Техника низких температур в энергетике реферат

Обновлено: 08.07.2024

Северу России присущи следующие основные признаки: значительная удаленность промышленно развитых центров и общих районов (1000-3500км), разрозненные транспортные узлы, низкая плотность населения; более высокие, чем в других районах страны, затраты общественного труда, экстремальные природные условия, что является причиной к автономной малой энергетики, базирующей на дизельных электростанциях с распределительными сетями 10-35 кв.

Такое электроснабжение имеет ряд серьезных недостатков: трудности и дороговизна топливоснабжения, низкое качество электроэнергии. Так, в некоторых улусах Якутии стоимость завозимого топлива колеблется в пределах 10-20 тыс.руб./т. Все эти факторы не позволяют широко электрифицировать производственные процессы и тем более быт населения [11].

Современное состояние электроэнергетики характеризуется высокой степенью изношенностью генерирующих мощностей их низкая экономичность, медленная замена устаревшего оборудования на новые технологические оборудования. Суммарная мощность устаревшего оборудования на работающих станциях составляет 82,1 млн. кВт, или 40,5% установленной мощности.

Проблема надежности оборудования энергетики – одна из основных в электроэнергетических системах Севера, как в теоретическом, так и практическом плане.

Электротехническое оборудование рассматривается с позиции эксплуатационной надежности, которая базируется на многолетних статических наблюдениях, за состоянием основного и вспомогательного оборудования.

Таблица 1- распределение повреждений по элементам оборудования

фундаменты и опоры ВЛ

коммутирующие аппараты и их приводы

влияние грозовой активности

Надежная работа различного оборудования: трансформаторы, электромашины, выключатели, разъединители, отделители, короткозамыкатели зависит от: обеспечения стабильно низкой вязкости изоляционных и смазывающих масел.

Изменение физико-механических свойств металла оборудования, например, защелок и пальцев разъединителей, изнашивание деталей из полимерных композитов, изменение свойств резиновых изделий, оборудования, износ приводов выключателей при экстремально низких температурах, что влияет также на сроки между текущими и капитальными ремонтами и в целом на моторесурсе оборудования. Одним из сложных проблем энергетики Севера является обеспечение круглогодичного низкого сопротивления заземляющих устройств трансформаторных подстанций.

В связи с выше сказанным, проведен анализ по различным видам износа полимерных материалов, методов снижения вязкости изоляционных и смазывающих материалов и стабилизаций сопротивлений заземляющих устройств, при наличии многолетнемерзлых грунтов [2].

Работа силовых трансформаторов

На работу трансформаторов большой мощности с естественной циркуляцией масла начинают влиять понижение температуры ниже -30°С, и скоростях ветра более 10м/с. при этом снижается интенсивность переноса тепла от нагруженной поверхности обложки к стенкам бака и радиаторам за счет увеличения вязкости масла. Это явление усиливается, когда при сильных морозах внезапно повышается нагрузка. Теоретические и экспериментальные исследования тепловых режимов трансформаторов показывают, что при низких температурах окружающей среды перепад температур масла значительно возрастает и превышает нормируемые значения [4].

Для поддержания температуры масла трансформатора применяют различные системы электроподогрева, обдува теплым воздухом.

Широкое применение нашло конструкция нагревателя мощность, которой изменяется в зависимости от температуры масла. Такой нагреватель изготавливается из материала на основе политетрафторэтилена с углеродным наполнителем [7]. Данный материал имеет нелинейную вольтамперную характеристику. Его сопротивление резко возрастает при повышении температуры и уменьшается сопротивлении при понижении температуры.

Температурный порог срабатывания нагревателя определяется его составом и может изменяться в широком диапазоне температур. Подобрав различной конструкции нагреватель можно разместить внутри корпуса трансформатора, что позволит эффективно и с малыми затратами энергии подогревать масло.

Также применяют искусственный обдув силовых трансформаторов, который эффективен только в области температур окружающего воздуха до -30°С.

Другим вариантом экономичного нагревателя может быть скин-эффектная конструкция, которая может встраиваться как внутри так и снаружи корпуса трансформатора. В сравнении с греющими элементами из проводов различного сопротивления скин-эффективный греющий элемент потребляет значительно меньше энергии, имеет безопасное рабочее напряжение и долговечен.

В экстремальных условиях Севера для уменьшения дополнительных затрат электроэнергии были использованы синтетические жидкие диэлектрики [5]. Наиболее перспективным в качестве электроизоляционных жидкостей для трансформаторов могут быть жидкости на основе хлорированных ароматических углеводородов (полихлордифенилов или их смесей с полихлорбензолом), например гексол, совол пиранол, клофен, сибанол и др.

