its end faces and with an in the liquid coolant and the coolant in the gaseous phase is filled (dry cooler) and as a result of the radial acceleration the liquid phase coolant because of its higher density a jacket zone enclosing the recooling line and the coolant Because of its lower density, the gaseous phase is surrounded by a jacket zone Core zone of the cylindrical bore fills, and that on the end face of the cylindrical Bore a transfer device for supplying coolant to the liquid Phase and connected to the simultaneous discharge of coolant of the gaseous phase is.
Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß das in den rotierenden Magneten integrierte Kühlmittelbad bei Normaldruck siedet und deshalb das Nachfüllen von flüssigem Kühlmittel bei Normaldruck erfolgen kann. Dabei ist es auch nicht notwendig, die Leitung zum Zuführen flüssigen Kühlmittels und die Leitung zum Abführen des verdampften Kühlmittels thermisch oder druckmäßig zu entkoppeln. Das im Läufer angeordnete Kühlmittelbad steht unmittelbar zum thermischen Puffern von Belastungsspitzen zur Verfügung, so daß die Kälteanlage nur für den stationären Betrieb auszulegen ist.The advantages achieved with the invention are in particular: that the coolant bath integrated in the rotating magnet boils at normal pressure and therefore the refilling of liquid coolant can be done at normal pressure. It is also not necessary to use the line for supplying liquid coolant and the line for discharging the evaporated coolant thermally or in terms of pressure to decouple. The coolant bath arranged in the rotor is directly related to the thermal one Buffering of peak loads is available so that the refrigeration system is only available for the is to be designed for stationary operation.
Die Thermosyphons sind in sich geschlossene Kühlkanäle, in denen der statische Kühlmitteldruck auf vorbestimmte hohe Werte eingestellt und damit die durch Zentrifugalbeschleunigung verursachten Temperaturerhöhungen im Kühlmittel des Kühlkanals wesentlich herabgesetzt werden. The thermosyphons are self-contained cooling channels in which the static coolant pressure is set to predetermined high values and thus the temperature increases in the coolant caused by centrifugal acceleration of the cooling channel can be significantly reduced.
Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß sich auch beim Parallelschalten von Kühlkanälen keine Probleme ergeben, da sich der Kühlmitteldurchsatz in den parallelgeschalteten Kühlkanälen insoweit selbsttätig regelt, als der Kühlmitteldurchsatz in einem Kühlkanal mit zunehmendem Wärme -strom ansteigt. Ferner kann das in der Thermosyphonschleife umlaufende Kühlmittel nach der Inbetriebnahme des Rotors nicht mehr verunreinigt werden, da dieses Kühlmittel von jedem Kontakt mit Kompressoren und Drehdurchführungen ausgeschlossen ist. Another advantage is that even when connected in parallel of cooling ducts do not cause any problems, since the coolant throughput is in the parallel-connected Cooling channels to the extent that it automatically regulates the coolant throughput in a cooling channel increases with increasing heat flow. This can also be done in the thermosyphon loop circulating coolant is no longer contaminated after the rotor has been commissioned be as this coolant from any contact with compressors and rotating unions is excluded.
Es ist auch möglich, einen Notbetrieb bei Ausfall der Kälteanlagen zu fahren, in dem flüssiges Kühlmittel über die Drehkupplung aus Vorratskammern von Hand in das Kühlmittelbad des Läufers eingefüllt wird. Dabei steht wegen der Kühlkapazität des Kuhlmittelbades eine ausreichende Zeit bis zum Beginn des Notbetriebes zur Verfügung. Alle Vorteile der Erfindung summieren sich zu einer wesentlichen Erhöhung der Betriebssicherheit von z. B. Synchrongeneratoren hoher Leistung, die ein sehr großes Anlagevermögen representieren und haben gleichzeitig eine außerordentliche Senkung der Herstellungskosten solcher Anlagen zur Folge.It is also possible to have an emergency operation if the refrigeration system fails to drive in the liquid coolant via the rotary coupling from storage chambers is filled by hand into the coolant bath of the rotor. It stands because of the Cooling capacity of the coolant bath a sufficient time until the start of emergency operation to disposal. All the advantages of the invention add up to an essential one Increasing the operational safety of z. B. high performance synchronous generators that represent a very large fixed asset and at the same time have an extraordinary one Reduction of the manufacturing costs of such systems result.
