RU1793777C

RU1793777C - Cryogenic plant

Info

Publication number: RU1793777C
Application number: SU4723930A
Authority: RU
Inventors: Иван Петрович Вишнев; И.П. Вишнев
Original assignee: Всесоюзный научно-исследовательский институт гелиевой техники
Priority date: 1989-07-24
Filing date: 1989-07-24
Publication date: 1995-08-20

Abstract

FIELD: cryogenic engineering. SUBSTANCE: plant has high-temperature compressor 1, auxiliary heat exchanger 2, main heat exchangers 3-8 for cooling direct flow of cryogenic agent, expansion machines 10-12, throttle 13, consumer of cold 14, and low-temperature compressors 16-18 connected in line 15 of back flow. The expansion machines and low-temperature compensators are provided with superconducting electric machine with contactless superconducting electromagnetic bearings cooled with the cryogenic agent. EFFECT: enhanced efficiency. 3 dwg

Description

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. The invention relates to cryogenic engineering and superconducting electrical engineering and can be used in cryogenic installations with cryoturbomachine units, as well as in any cryogenic cooling turbine units such as superconducting turbogenerators, superconducting motors, etc.

Известны установки для получения холода, в которых сжатие рабочего газа, участвующего в цикле охлаждения, осуществляется в компрессорах, установленных на температурном уровне окружающей среды. Known installations for producing cold, in which the compression of the working gas participating in the cooling cycle, is carried out in compressors installed at a temperature level of the environment.

Недостатком таких установок и способов получения холода являются повышенные затраты энергии на сжатие рабочего криоагента. The disadvantage of such installations and methods for producing cold is the increased energy consumption for compression of the working cryoagent.

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 перед его адиабатическим расширением. A known cryogenic installation and method for producing cold, in which, in order to increase efficiency, the compression of the working gas is carried out both in the compressor from the ambient temperature and at the temperature of the consumer of the cold, where the return flow from the consumer is adiabatically compressed to a temperature close to the temperature direct flow before its adiabatic expansion.

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 сжатие криоагента основного цикла ведется в компрессоре на уровне температуры окружающей среды. The disadvantage of this cryogenic installation is that only part of the losses is compensated, since compression is carried out only at a low temperature level with a very small degree of compression, and compression of the cryogenic agent of the main cycle is carried out in the compressor at the ambient temperature level.

Цель изобретения сокращение энергетических потерь на сжатие криоагента. The purpose of the invention is the reduction of energy loss in compression of the cryoagent.

Поставленная цель достигается тем, что в 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 высокотемпературного компрессора соединена с выходом четвертого теплообменника и выход второго детандера подключен к обратному потоку между вторыми компрессором и теплообменником, каждые низкотемпературный компрессор и детандер снабжены сверхпроводящей электромашиной с бесконтактными охлаждаемыми криоагентом сверхпроводящими электромагнитными подшипниками, содержащими роторные и статорные втулки, по наружным поверхностям последних уложены сверхпроводниковые кольца, а статорные втулки дополнительно имеют запиточные электрические обмотки. This goal is achieved by the fact that in a cryogenic installation comprising a closed loop formed by direct and reverse flow lines, with a high-temperature compressor, three expanders, four heat exchangers and a cold consumer placed in it, three low-temperature compressors are added in series in a return flow line, moreover, the expanders are included in the direct flow line, and the first pair of low-temperature compressor and expander is placed between the consumer of the cold and the first heat the exchanger, the second pair between the first and second heat exchangers, the third pair between the second and third heat exchangers, the suction line of the high-temperature compressor is connected to the output of the fourth heat exchanger and the output of the second expander is connected to the return flow between the second compressor and the heat exchanger, each low-temperature compressor and expander are equipped with a superconducting electric machine with contactless cooled cryoagent superconducting electromagnetic bearings containing rotor and stator flanges, on the outer surfaces of the latter superconducting rings are laid, and the stator bushings additionally have energizing electric windings.