При эксплуатации силовых трансформаторов в условиях Севера на открытом воздухе большое значение имеет уплотнение и герметизация кожухов. Во время метелей и вьюг мельчайшие пылевидные частицы снега проникают в самые незначительные отверстия в кожухах и ограждениях, заполняя весь объем снежной массой. Например, имел место случай, когда через замочную скважину двери за 8 ч. В помещение занесло 1,5 м3 снега.

Надежная работа различного рода выключателей связана с задачей обеспечения стабильно низкой вязкости изоляционных и смазывающих масел, а также способность снижать трение и износ втулок, прокладок, элементов конструкции механизмов выключателей при экстремально низких температурах.

Работа масленых выключателей периодически сопровождается возникновением электрической дуги. Увеличение вязкости трансформаторного при низких температурах снижает скорость горения дуги, а ее длительное горение разрушает контактную поверхность и увеличивает количество продуктов разложения масла, ведущим к ухудшению изоляционных свойств.

Применение индукционного способа подогрева не улучшает положения. К тому же необходимо следить за образованием и удалением конденсата и шлака со дна выключателя.

В некоторых случаях целесообразно использовать синтетические электроизоляционные жидкости.

Например, можно использовать жидкости на основе фторорганических соединений, типа ДК-104, ДГ-180, Д-83. Эти жидкости не горючи, взрывоопасны, химически инертны к действию сильных кислот, щелочей, окислителей и других агрессивных сред.

Применение перфторированных жидкостей как диэлектриков-теплоносителей уменьшает массу и объем аппаратов, увеличивает срок службы, проявляет стойкость к агрессивным средам, повышает надежность в работе.

Проблема долговечности различным видам износа деталей, надежности машин и механизмов электрических аппаратов может решаться за счет изменения свойств поверхностного слоя, за нанесением покрытий методом на плави и напыления [1].

Вызывает интерес применения полимеров для изготовления деталей аппаратов в узлах трения из политетрафторэтилена (ПТФЭ), сохраняющий работоспособность в широком интервале температур. Известно, что существенную роль в изнашивании полимерных материалах играют трибохимические процессы[8]. О характере трибохимических реакций можно судить по зависимости полного ионного шока износа от температуры [8]. Первый широкий максимум отражает выделение низкомолекулярных (m/z до

431) фрагментов полимерной цепи. Активное выделение этих продуктов в низкотемпературной области свидетельствует об интенсивном трибодеструкции наполненного ПТФЭ.

На надежность и долговечность работы аппаратов и механизмов влияют эксплуатационные характеристики смазочных масел и присадок, которые увеличивают ресурс на 50 % и более, благодаря повышению морозостойкости.

Противоизностное действие смазочных материалов основано на образовании ими на трущихся поверхностях защитных пленок способных снижать износ и трение. Исследования влияния толщины пленок, образуемых минеральным маслом нефтяного происхождения без присадок, на интенсивность изнашивания трущихся поверхностен в различных условиях эксплуатации показали, что толщина пленки от 0,5 до 20 мкм[3].

С целью улучшения характеристик смазывающих материалов для работы при низких температурах разработаны и внедрены присадки, которые обеспечивают их всесезонную пригодность. Например присадка представляющий тонкодисперсный порошок из синтетических алмазов, добавление которого в масло в малых количествах (0,05 ÷ 0,5%) снижает коэффициент трения в подшипниках скольжения в 1,5-1,8 раза, а темп износа трущейся пары – от 20до 10 раз.

Такое действие ультрадисперсных алмазных порошков вызвано новой технологией их получения, при которой кристаллы принимают сферическую форму, которые работают как шарики в подшипнике качения.

На основании положительного опыта использования присадок к маслам и смазкам из синтетических алмазных ультрадисперсных порошков предложено применять для этих же целей порошок из природных технических алмазов [6], используя природные ресурсы Республики Саха (Якутии).

Эксплуатация эластомерных изделий в электрических аппаратах и машинах, подвержено жестким требованиям по всем эксплуатационным показаниям, таким как морозо-износостойкость, прочностные характеристики, способность материалов противостоять воздействию различных агрессивных сред. Существующие материалы и изделия как российского, так и зарубежного производства не удовлетворяют выше перечисленным требованиям.

Перспективным направлением разработки новых уплотнительных морозостойких эластомерных материалов является создание материалов на основе смесей полимеров. Однако найти пару каучука и полимера с близкими значениями весьма сложно. В этом случае необходимо применение специальных структурно-активных добавок (компатибилизаторов), способствующих снижению межфазного натяжения между двумя полимерами вследствие чего происходит повышение взаимодействия на границе раздела фаз [13].

