Az alacsony hőmérséklet előállítása

Az alacsony hőmérséklet előállítása

Dr Vajda István: Szupravezetők alkalmazásai

BME VIK 2012 ősz

A kriorendszerek jelentősége

Megbízható, alacsony üzemeltetési költségű, kisméretű és olcsó hűtőrendszer kialakítása a szupravezetős elektrotechnikai alkalmazások kereskedelmi elterjedésének kulcskérdése.


BME VIK 2012 ősz

A hőszigetelés elvei és módszerei A hőszigetelés módszerei  Radiáció védeni az alkatrészeket/komponenseket a sugárzó hő ellen visszaverő tükörfelületekkel  Konvekció védeni az alkatrészeket/komponenseket hosszú időn keresztül fenntartható vákuum segítségével minél kisebb éves javítási idő mellett  Kondukció összekötni az alacsony hőmérsékletű komponenst a szobahőmérsékletű zónával olyan vezető segítségével, melyenk hővezetőképessége kicsi. (HTS current lead).  Fontos, hogy az alacsony hőmérsékletű komponens rögzítését megoldott legyen, például:  

 izgalmas megoldás az MHS lebegtetés alkalmazása (levitated LH2 container).  úgynevezett nyomaték-cső a szupravezetős szinkron gépek esetében.


BME VIK 2012 ősz

A hőterhelés forrásai Az alacsonyhőmérsékletű zóna hőterhelését az alábbi tényezők okozzák: 









A kriosztáton keresztül áramló hő

A villamos csatlakozásokon, áram-hozzávezetéseken keresztül áramló hő Mechanikai disszipáció által generált hő (a hűtőanyag viszkózus mozgása, a vezetők mozgása, stb) A villamos eredetű veszteségek által generált hő (pl. a szupravezető ac vagy hiszterézis-vesztesége, da szigetelők dielektromos vesztesége, stb.) …


BME VIK 2012 ősz

Forráspontok és párolgáshők Hűtőanyag

Tboiling [K]

Tmin ~ Tmax [K]

pmin ~ pmax [torr]

hL [J/cm3]

Helium

4.22

1.6 ~ 4.5

6 ~ 984

2.6

Hydrogen (?)

20.39

14 ~ 21

59 ~ 937

31.4

Neon

27.09

25 ~ 28 (?)

383 ~ 992

104

Nitrogen

77.39

64 ~ 80 (!)

109 ~ 1026

161

Oxygen

90,18

55 ~ 94 (!)

1.4 ~ 950

243

Y. Iwasa, „Case studies in superconducting magnets…”


BME VIK 2012 ősz

A hűtés hatásfoka (fajlagos hűtőteljesítmény) 1 W teljesítmény (alacsony hőmérsékleten) elszállításához szükséges hűtőteljesítmény

Hűtőgép hatásfoka

 = 100 %

Tipikus

 = 20 %

4,2 K

1000 W

25 K

125 W

77 K

6-10 W

Tlow, K 77.3

2.8

14

75

2.9

14.5

70

3.2

16

65

3.5

17.5

40

6.3

31.5

4.2

68.8

344


BME VIK 2012 ősz

A hűtés költségei

Szobahőmérséklet = 1x

K. Salama, Lecture notes at ASSE 2004


BME VIK 2012 ősz

A hűtés költségei

Superconductivity for Electric Systems Program Plan, FY 1996-2000, DoE, US Dr Vajda István: Szupravezetők alkalmazásai

BME VIK 2012 ősz

Kereskedelmi célú cryocooler

48 kWe input Alacsony hőmérsékletű hűtőteljesítmény

alacsony


BME VIK 2012 ősz

A hűtés költségei • beruházási költség: cryocooler (150 k €) és kiegészítők (65-200 k €) pl:

215 -350 k€ értéken „megvehető” 2.8 kW hűtőteljesítmény @ 66K 4.0 kW hűtőteljesítmény @ 77K

• karbantartás (cryocooler) pl.: minden 6,000 órában, le egészen a 8 óránkéntiig • üzemeltetési költségek (cryocooler) például: 48 kWe x ?0.10 € /kWh? x 8760 h/év = 42 k € /év …elég sok…


BME VIK 2012 ősz

Hőterhelések A hő terjedése

1. 1. 2.

3.

Példák

2. 1. 2. 3.

3.

hővezetés hősugárzás hőátadás (áramlás) hővezetés hősugárzás hőátadás (áramlás) Igények a magashőmérsékletű szupravezetők alkalmazásánál


BME VIK 2012 ősz

3.1 Hővezetés Egy meleg (Tm) és egy hideg (Th) hőtartály között lévő A keresztmetszetű, L hosszúságú hővezető anyag által szállított hőmennyiség: Tm