Благодаря такому решению схемы криогенной установки снижаются затраты энергии на сжатие криоагента, а также представляется возможность создания нового типа турбомашин со сверхпроводящими бесконтактными электромагнитными подшипниками, обеспечивающими работоспособность криогенной установки. Thanks to this solution of the cryogenic installation scheme, the energy costs for compressing the cryoagent are reduced, and it is also possible to create a new type of turbomachine with superconducting non-contact electromagnetic bearings, ensuring the operability of the cryogenic installation.

На фиг.1 представлена криогенная установка; на фиг.2 низкотемпературный компрессор со сверхпроводящим электромагнитным подшипником; на фиг.3 T-S диаграмма способа получения холода. Figure 1 presents the cryogenic installation; figure 2 low-temperature compressor with a superconducting electromagnetic bearing; figure 3 T-S diagram of a method of producing cold.

Криогенная установка содержит высокотемпературный компрессор 1, установленный на температурном уровне окружающей среды, вспомогательный теплообменник 2 для предварительного охлаждения криоагента после сжатия, основные теплообменники 3-8, служащие для последовательного охлаждения сжатого прямого потока 9 криоагента, детандеры 10-12, дроссель 13 для расширения криоагента и потребитель холода 14, а также установленные на линии 15 обратного потока низкотемпературные компрессоры: 16 установленный на температурном уровне третьего детандера 12 после потребителя холода 14; 17 установленный на температурном уровне второго детандера 11; 18 установленный на температурном уровне первого детандера 10. The cryogenic installation contains a high-temperature compressor 1 installed at the ambient temperature level, an auxiliary heat exchanger 2 for pre-cooling the cryoagent after compression, the main heat exchangers 3-8, which serve for sequential cooling of the compressed direct flow 9 of the cryoagent, expanders 10-12, a throttle 13 for expanding the cryoagent and a cold consumer 14, as well as low temperature compressors installed on the return flow line 15: 16 installed at the temperature level of the third expander 12 in le cold consumers 14; 17 mounted at the temperature level of the second expander 11; 18 mounted at the temperature level of the first expander 10.

Для обеспечения сжатия рабочего тела на низкотемпературном уровне, когда необходимо учитывать теплофизические свойства газа, в конструкции низкотемпературных компрессоров предусмотрены сверхпроводниковые бесконтактные магнитные подшипники, основанные на принципе "магнитной потенциальной ямы", которые не генерируют тепло. Низкотемпературный компрессор (см. фиг.2) содержит корпус 19, в котором соосно размещено рабочее колесо 20, закрепленное консольно на валу 21, имеющем сверхпроводящие электромагнитные подшипники 22 и сверхпроводящий электродвигатель 23. По наружным поверхностям роторных 24 и статорных 25 втулок подшипников 22 уложены кольца 26 из сверхпроводника. На наружной поверхности статорных втулок 25 дополнительно закреплена запиточная электрическая обмотка 27. Причем сверхпроводящие обмотки электроприводов и кольца сверхпроводящих электромагнитных подшипников могут быть выполнены как из низкотемпературных (НТСП), так и из высокотемпературных (ВТСП) сверхпроводников. To ensure the compression of the working fluid at a low temperature level, when it is necessary to take into account the thermophysical properties of the gas, the design of low-temperature compressors provides superconducting non-contact magnetic bearings based on the principle of the "magnetic potential well", which do not generate heat. The low-temperature compressor (see figure 2) contains a housing 19, in which the impeller 20 is coaxially mounted, mounted cantilever on a shaft 21 having superconducting electromagnetic bearings 22 and a superconducting electric motor 23. Rings are laid on the outer surfaces of rotor 24 and stator 25 of bearing bushings 22 26 of the superconductor. On the outer surface of the stator sleeves 25, an additional electrical winding 27 is additionally fixed. Moreover, the superconducting windings of the electric drives and the rings of the superconducting electromagnetic bearings can be made of both low-temperature (HTSC) and high-temperature (HTSC) superconductors.

Попарно установленные на одном температурном уровне компрессор и детандер могут быть выполнены как одна машина с консольно расположенными рабочими колесами на одном валу со сверхпроводящими электромагнитными подшипниками. Compressor and expander installed in pairs at the same temperature level can be made as one machine with cantilever impellers located on the same shaft with superconducting electromagnetic bearings.