При создании морозостойких резин уплотнительного назначения необходимо в одном материале совместить несколько свойств, противоречивых физико-химическим фактором.

Высокую агрессивостойкость и износостойкость придают каучукам полярные группировки в полимерной цепи, однако их присутствие существенно усиливает мексмолекулярное взаимодействие, что снижает гибкость макромолекул и, соответственно, процессы стеклования происходят при повышенных температурах, т.е. ухудшается морозостойкость.

В настоящее время используют резиновую смесь В-14 на основе бутадиен-нитрильного каучука. Это единственный впускаемый каучук в промышленности России, обладающий достаточной морозостойкостью.

Были рассмотрены возможности повышения эксплуатационной надежности оборудования электроэнергетики. Некоторыми факторами ограничения реализации рассмотренных предложений, являются отсутствие концептуальных положений, методологии и в принципах решение конкретных технических задач, в которых предусматривается повышение надежности работы оборудования в экстремальных условиях Севера.

3. Заславский Ю.С.Трибология смазочных материалов.- М.:Химия,1991-223с.

4. Кобылин В.П., Аргунов Л.И. некоторые вопросы эксплуатации трансформаторных подстанций на севере//Вопр.энергетик ЯАССР.- Якутск, 1973.-С.53-59.

6. Кобылин В.П., Черский И.Н., Седалищев В.А., Платонов Н.Н. Смазочный материал для техники северных регионов//Колыма-Магадан, 2001-С.56-59.

7. Коваленко Н.А., Черский И.Н. Исследование физико-механических свойств композиций на основе политетрафторэтилена с углеродными наполнителями – Рига; Зинатне,1991.- №1- с.14-19.

8. Краснов А.П.Автореф.дисс.докт.хим.наук, Москва, 1988,40с.

9. Охлопкова А.А. Дисс. …докт.техн.наук, Гомель,2000, 295с.

10. Охлопкова А.А., Виноградов А.В., Устыч Ю.Н., Краснов А.П. .Трение и износ.1997,Т17,№1,с.114-120

11. Петров Н.А. Научно-методические основы и практика формирования стратегий развития энергетики регионов Севера (на примере Якутии): Дис…д-ра техн.наук в форме научного доклада.- иркутск.1996-63с.

13. Талиханов М.Ф. Усиление смеси полимеров порошкообразным наполнителем/М.Ф.Талиханов, А.Е.Заикин//Пластические массы.1999,№3 С.9-11

Министерство общего и профессионального образования

Вятский государственный университет

Кафедра электроэнергетических систем

По курсу введение в специальность

Разработал студент гр. Э-12Скулкин Д.В.

Проверила Репкина Н.Г.

1. Криогенные и сверхпроводящие линии электропередачи

2. Накопители энергии

3. Криогенная техника

4. Оценка целесообразности

Введение

Существенное уменьшение электрического сопротивления очень чистых металлов (алюминия, меди, бериллия, натрия) с понижением температуры, главное — сохранение некоторыми сплавами сверхпроводимости в сильных магнитных полях при больших плотностях тока создали принципиальные возможности для применения глубокого холода в новых сферах, из которых наиболее важное значение имеют электротехника и электроника.

Использование сверхпроводников может оказаться экономичным при создании в будущем сверхмощных электрических машин, аппаратов, линии электропередачи (ЛЭП), что представляется весьма актуальной проблемой для перспектив развития электроэнергетики. Цель научных исследований на ближайший период: изыскание новых сверхпроводящих материалов с повышенными критическими параметрами, пониженными потерями в переменных полях и создание на их основе совершенной технологии изготовления проводников (проволочных и ленточных, - пригодных для обмоток машин и аппаратов; композиционных изделий), удешевление сверхпроводящих материалов, определение областей технико-экономической целесообразности применения сверхпроводников, а также разработка конструкции сверхпроводящих машин, аппаратов. ЛЭП и пр.

1) применение очень чистых алюминия или меди, охлаждаемых жидким водородом (криогенные* машины, аппараты, линии электропередачи);

2) применение сверхпроводников, охлаждаемых жидким или сверхкритическим гелием (сверхпроводящие машины, аппараты, линии электропередачи).

1 Криогенные и сверхпроводящие линии электропередачи

Возможность применения низких температур в системах передачи электроэнергии на протяжении последних лет привлекает внимание многих исследователей.

Передача и распределение подавляющего количества электроэнергии производится по сетям переменного тока. основным элементом которых являются воздушные линии электропередачи (ЛЭП), функционирующие под высоким напряжением (в России обычно 110.220, 500).

Ввод больш* их потоков энергии в крупные города и промышленные районы посредством воздушных ЛЭП связан с серьезными осложнениями: необходимо отчуждение значительных участков земли в пригородных жилых районах, создаются помехи авиатранспорту и известная опасность для населения, возникают радиопомехи и т.п.