Die Erfindung wird anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen: Fig. 1 Schematischer Schnitt eines rotierenden supraleitenden Magneten mit Thermosyphonschleife, Fig. 2 schematische Darstellung der Zustandsänderung des Kühlmittels bei Strömung in einer rotierenden Thermosyphonschleife, Fig. 3 maßstabliche Darstellung der Zustandsänderung von Helium in einer rotierenden Thermosyphonschleife, Fig. 4 Wärmeübergang an Helium bei verschiedenen Kiihlmethoden. The invention is explained in more detail with reference to the drawing. Show it: Fig. 1 Schematic section of a rotating superconducting magnet with a thermosyphon loop, 2 shows a schematic representation of the change in state of the coolant when there is a flow in a rotating thermosyphon loop, FIG. 3 is a scale representation of the change in state of helium in a rotating thermosiphon loop, Fig. 4 heat transfer to helium with different cooling methods.
Fig. 1 zeigt einen schematischen Schnitt eines Supraleitermagneten 7, der um seine Rotationsachse 8 mit der Winkelgeschwindigkeitw rotiert. Die Läufer struktur 9 mit am Umfang verteilten Supraleiterspulen als Erreger wicklung besitzt eine zentrale Bohrung 10, die an ihren beiden Stirnseiten 11, 12 verschlossen ist. Im Bereich der supraleitenden Wicklung ist im Wickelraum zwischen vorbestimmten Punkten 2, 3, 4, 5 eine Vielzahl von Kühlleitungen 13 angeordnet. Jede Kühlleitung 13 ist mit ihren Endpunkten 2, 5 über zwei im wesentlichen radial verlaufende Verbindungsleitungen 14, 1 5 an die Endpunkte 1, 6 einer zur Rotationsachse schwach geneigten, den Kreislauf schließen Rückkühlleitung 16 angeschlossen. Das Volumen 10, 11, 12 ist mit flüssigem Helium 17 und gasförmigem Helium 18 gefüllt.Fig. 1 shows a schematic section of a superconductor magnet 7, which rotates around its axis of rotation 8 at the angular velocity w. The runners structure 9 with superconductor coils distributed around the circumference as an exciter development a central bore 10 which is closed at both of its end faces 11, 12. In the area of the superconducting winding is in the winding space between predetermined Points 2, 3, 4, 5 a plurality of cooling lines 13 arranged. Any cooling line 13 is at its end points 2, 5 via two essentially radially extending connecting lines 14, 15 to the end points 1, 6 of a slightly inclined to the axis of rotation, the circuit close recooling line 16 connected. The volume 10, 11, 12 is with liquid Helium 17 and gaseous helium 18 filled.
Infolge der Zentrifugalkräfte füllt das flüssige Helium 17 eine Mantelzone und das gasförmige Helium 18 eine von der Mantelzone umschlossene Kernzone der Bohrung 10 und bildet einen Rückkühler für die Rückkühlleitungen 16.As a result of the centrifugal forces, the liquid helium 17 fills a mantle zone and the gaseous helium 18 is a core zone of the borehole enclosed by the jacket zone 10 and forms a recooler for the recooling lines 16.
An die Stirnseite 11 des Rückkühlers ist ein Ubertragungselement 19 angeschlossen, das im wesentlichen aus einem ersten feststehenden, zur Rotationsachse 8 des Magneten 7 koaxialen Rohr 20 zum Zuführen von flüssigem Helium 17 und einem zweiten feststehenden koaxialen Rohr 21 zum Abführen von gasförmigem Helium 18 besteht. Ein drittes ebenfalls feststehendes koaxiales Rohr 22 umschließt das erste und zweite Rohr 20, 21 und ist mit dem zweiten Rohr 21 im Bereich der Stirnwand 11 des Rückkühlers verschweißt und evakuiert. Der Rückkühler ist gegen das dritte Rohr 22 durch eine auf Raumtemperatur liegende Drehdurchführung 23 abgedichtet. Die erste radiale Verbindungsleitung 14 verbindet den von der Rotationsachse 8 entferntesten Punkt 2 der Kühlleitung 13 mit dem von der Rotationsachse 8 entferntesten Punkt 1 der Rückkühlleitung 16, und ist thermisch isoliert.A transmission element 19 is attached to the end face 11 of the recooler connected, which essentially consists of a first fixed, to the axis of rotation 8 of the magnet 7 coaxial tube 20 for supplying liquid helium 17 and a second stationary coaxial tube 21 for discharging gaseous helium 18 consists. A third coaxial tube 22, which is also stationary, encloses the first and second Tube 20, 21 and is with the second tube 21 in the area of the end wall 11 of the recooler welded and evacuated. The dry cooler is against the third pipe 22 by a Rotary feedthrough 23 lying at room temperature is sealed. The first radial connection line 14 connects point 2 of the cooling line furthest away from the axis of rotation 8 13 with point 1 of the recooling line 16 furthest from the axis of rotation 8, and is thermally insulated.