Криогенная установка работает следующим образом. The cryogenic installation works as follows.

Газообразный криоагент сжимают в высокотемпературном компрессоре 1 при температуре окружающей среды, после чего тепло сжатия снимают во вспомогательном теплообменнике 2, например, водой, прямой поток 9 сжатого криоагента охлаждают в основных теплообменниках 3-8, а часть потока отбирают и расширяют с промежуточным охлаждением в двух детандерах 10 и 11 и направляют в линию 15 обратного потока, а остальную часть прямого потока 9 после охлаждения в теплообменниках 4-8 расширяют в парожидкостном детандере 12 или дросселе 13 (в зависимости от режима работы), а образовавшуюся парожидкостную смесь (или жидкость) подают потребителю 14 для охлаждения. Образовавшиеся пары обратного потока 15 после потребителя 14 сжимают в низкотемпературном компрессоре 16 при 4-7 К, пропускают через первый теплообменник 8 и снова сжимают при 20-30 К, смешивают с детандерным потоком после детандера 11, нагретым в теплообменниках 7 и 6, и после второго теплообменника 5 вновь сжимают при 70-80 К в низкотемпературном компрессоре 18, а затем после подогрева в третьем теплообменнике 4 и вспомогательном теплообменнике 3 подают основной высокотемпературный компрессор 1. При режиме ожижения и в случае необходимости производится подпитка криоагента в компрессор 1. The gaseous cryoagent is compressed in a high-temperature compressor 1 at ambient temperature, after which the compression heat is removed in the auxiliary heat exchanger 2, for example, with water, the direct stream 9 of the compressed cryoagent is cooled in the main heat exchangers 3-8, and part of the stream is taken off and expanded with intermediate cooling in two expanders 10 and 11 and sent to the return flow line 15, and the rest of the direct flow 9 after cooling in the heat exchangers 4-8 is expanded in the vapor-liquid expander 12 or throttle 13 (depending on the mode of bots), and the resulting vapor-liquid mixture (or liquid) is supplied to the consumer 14 for cooling. The formed pairs of the return flow 15 after the consumer 14 are compressed in the low-temperature compressor 16 at 4-7 K, passed through the first heat exchanger 8 and again compressed at 20-30 K, mixed with the expander stream after the expander 11, heated in the heat exchangers 7 and 6, and after the second heat exchanger 5 is again compressed at 70-80 K in the low-temperature compressor 18, and then after heating in the third heat exchanger 4 and the auxiliary heat exchanger 3, the main high-temperature compressor 1 is fed. During liquefaction and, if necessary, produce The cryoagent is fed to compressor 1.

Низкотемпературные компрессоры 16-18 перед началом работы захолаживаются криоагентом, охлаждаемым в цикле за счет расширения в детандерах 10 и 11 и дросселе 13 в период пуска установки. После охлаждения сверхпроводящих обмоток подшипника 22 до необходимой температуры, определяемой материалом сверхпроводника (см. фиг.2), подают ток в запиточную обмотку 27 подшипника 22, где она индуцирует ток в короткозамкнутых сверхпроводниковых кольцах 26, в результате чего в них возникает электромагнитное поле и вал 21 "всплывает" (зависает) в "магнитной потенциальной яме", при этом геометрические оси вала 21 и статорной обмотки подшипника 22 совпадают. После этого подают ток в электродвигатель 23 и начинается вращение ротора компрессора (вала 21 с рабочим колесом 20), компрессор вступает в работу и сжимает газообразный криоагент. Запиточная обмотка 27 подшипника 22 теперь может быть отключена, а ток в ней и магнитное поле в подшипнике оказываются "замороженными", т.е. не требуют подачи тока. Low-temperature compressors 16-18 before cooling start are cooled by a cryoagent cooled in a cycle due to expansion in expanders 10 and 11 and inductor 13 during installation start-up. After cooling the superconducting windings of the bearing 22 to the required temperature determined by the material of the superconductor (see Fig. 2), a current is supplied to the washing winding 27 of the bearing 22, where it induces current in the short-circuited superconducting rings 26, as a result of which an electromagnetic field and a shaft appear in them 21 “pops up” (hangs) in the “magnetic potential well”, while the geometrical axes of the shaft 21 and the stator winding of the bearing 22 coincide. After that, a current is supplied to the electric motor 23 and the rotation of the compressor rotor (shaft 21 with the impeller 20) begins, the compressor enters into operation and compresses the gaseous cryoagent. The supply winding 27 of the bearing 22 can now be turned off, and the current in it and the magnetic field in the bearing are "frozen", i.e. do not require current supply.

