Реферат: Криогенная техника в системах энергетики
Вполне естественно, что создание крупной сверхпроводящей системы накопления энергии требует решения многих сложных задач, но первоочередная состоит в определении рентабельности подобных аккумулирующих устройств.
Подчеркивается, что наличие накопителя позволяет снизить установленную мощность электростанции, предназначенных для покрытия суточных пиков нагрузки, причем экономия капиталовложений в энергосистеме тем больше, чем значительнее флуктуации потребляемой мощности.
Модельные сверхпроводящие накопительные системы с запасенной энергией около 100 кДж созданы и испытываются. Однако пока пет достаточных оснований для оценки перспектив этого направления прикладной сверхпроводимости.
3 Криогенная техника
Термином «криогеника» пользуются последние два-три десятилетия для обозначения области более низких температур (70—0,3 К), широко применяемой в технике. До Второй мировой войны (1941—1945 гг.) редко применялись температуры ниже 70 К (жидкий азот под вакуумом). Более низкие температуры, достигаемые сжижением неона, водорода, гелия, применялись в единичных лабораториях мира для научных исследований, которые оказались исключительно плодотворными.
Развитие ракетной техники, выполнение программы космических исследований способствовали быстрому прогрессу криогенной техники, которая вышла за пределы лабораторий и превратилась в новую область индустрии. В 1959 г. начато строительство крупных установок жидкого водорода и за короткий срок создано много тоннажное производство жидкого водорода (масса 1 м3 жидкого Н2 равна 70 кг).
Функционируют ожижители Н2 производительностью 30—60 т в сутки. За период 1961—1968 гг. производство жидкого Н2 в США возросло с 14 т до 151 т в сутки. Созданы большие хранилища жидкого Н2 ; так, на полигоне для испытании ракет в штате Невада (США) сооружено хранилище жидкого Н2 емкостью 209 м3 (потери от испарения не превышают 0,2% в сутки). Создано сферическое хранилище жидкого Н2 из алюминия емкостью 378,5 м3 .
Применяются транспортные СОСУДЫ жидкого водорода емкостью
5-6 м3 с суточной испаряемостью 1,5%, а в последние годы сооружены транспортные цистерны емкостью 107 м3 жидкого Н2 . Емкость самого крупного хранилища шарообразной формы для жидкого Н2 достигает 2850 м3 при диаметре внутренней алюминиевой сферы 17,4 м. Еще совсем недавно получение, хранение, транспортирование и применение таких больших количеств взрывоопасного жидкого водорода, кипящего при —253 °С, казалось немыслимым; ныне жидкий водород применяется в качестве топлива верхних ступеней ракет, в пузырьковых камерах. Изучается проблема применения жидкого водорода в качестве авиационного топлива.
Не менее стремительное развитие получила техника ожижения гелия. До 1946 г. в мире насчитывалось всего 15 лабораторных ожижителей гелия, а ныне в различных странах функционирует свыше тысячи более крупных гелиевых ожижителей.
Фирмой Артур Д. Литл (США) за последние десять лет изготовлено свыше 300 ожижителей гелия различной производительности, включая ожижители на 500 л/ч жидкого гелия. Фирма Линде (США) выпускает ожижители гелия производительностью 650 и 720 л/ч. Фирма Гарднер Крайодженикс (США) изготовила ожижители гелия на 850 л/ч. Ведется разработка ожижителя гелия на 1000 л/ч. Различные фирмы Европы, Японии выпускают разные модели ожижителей гелия и рефрижераторов на уровне температур 2—15 К. В России производятся и разрабатываются ожижители гелия и рефрижераторные установки различной холодопроизводительности. Общее количество жидкого гелия, получаемое в США, оценивается в 12000 м3 в год. В ряде случаев признано целесообразным сжижать гелий в целях уменьшения затрат на его дальнее транспортирование к потребителям (по аналогии с транспортом жидкого кислорода). Жидкий гелий транспортируется в автоцистернах, вмещающих до 20000—40000 л жидкого гелия В США практикуется также перевозка жидкого гелия воздушным путем в специальных подвесных сосудах емкостью 500, 1000 и 8800 л. Заправка автоцистерн производится из стационарных хранилищ жидкого гелия; так, для хранения жидкого гелия, вырабатываемого ожижителем производительностью 850 л/ч, изготовлена стационарная емкость на 121 000 л, снабженная высоковакуумной изоляцией и экранированная жидким азотом. Транспортные цистерны различной емкости рассчитаны на рабочее давление до 0,8 МПа, что позволяет перевозить жидкий гелий без потерь в течение 8 суток; на месте потребления испарившийся гелий закачивается в баллоны под давлением до 20 МПа. Сжижение больших количеств гелия, его хранение и перевозка в сосудах различной емкости с испаряемостью 0,5—1% в сутки подтверждает большой прогресс, достигнутый за последние два-три десятилетия криогенной техникой, ведь речь идет о жидкости с нормальной температурой кипения —269 °С и обладающей крайне низкой скрытой теплотой испарения — всего 2,5 кДж/л (0,6 ккал/л) жидкого гелия.