Die zweite radiale Verbindungsleitung 15 verbindet den der Rotationsachse 8 nächstliegenden Punkt 5 der Kühlleitung 13 mit dem der Rotationsachse 8 nächstliegenden Punkt 6 der Rückkühlleitung 16.The second radial connection line 15 connects the axis of rotation 8 closest point 5 of the cooling line 13 with the one closest to the axis of rotation 8 Point 6 of the recooling line 16.
Jeder Kühlkanal ist als in sich geschlossene Thermosyphonschleife 1-2-3-4-5-6 ausgebildet und mit flüssigem Helium unter überkritischem Druck gefüllt, das im Bereich der Rückkühlleitung 16 in thermischem Kontakt mit dem normalsiedenden Helium des Rückkühlers steht. Auf dem Weg 1-2 wird das Helium thermisch isoliert auf den äußersten Abstand r2 zur Rotationsachse 8 geführt und nimmt auf dem Weg 2-3-4-5-6 Wärme auf, so daß in diesem Bereich die mittlere Dichte kleiner ist als im Bereich 1-2 und ein Kcnvektionsstrom mit definierter Strömungsrichtung vom Punkt 2 nach Punkt 6 entsteht.Each cooling channel is a self-contained thermosyphon loop 1-2-3-4-5-6 formed and filled with liquid helium under supercritical pressure, that in the area of the recooling line 16 in thermal contact with the normal-boiling one The helium of the recooler is standing. On the way 1-2 the helium is thermally isolated out to the extreme distance r2 to the axis of rotation 8 and takes on the way 2-3-4-5-6 heat, so that the mean density in this area is less than in the range 1-2 and a convection flow with a defined direction of flow from the point 2 according to point 6 arises.
Die auch im stationären Betrieb vorhandene Wärmestrahlung Q1 und Wärmeleitung Q2 werden durch geeignetes Führen und Kontaktieren der Kühlkanäle zum Aufrechterhalten eines Konvektionsstromes genützt, wenn bei reinem Gleichlastbetrieb in der zu kühlenden Spule keine Wärme erzeugt wird. Der Konvektionsstrom fängt die im transienten Betrieb durch Wechselstromverluste bedingten Belastungs spitzen auf.The heat radiation Q1 and heat conduction that also exist in stationary operation Q2 are maintained by suitable routing and contacting of the cooling channels of a convection current is used when in pure uniform load operation in the one to be cooled Coil no heat is generated. The convection current catches the in transient operation load peaks caused by alternating current losses.
Die Zustandsänderung des Kühlmittels ist in dem h-s -Diagramm der Fig. 2 schematisch dargestellt.The change in state of the coolant is shown in the h-s diagram of Fig. 2 shown schematically.
Bei Rotation mit der Winkelgeschwindigkeit <» wird das Helium auf dem Weg 1-2 adiabatisch komprimiert. Dabei nimmt die Enthalpie h um zu, wenn rl und r2 die Abstände der Punkte 1 und 2 von der Rotationsachse 8 sind.When rotating with the angular velocity <», the helium is compressed adiabatically on the path 1-2. The enthalpy decreases h to when rl and r2 are the distances between points 1 and 2 from the axis of rotation 8.
Die Rückkühlung erfolgt mit normal siedendem Helium (p, T ). Infolge der Zentrifugalbeschleunigung stellt sich im Heliumbad 17 ein Temperaturgradient ein. Die Rückkühltemperatur T1 = T1 des Thermosyphons ergibt sich aus der isentropen Enthalpierhöhung (0 - 1 ) im Niederdrucksystem um und die Temperatur T2 aus der Enthalpieerhöhung dh im Hochdrucksystem.The re-cooling takes place with normal boiling helium (p, T). As a result of the centrifugal acceleration, a temperature gradient is established in the helium bath 17. The recooling temperature T1 = T1 of the thermosiphon results from the isentropic enthalpy increase (0 - 1) in the low pressure system and the temperature T2 from the increase in enthalpy ie in the high pressure system.