Th

L

1. ábra


BME VIK 2012 ősz

Q = λ . (Tm – Th) . A . t/L Q/t [W] = λ [W/mK].(Tm [K]–Th [K]).A/L [m] Jelölés

Elnevezés

Mértékegység

Q

hőmennyiség

J

λ

hővezetési tényező

W/mK

Tm,Th

Meleg, ill. hidegvég hőmérséklete

K

A

keresztmetszet

m2

L

hossz

m


BME VIK 2012 ősz

Néhány anyag hővezetőképessége Anyag

Hővezetési együttható W/mK

Ezüst

360

Réz

340

Szinterelt Bi-2223

0,27

Melt textured Bi-2212

0,22

Szinterelt Y-123

0,78

Y║c

2,6

Y ║ ab sík

3,7


BME VIK 2012 ősz

3.2 Hősugárzás A sugárzás útján beáramló hőmennyiséget a StefanBoltzmann egyenlet írja le: Erad = er  (T4m - T4h) Jelölés

Elnevezés

Mértékegység

Erad

sugárzott hőmennyiség

W

er

emissziós (abszorpciós) tényező

W/m2

Tm,Th

Meleg környezet, ill. a hideg felület K hőmérséklete



Boltzmann állandó


5,67.10-8 W/m2K4

BME VIK 2012 ősz

ertot

Erad[mW/m2]

Durva lemez

0.12

55 000

Mechanikusan polírozott

0.06

27 500

Durva lemez

0.34

155 000


0,12

55 000

Elektrolitikusan polírozott

0,1

46 000

Durva lemez

0.49

224 000


0,10

46 000

Elektrolitikusan polírozott

0,8

37 000

Fólia

0,6

28 000

Anyag

Réz

Rozsdamentes acél

Alumínium


BME VIK 2012 ősz

Azonos sugárzó és elnyelő felületeket feltételezve:

Erad = er  (T4m - T4h) / (ni + 1) Ebből következik, ha „jó”, azaz kis emisszió-képességű fóliákkal (lásd táblázat) leárnyékoljuk a hidegfelületet, akkor a sugárzásos hőbeáramlást jelentősen lecsökkenthetjük.


BME VIK 2012 ősz

3.3 Áramlásos hővezetés Gázok, folyadékok által bevezetett hőmennyiséget az Ebe = g Pg A(Tm - Th) egyenlettel írhatjuk le, ahol Ebe [W/m2] a bevezetett hőmennyiség, g [W/m2 Pa K] a gáz, (vagy folyadék) hővezetőképessége, Pg a nyomása, A a (két szemben lévő) felület.

Amennyiben a felületek között a gáz erőteljesen, (esetleg a felületre merőlegesen is) áramolhat, a hőátadás jelentősen megnőhet.


BME VIK 2012 ősz

4. Példa Példaképpen tekintsünk egy YBCO MPMG tárcsát, amelynek átmérője 40 mm, magassága pedig 10 mm.


BME VIK 2012 ősz

4. Példa (folyt) Az alsó és felső felület területe: d 2   0,042  3,141593 A   0,001256637m 2  1256,637 106 m 2 4 4

Az alábbi adatok ismertek: W   5,67 10 m2  K 4 T1  77 K 8

T2  300 K Dr Vajda István: Szupravezetők alkalmazásai

BME VIK 2012 ősz

4. Példa (folyt) A hősugárzásra vonatkozó összefüggés ismeretében: Erad = er  (T4m - T4h),

Továbbá feltételezve, hogy az YBCO ideális fekete test, azaz er=1, a felületegységre jutó abszorbeált hőmennyiség:





dErad W  5,67 108  3004  77 4  457,2768 2 dA m Így a teljes abszorbeált hőmennyiség: P  457,2768

W 2  0 , 001256637 m  0,57463W 2 m


BME VIK 2012 ősz

4. Példa (folyt) Számítsuk ki a hősugárzás következtében létrejövő hőmérséklet-különbséget a tárcsa alsó és felső felületei, feltételezve, hogy a tárcsa alsó felét hűtjük folyékony nitrogénnel.

Az YBCO hővezetési együtthatója a táblázat alapján a c-tengely mentén 2.6 W/mK. Ezzel:

W mK 1 h 1 0,01 T    P    0,57463  1.7588 K  A 2.6 0,001256637

  2.6


BME VIK 2012 ősz

Köszönöm!


BME VIK 2012 ősz

Igények Tétel

Units

Cu

BSCCO

BSCCO

YBCO CC

MgB2

Üzemi hőm.

K

300

77

77

68

25

Mágneses tér

T

2

0

2

2

2

Villamos veszteség, fajlagos

W/kA x m

60

0.25

0.25

0.25

0.125

Effektív Carnot hatásfok

Wt/We

1

20

20

23.6

76

Villamos terhelés a kriorendszerben

W/kA x m

0

5

5

5.9

9.5

A veszteségek teljes költsége @ 1$/W

$/kA x m

60

5

5

5.9

9.5

A hűtőrendszer ára @ 5$/W

$/kA x m

0

25

25

29.5

47.5

Huzal ára (T, H)

$/kA x m

5

50

150

50

2

Teljes költség

$/kA x m

65

80

180

85

59

P.M.Grant, Materials Research Society Symposium Proceeding, 689, 3-9 (2002). Dr Vajda István: Szupravezetők alkalmazásai

BME VIK 2012 ősz

Az alacsony hőmérséklet előállítása

Recommend Documents