В 1950 г. продукция криогенной техники США оценивалась в 400 млн. долл., а к концу 1970 г. она превысила 1 млрд. долл. Основные научные и инженерные проблемы современности: управляемый термоядерный синтез, физика высоких энергий, магнитогидродинамический способ преобразования энергии. космонавтика, электроника, электротехника требуют применения холода на уровне 4—70 К.
4 Оценка целесообразности
При технико-экономической оценке целесообразности применения холода в электротехнических устройствах, использующих очень чистые металлы, следует сопоставить выгоду, обусловленную снижением активного сопротивления р. с энергетическими затратами на получение холода при соответствующей температуре.
С понижением температуры затраты на единицу произведенного холода быстро возрастают, а поэтому оптимальная температура охлаждения проводников отнюдь не равна температуре, при которой сопротивление r проводника минимально. В упрощенном виде задача сводится к определению температуры, соответствующей минимальному коэффициенту
где Т—оптимальная температура .хладагента (в идеальном случае—проводника); рт и рзоок — электрическое сопротивление металла при температуре 300 К; h— КПД холодильного цикла (по отношению к циклу Карно).
При охлаждении жидким азотом уменьшение омических потерь примерно компенсируется энергозатратами на охлаждение, и в энергетическом отношении азотное охлаждение проводников (Си, А1) лишено смысла. Охлаждение жидким водородом представляется более перспективным — выгода от уменьшения омических потерь для чистого алюминия примерно в 8—10 раз превышает затраты на охлаждение. Французские исследователи показали, что в современных условиях применение проводников из чистого алюминия (99,999%), охлаждаемых жидким водородом или газообразным гелием (13—15 К), более перспективно, чем применение дорогих сверхпроводников, требующих охлаждения жидким гелием (4,2 К). Во Франции работы в этом направлении проводились объединенными усилиями фирм («Лэр Ликид», «Пешине», «Альстом»), специализирующихся по трем основным направлениям: криогенная техника, материаловедение, электротехника [Л. 4-3 и 4-4]. Достигнуты большие успехи в получении очень чистого алюминия в виде тонких листов, ленты толщиной 20—50 мкм, проволоки диаметром менее 0.1 мм. Стоимость чистого алюминия примерно вдвое выше стоимости обычно применяемых алюминиевых проводников, а плотность тока при охлаждении до 15—20 К может быть повышена в 10—20 раз.
Создание жестких сверхпроводников, характеризующихся высокими значениями I и Н , вызвало повышенный интерес к проблеме использования сверхпроводимости в электротехнике и электронике, что нашло выражение в публикациях на эту тему.
Проявляемый многими энтузиазм пока не подкреплен достаточным количеством опытных работ, результатами испытаний и представляется несколько преждевременным.
Бесспорно, однако, что возникла новая ветвь технической физики — прикладная сверхпроводимость, которая уже приобрела большое значение для получения сильных магнитных полей в больших рабочих объемах. Не менее очевидно, что прикладная сверхпроводимость создает принципиальные предпосылки для анализа и опытного изучения новых путей научно-технического прогресса электротехники и электроники.
Заключение
Габариты н масса криогенных установок, удельные энергозатраты на производство холода при 4,2—15 К. надежность работы в длительном режиме пока еще не соответствуют высоким требованиям будущей криогенной электротехники. Технико-экономическая целесообразность создания криогенной электротехники определяется также значениями теплопритоков н внутренних тепловыделений, которые должны быть предельно снижены, в частности, путем усовершенствования теплоизоляции, конструкции токовводов и др.
Неоднократно подчеркивалось, что необходимо активно проводить исследования по созданию принципиально новых видов электрооборудования — опытных образцов турбогенераторов, электродвигателей и силовых промышленных трансформаторов на основе сверхпроводящих материалов.
Библиографический список
1. Фастовский В.Г. Криогенная техника, изд. 2-ое. перераб. и доп. М., «Энергия», 1974 (с)
* Термин «криогенный» предполагает применение охлаждаемых чистых металлов (Al, Cu), а не сверхпроводников.