Bei vorgegebenenm To, p O und p1 können die Temperaturen T1 und T2 und Bei vorgegebenenm T0, p 1 2 der Druck p2 aus dem h-s-Diagramm abgelesen werden.With a given To, p O and p1, the temperatures T1 and T2 and for a given T0, p 1 2, the pressure p2 can be read from the h-s diagram.
Auf dem Weg 2-3-4 erfolgt die Wärmezufuhr annähernd isobar, wenn der Abstand zwsichen den Kühlkanalabschnitten 3-4 und 4-5 klein gegen den Abstand 1-2, und der Strömungswiderstand in 2-3-4 vernachlässigbar ist.On the path 2-3-4, the heat supply is approximately isobaric when the Distance between the cooling duct sections 3-4 and 4-5 small compared to the distance 1-2, and the flow resistance in 2-3-4 is negligible.
Dann ergibt sich eine Entropiezunahme von wenn &q die durch die Wärmestrahlung Q1 und die Wärmeleitung Q be-1 2 dingte Wärmezufuhr pro Masseneinheit ist. Der eigentliche Kühlkanal 4-5 bildet den wesentlichen Strömungswiderstand der Thermosy stemschleife.Then there is an increase in entropy of if & q is the heat input per unit mass due to the heat radiation Q1 and the heat conduction Q be-1 2. The actual cooling channel 4-5 forms the main flow resistance of the Thermosy system loop.
Bei einem Massendurchsatz m erfährt das Kältemittel einen Druckabfall, der mit einer Zunahme der spezifischen Entropie um &s verbunden ist.At a mass flow rate m, the refrigerant experiences a pressure drop, which is associated with an increase in the specific entropy of & s.
2 Bei der Strömung von außen nach innen also auf den Wegen 3-4, 5-6 wird dem Kühlmittel wieder die Enthalpie entzogen. Um in der Rückkühlleitung 16 den Ausgangszustand wieder herzustellen, muß dort die insgesamt zugeführte Energie bq entzogen werden. Bei einer kontinuierlichen Wärmezufuhr Q an den Massenstrom m des Kühlmittels ist die pro Masseneinheit aufgenommene Wärme In Figur 3 ist die Zustandsänderung von Helium in einer rotierenden Thermosysten schleife nach dem in Fig. 2 erläuterten Prinzip maßstäblich dargestellt für einen Läufer mit rl = 20 cm, r2 = 50 cm, f = Hz, po = 1 bar, p1 = 20 bar, T = 4,2K, Kühlkanaldurchmesser D = 0, 2 cm, Kühlkanallänge 0 von 4 bis 5 L = 10 mlWärmezufuhr Q = 0, 1 W (Q = Q1 + Q2) Aus diesen Werten ergibt sich rechnerisch eine Enthalpieänderung von # h' = 1, 97 J/g und # h = 10,4 J/g. In Fig. 3 sind die dadurch bewirkten Zustandsänderungen maßstäblich aufgetragen. Die Enthalpieerhöhung #h' hat bei dem Rückkühlbad, also im Bereich des flüssigen Heliums 17 eine Druckerhöhung auf p; = 3,5 bar und eirmTemperaturanstieg auf T1 = 4,5K zur Folge. Im Hochdrucksystem der Thermosyphonschleife führt die Enthalpieerhöhungah zu einem Druckanstieg auf p2 = 37 bar und einemTemperaturanstieg auf T2 = 5, 2 K.2 With the flow from the outside to the inside, i.e. on routes 3-4, 5-6, the coolant regains its enthalpy withdrawn. In order to restore the initial state in the recooling line 16, the total supplied energy bq must be withdrawn there. With a continuous heat supply Q to the mass flow m of the coolant is the heat absorbed per unit mass In Figure 3, the change in state of helium in a rotating thermal system loop according to the principle explained in Fig. 2 is shown to scale for a runner with rl = 20 cm, r2 = 50 cm, f = Hz, po = 1 bar, p1 = 20 bar , T = 4.2K, cooling channel diameter D = 0.2 cm, cooling channel length 0 from 4 to 5 L = 10 ml Heat supply Q = 0.1 W (Q = Q1 + Q2) The calculated enthalpy change from these values is # h ' = 1.97 J / g and # h = 10.4 J / g. In FIG. 3, the changes in state caused thereby are plotted to scale. The enthalpy increase #h 'has in the re-cooling bath, that is in the area of the liquid helium 17, a pressure increase to p; = 3.5 bar and a rise in temperature to T1 = 4.5K. In the high pressure system of the thermosiphon loop, the increase in enthalpy leads to a pressure increase to p2 = 37 bar and a temperature increase to T2 = 5.2 K.
