Главная -> Криогенные электрические машины 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 [ 21 ] 22 23 24 25 26 27 28 пуклым температурным профилем, близким к режиму пе регрева, а также варианты, для которых отсутствует непрерывное решение. Установлено, что токовводы переменного сечения S = S{x) не имеют преи.муществ перед токо-вводами постоянного сечения SS(x), так как обладают большей неустойчивостью, причем в случае потери расхода участок перегорания может находиться вблизи холодного конца и обусловливать повреждение сверхроводнико-вой магнитной системы. На рис. 4.10 в виде примера показаны температурные профили расчетного токоввода модели генератора на ток 200 А. Кривые 1 относятся к токовводу в номинальном режиме работы, расход превышает испаряемый приблизительно вдвое и составляет 2-10- кг/с. Близкие значения температур газа и стенки указывают на то, что конструк- ция теплообменника обеспечивает хороший теплосъем с поверхности токонесущей части токоввода. Кривые 2 относятся к токовводу с такой же токонесущей частью, но с^ теплобменннком, поверхность теплосъема которого примерно в 5 раз меньше. При ухудшении теплосъема возникает выпуклость температурного распределения со стороны холодного конца, увеличиваются теплоприток в зону криостатирования и недорекуперация газа на теплом конце, расход гелия составляет около S-IO кг/с. При проектировании токовводов КЭМ рекомендуется: 1) оценить возможные ограничения размеров узла токоввода и граничные условия на его концах; 2) определить уровень расходов в узле токоввода с учетом дополнительного расхода через этот узел; 3) в теплообменнике токоввода обеспечить по возможности ламинарный режим течения и достаточную омываемую поверхность, а также согласовать гидравлическое сопротивление с располагаемым напором; 4) оценить коэффициент теплопередачи в токовводе с учето.м электроизоляции и структуры тракта; 5) если параметр теплообмена достаточно велик, воспользоваться зависимостями для идеально охлаждаемых токовводов, выбрать по (4.42) длину и токонесущее сечение с запасом порядка 15%, оценить теплоприток и полный расход по рис. 4.6; 6) если параметр теплообмена мал, выбрать сечение по диаграмме перегорания с запасом также порядка 157о. (рис. 4.8); 7) располагая программой точного решения, произвести поверочный расчет для номинального тока. 4.7. Расчет режима захолаживания Процесс захолаживания сверхпроводниковой, обмотки в криостате КЭМ имеет целый ряд особенностей связанных: с существенным изменением (на несколько порядков) свойств материалов в рассматриваемом температурном диапазоне; с условиями захолаживания, при которых температура криоагента изменяется в процессе захолаживания; с необходимостью рассматривать в некоторых случаях одновременное охлаждение обмотки и других элементов криостата. Эти особенности не позволяют непосредственно воспользоваться расчетными моделями процессов охлаждения и нагрева тел, известными из теории теплопередачи. В [4.11, 4.12] описаны расчетные модели, подходящие для анализа процесса захолаживания криогенных устройств с различными упрощающими предположениями. Построим простую расчетную модель захолаживания: изолированного тела при идеальном теплообмене с крио-агентом, записав для нагрева тела и газа за промежуток времени Дт уравнение МсшАТи = т[Сь+Ср{Ту,-Тс)]А%. (4.52> Поскольку для гелия с^-СрТс-СрТи, то ЛТм/Ат-= т[Сь+Ср (Гм-Гс) ] iMcuOmcpTJMcyi, где М, См-масса и удельная теплоемкость захолаживае-мого тела; т - расход криоагента. Для сверхпроводниковой обмотки температурную зависимость теплоемкости См = См(Гм) из [4.15], представленную на рис. 4.11, можно аппроксимировать кусочно-линейной функцией См{= cMiTM+Ci, -с<=const,. Рис. 4.11. Температурная зависимость теплоемкости сверхпроводящей обмотки т,к Ш' 200 10 %ч- Рис. 4.12. Экспериментальные-кривые захолаживания [4.55] причем i=l при 300 К^7м<150 К, i=2 при 150 К= <Гм<40 К, 1=3 при 40 КесГ <5 К. Для каждого температурного диапазона Д7-М Ах тср - -=-f- + Cb (4.53, В целом кривая захолаживания (т) также представляет собой кусочно-линейную функцию, соответствующую кривой для теплоемкости. Наклон прямых участков определяется расходом криоагента и захолаживаемой массой. На рис. 4.12 в полулогариф,мическом масштабе построены кривые Т=Т{х), полученные по данной упрошенной расчетной методике. Как и кривые, например, из [4.13] (обозначены точками), они имеют характерное изменение скорости захолаживания dT/dx в диапазоне температуры TxAQ К. Согласно (4.53) время захолаживания ( = 1 м JJA7 ,<,. = iEM(IVBa (4.54) i = \ mcr, пропорционально запасу теплоты захолаживаемой массы и обратно пропорционально расходу криоагента. Это соответствует экспериментальным данным [4.13]. Для учета конечного теплообмена между сверхпровод-.ииковой обмоткой и криоагентом и наличия тепловой связи обмотки с окружающей средой через элементы криостата I---1 можно построить достаточно ° простую модель с сосредото- ченными захолаживаемой массой и массой охлаждаемого теплового моста-экрана. Будем считать расход газа постоянным и заданным, температуры тел и газа различными, полагая, что каждой захолаживаемой массе соответствует одна температура в любой St момент времени, а связь между Г toe \ захолаживаемыми массами ,. . осуществляется через тепловые делис с7дохГч= сопротивления и теплообмен захолаживаемыми массами Излучением. На рис. 4.13 пред-126