По этим причинам определилась тенденция к осуществлению так называемых глубоких вводов в города и промышленные районы с помощью высоковольтных подземных кабелей, которые на достаточном удалении от потребителей (5—50 км) стыкуются с воздушной ЛЭП. При больших передаваемых мощностях обычно применяются высоковольтные маслонаполненные кабели: в США максимальная мощность, передаваемая по такому кабелю при напряжении 345 кВ. достигает 500 МВ×А, а в Европе— 1000 МВ×А. Стоимость самого кабеля, а также его прокладки довольно высоки- в зависимости от режима эксплуатации ЛЭП капитальные затраты при сооружении кабельной линии на напряжение 345 кВ в 10—13 раз выше, чем при сооружении воздушной ЛЭП на те же параметры , поэтому естественны поиски других технических решений, к числу которых относится исследование возможности сооружения криогенных и сверхпроводящих линий электропередачи относительно небольшой протяженности.

Короткие сверхпроводящие кабельные линии постоянного тока могут найти применение в производствах, использующих большие токи сравнительно низкого напряжения: при получении алюминия или хлора электролизом, в мощных электропечах. более отдаленной и менее определенной перспективой представляется сооружение криогенных или сверхпроводящих ЛЭП большой протяженности: такие линии намного сложнее и дороже обычных воздушные ЛЭП и сооружение их может оказаться.

Современная электротехника требует изыскания принципиально новых решений научно-технических задач, обусловленных ростом единичной мощности энергетических блоков и необходимостью передачи огромных количеств энергии по дальним по дальним линиям электропередачи. Уже освоены энергоблоки мощностью 500 и 800 МВт, на стадии изготовления находятся блохи мощностью 1200, а для более далекой перспективы (к 2000 г.) анализируются возможности доведения единичной мощности турбогенератора до 2500-3000 МВт на базе обычной конструкции в четырехполюсном исполнении. Рост единичной мощности требует более интенсивного охлаждения, приводит к снижению КПД и увеличению относительных реактивностей

Для России с ее огромными пространствами и крайне неравномерным распределением энергоресурсов (в европейской части страны около 12% энергоресурсов, а в азиатской до 88%) первостепенное значение имеет проблема создания мощных и дальних ЛЭП.

Помимо других сложных вопросов, возникает необходимость в существенном повышении Номинального напряжения. Уже освоено напряжение переменного тока 500 кВ, испытываются воздушные ЛЭП переменного тока на 750 кВ (Конаково - Москва), а также ЛЭП постоянного тока 'на 800 кВ (Волгоград—Донбасс). В соответствии с разрабатывается комплексное электрооборудование для ЛЭП переменного тока 1150 кВ (для межсистемных связей в энергосистемах) и для ЛЭП постоянного тока на 1500 кВ протяженностью 2500 км (Экибастуз-Центр) с передаваемой мощностью 6 МВт. Напряжения 1150кВ переменного или1500 постоянного тока оказываются недостаточными для более мощных ЛЭП. Между тем мощность будущих ЛЭП из Восточной Сибири в европейскую часть России будет превышать 10 ГВт по одной цепи, что потребует повышение уровня напряжения до 2200-2400 кВ. В свете. сказанного ожидается, что в недалеком будущем (1990-2000 гг.) научно-технические возможности классической электротехники достигнут своего предела и потребуются новые решения сложных задач генерирования, преобразования и передачи электроэнергии. Применение чистых металлов, охлажденных до 15—20 К, а главное сверхпроводников представляется одним из возможных путей развития будущей электротехники больших мощностей.