Благодаря ступенчатому сжатию газа на разных температурных уровнях сокращается количество энергии, затрачиваемой на сжатие, за счет изменения внутренней энергии газа при низкой и высокой температурах. Due to the stepwise compression of gas at different temperature levels, the amount of energy spent on compression is reduced by changing the internal energy of the gas at low and high temperatures.

Известно, что удельная затрата энергии на совершение процесса сжатия газа в низкотемпературном компрессоре резко снижается по мере снижения температурного уровня, на котором совершается процесс сжатия, что подтверждается T-S-диаграммой (см. фиг. 3) цикла, где показана площадь А, на величину которой сокращается работа сжатия. Так, при сжатии в компрессоре на температурном уровне 77 К удельная работа сжатия сокращается в 3,6 раза по сравнению с обычным сжатием при 300 К, а в случае сжатия криоагента на температурном уровне 4,5 К работа сжатия сокращается в 100 раз. It is known that the specific energy consumption for the gas compression process in a low-temperature compressor decreases sharply as the temperature level at which the compression process is reduced is confirmed by the TS-diagram (see Fig. 3) of the cycle, which shows the area A, the value of which compression work is reduced. So, when compressing in a compressor at a temperature level of 77 K, the specific work of compression is reduced by 3.6 times compared to conventional compression at 300 K, and in the case of compression of a cryoagent at a temperature level of 4.5 K, the work of compression is reduced by 100 times.

Предлагаемая криогенная установка позволит сократить энергопотребление на получение холода за счет сжатия при криогенных температурах, дает возможность компоновать низкотемпературный компрессор на одном валу с детандером, используя его в качестве привода, кроме того, работоспособность низкотемпературного блока детандер-компрессор обеспечивается использованием энергетически выгодных сверхпроводящих бесконтактных электромагнитных подшипников. The proposed cryogenic installation will reduce the energy consumption for obtaining cold due to compression at cryogenic temperatures, makes it possible to assemble a low-temperature compressor on the same shaft as the expander, using it as a drive, in addition, the operability of the low-temperature expander-compressor unit is ensured by the use of energy-efficient superconducting non-contact electromagnetic bearings .

В предлагаемой криогенной установке можно достигнуть увеличения холодопроизводительности до 20% а также улучшить ее весогабаритные характеристики и надежность. In the proposed cryogenic installation, it is possible to achieve an increase in cooling capacity of up to 20% and also to improve its weight and size characteristics and reliability.

Claims

CRYOGENIC INSTALLATION, including a closed loop formed by the lines of direct and return flows with a high-temperature compressor, three expanders, four heat exchangers and a consumer of cold, characterized in that, in order to reduce energy losses in compression of the cryoagent, it additionally contains three low-temperature compressors, sequentially arranged in the return flow line, the expanders being included in the forward flow line, and the first pair of the low-temperature compressor and expander placed between the consumer of the cold and the first heat exchanger, the second pair between the first and second heat exchangers, the suction line of the high-temperature compressor is connected to the output of the fourth heat exchanger and the output of the second expander is connected to the return flow between the second compressor and the heat exchanger, each compressor and expander is equipped with a superconducting electric machine with contactless cooled cryoagent superconducting electromagnetic bearings containing rotor and stator bushings on the outer surface The latter have superconducting rings laid down, and the stator bushings additionally have feeding electric windings.