ставлена соответствующая расчетная схема криостата с одним тепловым экраном. Для каждой захолаживаемой массы зададим параметры: с - теплоемкость, 7, t-температуры тела и газа, а, k- коэффициенты теплообмена с газом и эффективности теплообмена, А-площади поверхности теплосъема и облучаемой поверхности, R-термическое сопротивление, е- приведенный коэффициент теплового излучения, q-постоянный теплоприток. Кроме того, зададим параметры криоагента: т-расход, Cl-удельную теплоту парообразования, Ср-удельную теплоемкость. Процесс захолаживания объекта криостатирования описывается уравнением Л-{Т,~Т)-еоА{т1-Г)-д. (4.55) Для первого теплового экрана справедливо аналогичное уравнение = -i- (Т, - Г,) -f ог, Л. {Т1 - Г? - 4- (Г. - Г) - OS л {Т{ - /) - а/, (7, - t,)k, (4.56) А в котором параметры без индекса относятся к самому объекту, а с индексом 1-к тепловому экрану; Го-температура окружающей среды; о=5,67-10-8 Вт/(м-К^)2- постоянная Стефана-Больцмана. Уравнения баланса теплоты для криоагента имеют вид Cpm{t - Q = aFiT - t)k, \ c m{t,-t) = a.,F,(T,-t,)k,. j (4.57) Начальные условия (при т=0) для процесса захолаживания: температура всего криостата 7=71=70=300 К и гелиевая температура газа 4=4,2 К. Рассмотрим метод решения системы уравнений (4.55) - (4.57). Сначала получим зависимость температур газа t и t\ через температуры захолаживаемых тел 7 и 7i из (4.57). Теплоемкость криоагента Ср и коэффициенты теплоотдачи а, tti монотонно растут с увеличением температуры, поэтому каждое из уравнений (4.55), (4.56) в принципе разрешимо и имеет единственный корень: о^ и 17,. Применяя численный метод бисекций для заданных отрезков [to, Т] а [t, Ti], находим корни t и соответственно. При известных температурах газа t можно вычислить все параметры для правых частей уравнений (4.55), (4.56) и далее численно решать задачу Коши, в данном случае методом Рунге-Кутта четвертого порядка. Шаг интегрирования подбирался опытным путем. При низких температурах теплоемкости материалов-быстроменяющиеся функции, что приводит к необходимости смены шага интегрирования в процессе расчета одного варианта. О 1 г S 4 5 в 7 Н Я Ю 11 ti Рис. 4.14. Расчетные кривые за.холаживания ротора модельного генератора (7 - сплошные линии; Т\ - пунктирные); / - при т=40 л/ч; 2 - при т=30 л/ч; 3, 4 - при т=20 л/ч В качестве примера на рис. 4.14 приведены результаты расчета кривых захолаживания криостата модельного генератора, основные геометрические параметры и захолаживаемые массы которого даны в табл. 4.2 (для половины криостата). Теплоемкость объекта криостатирования задавалась как средневзвешенная от теплоемкостей его материалов: нержавеющей стали, меди, сверхпроводника и компаунда [4.15]. Время захолаживания зависит от расхода: 11,5 ч прн /и = 20 л/ч; 7,04 ч прп /и =: 30 л/ч; , 5,0 ч при /и = 40 л/ч. Температура теплового экрана по окончании захолаживания Тх *100 К. Температуры газа в теплообменниках объекта криостатирования и теплового экрана на 5-10 К меньше температур захолаживаемых тел и на рис. 4.14 не показаны. Таблица 4.2. Параметры для половины криостата модельного генератора
Интегральное количество гелия, необходимого для захолаживания, слабо зависит от расхода: ,230 л при т= 20 л/ч; V= 200 л при т = 30 л/ч; , 200 л при /п = 40 л/ч. При т=20 л/ч, близком к расходу в режиме криостатирования, интегральный расход V несколько завышен, так как часть расхода тратится на компенсацию ннешнего теплопритока. ГЛАВА ПЯТАЯ ВОПРОСЫ ДИНАМИКИ и ПРОЧНОСТИ КРИОГЕННЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИН С ВРАЩАЮЩИМСЯ КРИОСТАТОМ 5.1. Специфика конструкции криостата Основная особенность конструкции КЭМ состоит в том, что на роторе отсутствует массивный ферромагнитный сердечник, а его сверхпроводниковая обмотка возбуждения заключена в систему соосных цилиндрических оболочек, выполняющих роль электромагнитного и теплового экра-. нов, бандажа и корпуса криостата. Принципиальная схема КЭМ с вращающимся криостатом показана на рис. 5.1; некоторые конструктивные схемы реальных криотурбогенераторов приведены в [1.4]. |
© 2024 Constanta-Kazan.ru
Тел: 8(843)265-47-53, 8(843)265-47-52, Факс: 8(843)211-02-95 |