2 Накопители энергии

Наличие материалов, сохраняющих свойства сверхпроводимости в сильных магнитных полях, выдвинуло интересную идею накопления энергии в магнитном поле соленоидов. Накопление энергии часто требуется для создания импульсных разрядов большой мощности при исследованиях оптических квантовых генераторов (лазеров) и опытах по расщеплению и синтезу ядер и др. Импульсное выделение энергии за короткий промежуток времени могут обеспечить заряженные конденсаторные батареи. Плотность энергии, запасенной в конденсаторной батарее, сравнительно мала (3×10 5 Дж/м 3 ); для создания мощных импульсов необходимы очень громоздкие конденсаторы. Энергоемкость аккумуляторов на три порядка больше энергоемкости конденсаторных батарей, но аккумуляторы не могут обеспечить отдачу энергии в милли- или микросекунды. Достаточные плотности энергии могут быть получены при использовании магнитного поля катушки с воздушным сердечником, но для обычных катушек это сопряжено с большими потерями мощности. В свете сказанного значительный интерес для создания мощных импульсных источников представляют катушки из жестких сверхпроводников. Энергия, заключенная в магнитном поле, на единицу объема равна 0,5m₀ Н 2 ; для однородного поля напряженностью в 80 кА/см запас энергии составит около 40 МДж/м 3 . Предполагается, что жесткие сверхпроводники могут быть применены не только для создания мощных импульсных источников энергии, но ив качестве аккумуляторов энергии для покрытия пиковых нагрузок в энергосистемах. В существующих сверхпроводящих магнитных системах запасенная энергия достигает 4—б МДж. Исследуется возможность накопления энергии порядка 1013 Дж, что может оказаться уже полезным для регулирования производства электроэнергии в стране. Такой грандиозный накопитель предполагается выполнить в виде тороидальной катушки диаметром обмотки 17 м, средний радиус тороида 68 м, плотность тока 3×10 5 А/см 2 , а максимальная индукция 7 Т. Намагничивание жестких сверхпроводников приводит к сильному гистерезису, определяющему потери. При резких изменениях тока к гистерезисным потерям добавляются потери, связанные с перемещением магнитного потока. Значительны потери за счет теплопритоков, оцениваемые 0,05 Вт/м 2 при 4 К. Грубые оценки общих потерь для этого накопителя дают значение около 104 Вт на уровне 4,2 К; криогенные установки такой мощности пока еще не созданы, но их стоимость должна быть мала по сравнению со стоимостью накопителя.

При включении накопителя рассеиваемые мощности велики и необходимы меры, обеспечивающие рассасывание небольших зон нормальной проводимости в сверхпроводящем материале. При токе 105 А на провод отношение сечений стабилизирующего (5н) и сверхпроводящего (5с) материала, т. е. 5н/5с=40, а при токе 2-103 А это отношение снижается до 11. Рекомендованное значение тока 1,4×10 5 А, и каждый проводник внутри катушки должен разбиваться на 70 нитей с током в каждой примерно 2000 А.

На рис. 1 показана схема индуктивного накопителя энергии со сверхпроводящей катушкой. Сверхпроводящая катушка L заряжается при замкнутом выключателе B₁ и разомкнутых выключателях В₂ и В₃ . Последовательное сопротивление R регулирует постоянную времени и соответственно длительность зарядки. Когда в L запасено нужное количество энергии, выключатель В₃ в цепи 2 замыкается, а выключатель B₁ в цепи 1 размыкается; тем самым накопитель энергии отключается от источника питания.

Сверхпроводящий выключатель В₃ обеспечивает циркуляцию тока в цепи 2. Разрядку на нагрузку производят, замыкая В₂ в цепи 3 и размыкая В₁ . Энергия запасается при низком напряжении, высокие напряжения имеют место только при разрядке. Возможен очень быстрый разряд, но для этого необходим подходящий сверхпроводящий выключатель В₃ , который должен в замкнутом состоянии обеспечить нулевое сопротивление, а при разряде размыкаться за возможно короткое время (в целях снижения потерь в В₃ при разряде). Эймин и Видерхольд рассмотрели работу мощных быстродействующих сверхпроводящих выключателей с тепловым и магнитным управлением для получения коротких мощных разрядов энергии, запасенной в сверхпроводящих катушках. Авторы считают, что магнитный 'выключатель в данном случае более удобен для сверхпроводящих систем накопления энергии.

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

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 м 3 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 м 3 (потери от испарения не превышают 0,2% в сутки). Создано сферическое хранилище жидкого Н₂ из алюминия емкостью 378,5 м 3 .

Применяются транспортные СОСУДЫ жидкого водорода емкостью

5-6 м 3 с суточной испаряемостью 1,5%, а в последние годы сооружены транспортные цистерны емкостью 107 м 3 жидкого Н₂ . Емкость самого крупного хранилища шарообразной формы для жидкого Н₂ достигает 2850 м 3 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 м 3 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); р_т и р_зоок — электрическое сопротивление металла при температуре 300 К; h— КПД холодильного цикла (по отношению к циклу Карно).

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.

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.

Промышленное и научное значение криогеники. Криогенные машины как база, на которой создаются все современные криогенные системы. Краткий исторический очерк развития криогенной техники. Характеристика изобретений различных учёных в области криогеники.

Рубрика	Производство и технологии
Вид	статья
Язык	русский
Дата добавления	27.01.2016
Размер файла	20,5 K

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Необычный мир низких температур постоянно привлекает внимание исследователей из самых различных областей знаний и является источником новых идей и открытий. Явления, эффекты и свойства, проявляющиеся в низкотемпературной области, открывают перед учеными и инженерами широкий круг новых возможностей.

