Az alacsony hőmérséklet előállítása

Átírás

1 Az alacsony hőmérséklet előállítása

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

3 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 LH 2 container). úgynevezett nyomaték-cső a szupravezetős szinkron gépek esetében.

4 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.)

5 Forráspontok és párolgáshők Hűtőanyag T boiling [K] T min ~ T max [K] p min ~ p max [torr] h L [J/cm 3 ] Helium ~ ~ Hydrogen (?) ~ ~ Neon ~ 28 (?) 383 ~ Nitrogen ~ 80 (!) 109 ~ Oxygen 90,18 55 ~ 94 (!) 1.4 ~ Y. Iwasa, Case studies in superconducting magnets

6 A hűtés hatásfoka (fajlagos hűtőteljesítmény) Hűtőgép hatásfoka T low, K 1 W teljesítmény (alacsony hőmérsékleten) elszállításához szükséges hűtőteljesítmény = 100 % = 20 % Tipikus 4,2 K 1000 W K 125 W K 6-10 W

7 A hűtés költségei Szobahőmérséklet = 1x K. Salama, Lecture notes at ASSE 2004

8 A hűtés költségei Superconductivity for Electric Systems Program Plan, FY , DoE, US

9 Kereskedelmi célú cryocooler Alacsony hőmérsékletű hűtőteljesítmény 48 kwe input alacsony

10 A hűtés költségei beruházási költség: cryocooler (150 k ) és kiegészítők ( k ) pl: k értéken megvehető 2.8 kw 66K 4.0 kw 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

11 Hőterhelések 1. A hő terjedése 1. hővezetés 2. hősugárzás 3. hőátadás (áramlás) 2. Példák 1. hővezetés 2. hősugárzás 3. hőátadás (áramlás) 3. Igények a magashőmérsékletű szupravezetők alkalmazásánál

12 T m 3.1 Hővezetés Egy meleg (T m ) és egy hideg (T h ) hőtartály között lévő A keresztmetszetű, L hosszúságú hővezető anyag által szállított hőmennyiség: T h L 1. ábra

13 Q = λ. (T m T h ). A. t/l Q/t [W] = λ [W/mK].(T m [K] T h [K]).A/L [m] Jelölés Elnevezés Mértékegység Q hőmennyiség J λ hővezetési tényező W/mK T m,t h Meleg, ill. hidegvég hőmérséklete K A keresztmetszet m 2 L hossz m

14 Néhány anyag hővezetőképessége Anyag Hővezetési együttható W/mK Ezüst 360 Réz 340 Szinterelt Bi ,27 Melt textured Bi ,22 Szinterelt Y-123 0,78 Y c 2,6 Y ab sík 3,7

15 3.2 Hősugárzás A sugárzás útján beáramló hőmennyiséget a Stefan- Boltzmann egyenlet írja le: E rad = e r (T 4 m - T 4 h) Jelölés Elnevezés Mértékegység E rad sugárzott hőmennyiség W e r emissziós (abszorpciós) tényező W/m 2 T m,t h Meleg környezet, ill. a hideg felület hőmérséklete Boltzmann állandó 5, W/m 2 K 4 K

16 Anyag e rtot E rad [mw/m 2 ] Réz Durva lemez Mechanikusan polírozott Rozsdamentes acél Durva lemez Mechanikusan polírozott 0, Elektrolitikusan polírozott 0, Alumínium Durva lemez Mechanikusan polírozott 0, Elektrolitikusan polírozott 0, Fólia 0,

17 Azonos sugárzó és elnyelő felületeket feltételezve: E rad = e r (T 4 m - T 4 h) / (n i + 1) Ebből következik, ha jó, azaz kis emisszió-képességű fóliákkal (lásd táblázat) leárnyékoljuk a hidegfelületet, akkor a sugárzásos hőbeáramlást jelentősen lecsökkenthetjük.

18 3.3 Áramlásos hővezetés Gázok, folyadékok által bevezetett hőmennyiséget az E be = g P g A(T m - T h ) egyenlettel írhatjuk le, ahol E be [W/m 2 ] a bevezetett hőmennyiség, g [W/m 2 Pa K] a gáz, (vagy folyadék) hővezetőképessége, P g 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.

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

20 4. Példa (folyt) Az alsó és felső felület területe: d A 4 2 0,04 2 3, Az alábbi adatok ismertek: 0, m , m 2 5,67 10 T T K 300K 8 W 2 m K 4

21 4. Példa (folyt) A hősugárzásra vonatkozó összefüggés ismeretében: E rad = e r (T 4 m - T 4 h), Továbbá feltételezve, hogy az YBCO ideális fekete test, azaz e r =1, a felületegységre jutó abszorbeált hőmennyiség: de rad da 5, , Így a teljes abszorbeált hőmennyiség: W m W 2 P 457,2768 0, m 0, 57463W 2 m

22 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 2.6 mk 1 h T P A ,01 0, , K

23 Köszönöm!

24 Igények Tétel Units Cu BSCCO BSCCO YBCO CC MgB 2 Üzemi hőm. K Mágneses tér T Villamos veszteség, fajlagos W/kA x m Effektív Carnot hatásfok W t /W e Villamos terhelés a kriorendszerben A veszteségek teljes 1$/W W/kA x m $/ka x m A hűtőrendszer 5$/W $/ka x m Huzal ára (T, H) $/ka x m Teljes költség $/ka x m P.M.Grant, Materials Research Society Symposium Proceeding, 689, 3-9 (2002).