In Figur 4 ist die Wärme stromdichte SS als Funktion der Temperatureerhöhung T -T2 der Wand der Kühlleitung 13 am Punkt 2 (Tw = Wandtemperatur; T 2 = Kühlmitteltemperatur am Punkt 2)bei Helium als Kühlmittel für verschiedene Wärmeströme Q dargestellt. Dabei sind zugrundegelegt als Innendurchmesser der Kühlleitung 13 D = 0, 2 und 0, 5 cm und ein Wärme Strom von Q = 0,01; 0,1; 1,0. Die Reynoldszahlen Re und die Massenkonvektion m des Heliums sind für das in Fig. 3 dargestellte Beispiel mit p11 = 3, 5 bar; P2 = 37 bar; T1 = 4,6 K; T2 = 5,2 Kund L = 10 m errechnet.In FIG. 4, the heat current density SS is a function of the increase in temperature T -T2 of the wall of the cooling line 13 at point 2 (Tw = wall temperature; T 2 = coolant temperature shown at point 2) for helium as a coolant for various heat flows Q. This is based on the internal diameter of the cooling line 13 D = 0, 2 and 0, 5 cm and a heat flow of Q = 0.01; 0.1; 1.0. The Reynolds numbers Re and the mass convection m of the helium are for the example shown in FIG. 3 with p11 = 3.5 bar; P2 = 37 bar; T1 = 4.6 K; T2 = 5.2 Kund L = 10 m calculated.
Die Kurvenschar 30 zeigt die Wärme stromdichte bei dem Verfahren nach der Erfindung mit thermisch angeregter Konvektion des Heliums bei Rotation der Thermosyphonschleife. Zum Vergleich ist die Gerade 31 eingetragen, welche die Wärme stromdichte bei Kühlung mit einem normalsiedenden Heliumbad (p = 1 bar; T = 4, 2 K) als der meist gebräuchlichsten Methode zum Kühlen stationärer Supraleitermagnete zeigt. Die Kühlung stationärer Supraleitermagnete mit Helium unter überkritischem Druck, das mit einer Pumpe umgewälzt wird ist durch die Gerade 32 dargestellt.The family of curves 30 shows the heat current density in the process of the invention with thermally excited convection of helium with rotation of the thermosiphon loop. For comparison, the straight line 31 is plotted, which shows the density of the heat flow during cooling with a normal-boiling helium bath (p = 1 bar; T = 4, 2 K) as the most common Method for cooling stationary superconducting magnets shows. The cooling of stationary Superconductor magnets with helium under supercritical pressure that circulates with a pump is represented by straight line 32.
Es werden also bereits bei kleinen Wärme strömen Q = 10 bis 1 W in Kühlkanälen brauchbarer Abmessungen ausreichende Konvektionsströme erzielt, bei denen die Wärmeübergangszahlen in dem für die Kühlung einer Supraleiterspule relevanten Bereich T -T ' 0, 1 bis 0, 3 K besser w sind als bei Kühlung mit einem normalsiedenden Heliumbad.So even with small heat, Q = 10 to 1 W in will flow Cooling channels of useful dimensions achieved sufficient convection currents, at which the heat transfer coefficients in the relevant for the cooling of a superconducting coil Range T -T '0.1 to 0.3 K are better than when cooling with a normal-boiling one Helium bath.
Da der für die Anregung der Konvektion verfügbare Wärmestrom je nach Auslegung des Läufers bei 50 bis 100 W liegt, kann eine sehr große Zahl von Kühlkanälen betrieben werden, so daß ein wesentlich größerer Kühlmitteldurchsatz möglich ist, als es beim Umwälzen des Kühlmittels mit einer externen Pumpe möglich wäre.Since the heat flow available for stimulating the convection depends on Design of the rotor is 50 to 100 W, a very large number of cooling channels be operated so that a significantly larger coolant throughput is possible, than would be possible when circulating the coolant with an external pump.
Mit einem Wärmestrom von Q tl W wird ein Konv ktionsstrom erreicht, der mindestens von der gleichen Größe ist wie der Konvektionsstrom, der sich bei der Kühlung stationärer Großmagnete mit überkritischem Helium als ausreichend erwiesen hat.With a heat flow of Q tl W a convection flow is achieved, which is at least the same size as the convection current that occurs at the cooling of stationary large magnets with supercritical helium has proven to be sufficient Has.
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