Достижения низких и сверхнизких температур ценно для нас тем, что в этих условиях мы встречаемся с новыми явлениями и фактами, которые помогают проникать в суть строения материи, позволяют использовать новые методы исследования; наконец, низкие температуры являются важным инструментом технического прогресса, особенно в области новой техники.

Исключительно важное промышленное и научное значение криогеники, огромный интерес к ее достижениям и быстро расширяющиеся сферы ее приложения объясняются следующим.

Во-первых, все более увеличивается применение многими отраслями промышленности (металлургия, химия, энергетика, атомная, авиационная, ракетная и космическая техника, сельское хозяйство, медицина, пищевая промышленность и др.) различных так называемых промышленных газов: кислорода, азота, метана, аргона, водорода, гелия, неона, криптона и некоторых других. Эти газы, используемые как в жидком, так и в газообразном состоянии, имеют низкие температуры кипения, лежащие в области криогенных. Поэтому технология их получения, применения, транспортирования, хранения органически связана с криогеникой и составляет ее обширную область.

Во-вторых, при низких температурах уменьшается электрическое сопротивление, и обнаруживаются такие свойства материи, как сверхпроводимость и сверхтекучесть. В настоящее время начинают широко использовать охлаждение до очень низких температур обмоток электрических машин и аппаратов и сверхпроводников в энергетике, приборостроении, на транспорте, а также в ряде новых перспективных областей техники. В последние годы открыто явление высокотемпературной сверхпроводимости и созданы материалы, переходящие в сверхпроводящее состояние при температурах 92…98 К и даже более высоких. Практическое использование этих материалов приведет к принципиальным техническим преобразованиям.

Базой, на которой создаются все современные криогенные системы, являются криогенные машины - машины, в которых хотя бы один процесс рабочего цикла протекает при температурах ниже 120 К. Их можно подразделить на машины, производящие холод, и на машины, обеспечивающие сжатие и транспортировку криоагентов.

К первой группе относятся машины, в которых сжатый газ или пар расширяется и производит работу. Эти машины предназначены для преобразования теплоты, отводимой от объекта охлаждения при низких температурах, в механическую энергию, которую можно передать, отводить к внешним объектам. Обязательными элементами таких машин являются устройства для восприятия механической энергии от газа: поршень, колесо турбины, вытеснитель. К рассматриваемым машинам относятся детандеры (расширительные машины) и так называемые криогенные газовые машины (КГМ).

Детандеры аналогичны тепловым двигателям, т.е. поршневым паровым двигателям и турбинам. Эти машины получили широкое распространение в качестве генераторов холода в воздухоразделительных установках (ВРУ), в рефрижераторных гелиевых установках (РГУ) и установках для получения жидких гелия, водорода и других газов.

В КГМ работа расширения газа в холодной полости передается через поршень на вал или вытеснителем к газу, находящемуся в тепловой полости. В КГМ теплообменные аппараты размещены в мертвых объемах поршневой машины. Простейшая КГМ эквивалентна криогенной установке, состоящей из поршневого детандера и теплообменных аппаратов, а КГС Стирлинга - криогенной установке, состоящей из поршневых компрессора и детандера и теплообменных аппаратов. В теплоиспользующих КГМ производят холод за счет подвода теплоты от высокотемпературного теплового источника. В этом случае КГМ состоит из теплового двигателя, компрессора и криогенной установки. Реализация нескольких процессов в одном агрегате позволила сократить массу и размеры установки. Поэтому КГМ получили наибольшее распространение в микрокриогенной технике. Их используют также в качестве генераторов холода в воздухоразделительных установках и гелиевых системах небольшой холодопроизводительности и для переконденсации паров при длительном хранении жидких криопродуктов.

Ко второй группе криогенных машин относятся компрессоры и насосы, работающие при температурах ниже 120 К. Они отличаются от аналогичных машин, используемых при нормальных температурах, спецификой теплофизических свойств газов, жидкостей и конструкционных материалов при низких температурах, а также особенностями компоновки с другими агрегатами криогенных установок. Применение холодных компрессоров позволяет организовать каскады для отвода теплоты из зоны с наиболее низкой температурой в зону с промежуточной температурой. Насосы применяют в ожижителях газа и воздухоразделительных установках для выдачи криопродукта при повышенном давлении, а также в гелиевых рефрижераторах для прокачки переохлажденного гелия через каналы охлаждаемых устройств.

