Kühlung supraleitender Wechselstromkabel

Die gängigste Methode zur Kühlung eines supraleitenden Wechselstromkabels ist die Zwangszirkulation (Pumpen) von unterkühltem Flüssigstickstoff. Damit das Kabel im supraleitenden Zustand bleibt, ist es äußerst wichtig, dass das Kühlmedium eine homogene Dichte und Strömung aufweist, damit die Wärme aus dem Kabel abgeführt werden kann (thermische Verluste und Wärme, die durch die so genannten Wechselstromverluste entsteht). Daher darf der flüssige Stickstoff nicht kochen und Gasblasen bilden, da diese die Wärme nicht aufnehmen können.

Diese Unterkühlung des durch das Kabel fließenden Flüssigstickstoffs wird durch Erhöhung des Drucks erreicht, wodurch die Sättigungstemperatur angehoben wird. Nun kann der Flüssigstickstoff die erzeugte Wärme durch Temperaturerhöhung aufnehmen, anstatt zu sieden.

Normalerweise arbeiten diese Systeme in einem Temperaturbereich von 66-72 K, bei dem ein Supraleiter seine besten Eigenschaften hat. Die Unterkühlungsdrücke liegen zwischen 3 und 20 bar.

Stirling-Zwangsströmungssystem
Das oben beschriebene physikalische Phänomen wird in Stirling-Forced-Flow-Kühlsystemen genutzt, die speziell für diese Art der Nutzung entwickelt wurden: Flüssiger Stickstoff wird unterkühlt (durch Druckbeaufschlagung) und mit Hilfe einer Kryopumpe in einem geschlossenen Kreislauf durch das Stromkabel gepumpt. Die Wärme des Kabels erhöht die Temperatur der Flüssigkeit während des Durchflusses.

Die Kühlung des Kabels mag zwar einfach erscheinen, ist aber in Wirklichkeit ein recht komplexes System. Erstens ist eine große Anzahl von Komponenten nicht im Grundschema dargestellt (T & P-Transmitter, Tieftemperaturventile, Steuereinheiten, Sicherheitsventile usw.).

Außerdem muss ein „thermodynamisch-wirtschaftliches“ Gleichgewicht bestimmt werden. Jede Komponente, die integriert wird, hat „thermische“ Verluste zur Folge: Sie trägt zum gesamten Wärmeverlust des Systems bei.

Die Wahl einer zu geringen Temperaturdifferenz über das Kabel, die eine hohe Durchflussrate des LN2 erfordert, in Kombination mit den klein gewählten Durchmessern der Rohrleitungen und des Kabelkryostaten, führt zu hohen Pumpverlusten. Dies führt zu einer hohen Wärmebelastung des Systems, was wiederum einen hohen Kühlungsbedarf zur Folge hat.

Alle technischen Entscheidungen sollten daher ausgewogen sein, um sicherzustellen, dass das Gesamtsystem ein optimales thermodynamisches und wirtschaftliches Gleichgewicht aufweist, nicht nur das Kabel selbst.

Obwohl der unterkühlte „normale“ Modus einfach ist, ist es eine andere Herausforderung, diesen Modus zu erreichen. Bevor das Kabel in diesen Modus versetzt werden kann, muss es langsam auf kryogene Temperaturen abgekühlt werden, um einen Temperaturschock zu vermeiden. Dies wird als sanfte Abkühlung unter Verwendung eines kalten Gasstroms bezeichnet. Sobald die Endtemperatur erreicht ist, wird das Kabel mit flüssigem Stickstoff gefüllt und erst dann unterkühlt.

Außerdem muss das Kabel zu einem bestimmten Zeitpunkt entleert und zu Wartungszwecken aufgewärmt werden. Sowohl für die Abkühl- als auch für die Aufwärmphase sind Ventile und Steuerungen erforderlich, um sicherzustellen, dass dies möglich ist und kontrolliert abläuft.

Die Kryogeneratoren sind in der Regel mit einer Kapazitätssteuerung ausgestattet, die es ihnen ermöglicht, ihre Leistung von 100 % auf 70 oder sogar 50 % zu reduzieren. Auf diese Weise kann das System den Schwankungen der Wärmelast der Anwendung aufgrund von Betriebsänderungen folgen, ohne eine Heizung zu verwenden, was Energie spart.

Kabelkühlsystem; 6,2 kW; 72K; 90 lpm; 16 barg

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