Краткий исторический очерк развития криогенной техники

В 1898 г. Ж. Клод изготовил и начал испытания первой расширительной машины, которая состояла из небольшого вертикального пневматического мотора, тормозимого куском дерева, и теплообменника. При этом первые попытки были направлены на получение в конце процесса расширения парожидкостной смеси. Надо отметить, что они не привели автора к положительному результату, поэтому он стал использовать расширительную машину в качестве генератора холода для предварительного охлаждения воздуха, находящегося под давлением. Работы по созданию первых поршневых расширительных машин были независимо проведены Пикте (1905 г.), Гейландом (Германия) и Плясом (США). Гейланд применил поршневой детандер высокого давления в установке сжижения воздуха, который на входе в машину имеет температуру, близкую к условиям окружающей среды, поэтому средняя температура в процессе расширения стала выше, что дало автору возможность использовать смазку минеральным маслом.

В установках ожижения гелия поршневой детандер был применен академиком П. Л. Капицей. В первой машине отказались не только от смазки, но и от плотно двигающегося поршня, который двигался совершенно свободно, и газ протекал через зазор между цилиндром и поршнем. Уменьшение влияния утечки достигалось за счет уменьшения времени процесса расширения по сравнению со временем возвращения поршня назад. У первого образца машины КПД был около 0,7. Основные идеи этой конструкции в дальнейшем получили развитие в конкретных инженерных решениях поршневых детандеров гелиевых установок.

В процессе совершенствования конструкции поршневых детандеров большое внимание исследователи уделяли организации газораспределения. Классический тип поршневого детандера (ПД) с двумя клапанами впуска и выпуска, управляемого от кулачков, находящихся на коленчатом валу, долгое время оставался единственным, находившим применение в криогенной технике. Однако инерционные усилия, возникающие в механизме управления клапанами, сдерживали частоту вращения коленчатого вала. Увеличения частоты вращения можно было достигнуть, если изменить конструкцию узла газораспределения. Замена клапанного механизма окнами привела к созданию бесклапанного детандера для расширения гелия Доллом и Эдером в 1964 г. У нас этот принцип был еще ранее использован В. Б. Гридиным при проектировании и изготовлении прямоточного детандера, в котором впуск осуществлялся через клапан, а выпуск - через окна.

В настоящее время ведутся работы по созданию парожидкостных турбодетандеров, которые могут использоваться вместо дросселя в ВРУ.

В 1834 г. Дж. Гершель предложил конструкцию Р. Стирлинга в качестве холодильной машины для приготовления льда. Однако практически эта идея была реализована только через 30 лет А. Кирком в Шотландии. В 1874 г. он описал конструкцию холодильной машины с регенерацией теплоты, которая уже к этому времени проработала 10 лет. Изобретателем был сконструирован ряд холодильных машин Стирлинга для различных потребителей. Однако на своих конструкциях А. Кирку не удалось достигнуть уровня температур, характерных для криогенной техники. Во второй половине XIX в. появились двигатели внутреннего сгорания и аммиачные холодильные машины, которые практически вытеснили машины Стирлинга.

В настоящее время конструктивные разработки в основном касаются совершенствования приводного механизма и поиска конструкционных материалов для горячих цилиндров и нагревателей. Для охлаждения приемников излучения и других устройств потребовались машины с холодопроизводительностью в десятки раз меньшей холодопроизводительности выпускаемых в то время криогенных машин. В конце 1950-х гг. в США В. Гиффордом и Г. Мак-Магоном были запатентованы два типа КГМ с независимым источником сжатого газа.

В основу второго типа КГМ положена конструкция регенеративной холодильной машины, изобретенная Д. Постлом в Австралии и запатентованная в Англии в 1873 г. Оригинал представлял собой машину двойного действия, с помощью клапанов соединенную с компрессором двойного действия, в качестве рабочего тела которой использовался водород. Подобные холодильные машины предназначались для охлаждения мяса на морских судах.

В 1960 г. В. Гиффорд и Г. Мак-Магон, по существу, вторично изобрели машину. Разделив узел расширения и узел сжатия, им удалось реализовать оригинальный холодный цикл с неравновесным расширением рабочего газа и передачей энергии в окружающую среду в виде теплоты. После создания первых удачных образцов в течение года был освоен серийный выпуск КГМ Гиффорда - Мак-Магона.

Подобные документы

Особенности криогенных технологий. История физики низких температур. Технология разделения воздуха с помощью криогенных температур на основные газовые компоненты. Методы получения низких температур. Основные сферы применения криогенных технологий.

презентация [297,9 K], добавлен 05.12.2013

Особенности процесса производства и поставки оборудования фирмами-изготовителями. Общая характеристика вспомогательной техники для швейного производства, ее значение. Нетрадиционные области применения швейной машины, подходы и технические разработки.

реферат [1,6 M], добавлен 08.03.2011

Понятие, цели и принципы сертификации, системы и схемы их осуществления. Основы сертификации космической техники, нормативная база и государственное регулирование. Особенности применения технических регламентов в сфере космической техники на сегодня.

курсовая работа [21,5 K], добавлен 05.10.2011

Понятие техники. Понятие технического объекта . Техника в исторической ретроспективе. Типология техники. Границы техники. Социальные функции техники. Природа и техника. Тенденции развития современной техники.

реферат [19,9 K], добавлен 08.01.2003

Назначение детских удерживающих устройств, история их создания и основные виды. Составные части детского автомобильного кресла, характеристика исследуемого образца. Проведение патентного поиска для выявления существующих изобретений в данной области.

Техника умеренного и глубокого охлаждения нашла широкое применения в различных отраслях промышленности и физических исследований. Благодаря этим методикам стало возможным промышленное получение жидких газов, изучение таких уникальных феноменов как сверхпроводимость.

Сжижение газов

Использование и транспортировка газов в жидком виде позволяют значительно упростить работу с этими веществами. Рекордсменом в этой области является жидкий гелий, который является самой холодной из всех жидкостей. С его помощью стало возможным создание уникальных исследовательских установок, различных приборов и достижение сверхпроводимости.

Не менее важно и производство жидкого кислорода. Он используется как окислитель в ракетной технике, в медицине и химических производствах.

Холодильные установки

Промышленные холодильные агрегаты позволяют длительно сохранять большие объемы продуктов питания. Такие устройства нужны в химической промышленности, металлургии и многих других отраслях. Многие производственные циклы нуждаются в холодильных установках, поэтому такие приборы постоянно совершенствуются и модифицируются для повышения эффективности работы. Чтобы понимать, как низкие температуры влияют на, например, белки или ДНК, используют низкотемпературные сканирующие зондовые микроскопы.

Сублимация

Сублимационная сушка вымораживанием в условиях вакуума – ценная методика консервации различных пищевых продуктов. Технология позволяет сохранить практически все полезные вещества в продукте, его внешний вид и аромат.

Сверхпроводимость

Для достижения сверхпроводимости необходимо охладить проводник до очень низких температур. При этом ток по такому материалу начинает течь без сопротивления и потерь. Сверхпроводники – ценный материал для физических исследований.

В перспективе сверхпроводящие магниты могут стать основой для создания управляемой термоядерной реакции, что даст человечеству практически бесконечный источник энергии.

Также этот феномен используется для создания квантовых компьютеров. Кубиты, которые являются базовой основой этой вычислительной техники могут существовать только при экстремально низких температурах.

Электроника

Различные криоэлектронные устройства, такие как переключатели, резонаторы, детекторы и множество других применяют в создании различных исследовательских инструментов. С их помощью удается создать измерительные приборы, обладающие высокой чувствительностью.

Перспективными материалами для электроники являются низкотемпературные полупроводники, использование которых в будущем позволит создать принципиально новые вычислительные устройства.

Квадрокоптеры Hubsan для новичков и продвинутых пользователей

Эффективные деловые игры для сотрудников

Препарат Алерзин в аптеке 911

Женские платья от известных брендов

Leon Bet казино — зеркало, бонусы и бесплатная игра

Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.

Сверхпроводящий выключатель В₃ обеспечивает циркуляцию тока в цепи 2. Разрядку на нагрузку производят, замыкая В₂ в цепи 3 и размыкая В₁. Энергия запасается при низком напряжении, высокие напряжения имеют место только при разрядке. Возможен очень быстрый разряд, но для этого необходим подходящий сверхпроводящий выключатель В₃, который должен в замкнутом состоянии обеспечить нулевое сопротивление, а при разряде размыкаться за возможно короткое время (в целях снижения потерь в В₃ при разряде). Эймин и Видерхольд рассмотрели работу мощных быстродействующих сверхпроводящих выключателей с тепловым и магнитным управлением для получения коротких мощных разрядов энергии, запасенной в сверхпроводящих катушках. Авторы считают, что магнитный 'выключатель в данном случае более удобен для сверхпроводящих систем накопления энергии.

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 м 3 (потери от испарения не превышают 0,2% в сутки). Создано сферическое хранилище жидкого Н₂ из алюминия емкостью 378,5 м 3 .

Применяются транспортные СОСУДЫ жидкого водорода емкостью

5-6 м 3 с суточной испаряемостью 1,5%, а в последние годы сооружены транспортные цистерны емкостью 107 м 3 жидкого Н₂. Емкость самого крупного хранилища шарообразной формы для жидкого Н₂ достигает 2850 м 3 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.

где Т—оптимальная температура .хладагента (в идеальном случае—проводника); р_т и р_зоок — электрическое сопротивление металла при температуре 300 К; h — КПД холодильного цикла (по отношению к циклу Карно).

Читайте также: