Криожелезяки

[tnenergy.livejournal.com]

Оригинал взят у tnenergy в Криожелезяки

В составе ИТЭР есть криокомбинат - вторая в мире холодильная установка (для температуры жидкого гелия). Его задача - поддерживать рабочую температуру сверхпроводящих магнитов, криоэкранов и криосорбционных вакуумных насососов - подробнее в соотвествующей статье. Основная холодильная установка - немаленький цех (140х50 метров) с основными холодильными машинами. Интересно, что все эти машины подходят к готовности на фабриках-изготовителях и массово стартую в сторону Кадараша, где в январе 2017 года на площадке стартует монтаж оборудования криокомбината. Впрочем, месяц назад здание этого холодильного завода выглядело так:



Т.е. до готовности еще далеко. Тем не менее есть много готового железа, на которое интересно посмотреть (ну как минимум мне интересно). Итак:


Рендер с обратного ракуса. Площадка под большие баллоны на первый фотографии - справа.

Криокомбинат можно поделить на 3 части - внешняя площадка, цех гелиевых и азотных компрессоров, цех холодных объемов гелиевых ожижителей. Работа что гелиевой, что азотной части довольно проста - компрессоры сжимают газ, выделившееся тепло отводится в охлаждающую воду, затем газ проходит рекуперационный теплообменник и охлаждается, потом попадает в турбодетандер, где срабатывается давление и температура падает до точки конденсации. Часть газа конденсируется, остальное возвращается через теплообменник в компрессор, попутно охлаждая встречный поток из компрессора. Гоняя газ по кругу можно сконденсировать его практически весь.


Внутри здания расположены компрессоры гелия (18 штук, желтая часть посередине), компрессоры и турбодетандоры азота (синяя часть слева) и "холодные объемы" с турбодетандорами и теплообменниками гелия.

Для гелия вопрос осложняется тем, что "холодную" часть системы (теплообменники, турбодетандеры, насосы жидкого гелия и т.п.) необходимо хорошо теплоизолировать от атмосферы. Делается это путем погружения всего оборудования в ваккуумируемые бочки, в которых расположены криоэкраны, охлаждаемые жидким азотом. Это позволяет снизить теплоприток в холодные части гелиевого контура до приемлимого. Напомню, что ровно таким же принципом экранируются и сверхпроводящие магниты ИТЭР. Так же в жидкий азот отдает и часть тепла компремированного гелия.


Проектное изображение "холодного объема" с ожижителем гелия.



Один из трех "холодных объемов" для выработки жидкого гелия. На переднем плане тестовая "нагрузка" криосистемы, с помощью которой будет вестись ее приемка. Размеры холодного объема в собранном виде 22х4 метра и вес 137 тонн.



Запуск гелиевой части криокомбината произойдет в 2018 году - причем одной из сложностей является параллельная рабора трех установок на одну нагрузку, до этого в мире никто не делал гелиевых ожижителей такой мощности, работающих по такой схеме.



Так называемая "теплая панель холодного объема" - набор управляющих клапанов для потоков теплого газа через "холодный объем. Холодильная мощность трех параллельных линий ожижения гелия - 75 киловатт тепла при температуре 4,2К, при этом затрачиваемая мощность - порядка 24 мегаватт.


Электрокомпрессоры для гелия тоже активно собираются на заводе с задачей поставки в декабре 2016 года. Мощность каждого - чуть больше 1 мегаватта.


Теплообменники, остужающие гелий (кажется маслом, тут не уверен) после компрессора

После захолаживания гелия на теплообменниках он попадает на турбодетандер, который при скромной внешности и размерах отбирает из газа мощность в несколько мегаватт.



Здесь три основных турбодетандера для трех холодных объемов и один вспомогательный.



Турбодетандер азотной петли на стенде. Сам турбодетандер - маленькая серая цилиндрическая деталька посередине конструкции. Два таких турбодетандера будут иметь холодильную мощность в 1300 киловатт при уровне температуры 80К, обеспечивая холодом прежде всего гелиевые ожижители и криоэкраны всех гелиевых систем, а так же потребителей ИТЭР, которым нужно охлаждение до такой температуры.



Наконец, важная часть всей системы - емкостное оборудование. Например жидкий гелий будет храниться в дюаре объемом 190 кубометров. Внутренний бак этого дюара - на фото выше, он будет так же укутан в охлаждаемый жидким азотом экран и помещен в вакуумный сосуд.



А это аварийные сбросные баки 2х360 кубоментров (Quench tanks) для вскипающего гелия. Вскипеть он может, если один из грандиознейших магнитов ИТЭР по каким-то причинам потеряет сверхпроводимость, и часть магнитной энергии начнет его разогревать (основная часть должна быть сброшена на гасящие резисторы). Поскольку речь идет о гигаджоулях, а то и десятках гигаджоулей, то "расширительные" баки тоже получаются немаленькими.

Comments

[snovasya.livejournal.com]

Спасибо!

[22sobaki.livejournal.com]

>Холодильная мощность трех параллельных линий ожижения гелия - 75 киловатт тепла при температуре 4,2К, при этом затрачиваемая мощность - порядка 24 мегаватт.

Холодильный коэффициент ни к черту.

Отличные железяки!

[tnenergy.livejournal.com]

Кстати, у азотной петли холодильная мощность 1300 киловатт при затратах порядка 10 мегаватт - заметно лучше, да?

[22sobaki.livejournal.com]

Да, значительно выше.
Но до эффективности бытового кондиционер еще далеко)

[tnenergy.livejournal.com]

А киловатт в жидком азоте эквивалентен киловатту при 18 С?

[arky-titan.livejournal.com]

Сасибо, очень приятно было почитать/посмотреть. С криогеникой в целом и сверхпроводимостью в целом работаю в сумме уже лет 15, но такие мамштабы поражают даже моё воображение! :-)

[arky-titan.livejournal.com]

21.4% от цикла Карно, найдите криокулер лучше.

[arky-titan.livejournal.com]

Ну проблема в том, сто даже у идеальной холодильной машины при такой разнице температур резервуара и охлаждаемого объёма эффективность будет 1.4%. Это фундаментальное ограничение.

Стандарт в отрасли лабораторных/медицинских магнитов криокулеры Sumitomo, на 4.2К они выдают 1.5 Вт охлаждающей мощности при потреблении 7.5 кВт. Правда магниты МРТ, например от той же GE, имеют общие теплопритоки меньше 0.9 Вт. Так что имеется ещё огромный запас прочности.

[arky-titan.livejournal.com]

если охлаждающая жидкость (вода) находится при температуре 300 К, то у идеальной холодильной машины будет 1 к 3 (3 кВт вложил на комнате, 1 кВт получил на азоте). Но в реальности есть потери и достаточно большие, так что у реальной 80 К системы будет что-то вроде 1 к 5 - 1 к 6...

[nero-schwarz.livejournal.com]

"вторая в мире холодильная установка" — а где первая?:)

И разве такие штуки не везде есть, где нужна сверхпроводимость? По крайней мере в GSI точно есть холодильные установки для жидкого гелия до температур 4,5К.

[boud.livejournal.com]

Я бы даже дьбавил, поомышленный криокулер такой мощности. В лаборатории-то и 40 45% можно получить, но к практике это никакого отношения не имеет.

[tnenergy.livejournal.com]

Большой адронный коллайдер - 140 киловатт холодильной мощности на 4,2 К и 6 киловатт на 1,8К. Но она распределенная, хотя ИТЭРовскую при желании тоже можно поделить на 3.

>И разве такие штуки не везде есть, где нужна сверхпроводимость? По крайней мере в GSI точно есть холодильные установки для жидкого гелия до температур 4,5К.

Да, везде. Но не такого масштаба.

[nero-schwarz.livejournal.com]

"Да, везде. Но не такого масштаба." — а ну это понятно:)
Не знаю, какая в GSI используется и какую сейчас новую строят для FAIR. Но там, где я работал, была небольшая стационарная крио-система для теста магнитных модулей.

[22sobaki.livejournal.com]

Не бывает?

[22sobaki.livejournal.com]

Вопрос с подвохом? По затратам на их получение - разные. А так киловатт он и в Африке киловатт.

[arky-titan.livejournal.com]

на сколько я могу судить, это примерный стандарт в отрасли для больших промышленных систем на 4 К

[arky-titan.livejournal.com]

при нормальном давлении у LHe температура насыщения 4.2 К

[arky-titan.livejournal.com]

вполне возможно для штучного прибора, для постройки и эксплуатации которого нужно два доктора и три кандидата наук

[arky-titan.livejournal.com]

Да нет никакого подвоха, любой криогенщик сразу понимает контекст. И термодинамику, естественно, тоже понимает.

[nicka-startcev.livejournal.com]

азот и гелий привозной?

в смысле, азот из воздуха на месте не добывают?

[tnenergy.livejournal.com]

Азот на месте, у них там будет КЦА на 400 кубометров азота в час - залейся.

[tnenergy.livejournal.com]

Обычно давление повыше атмосферного.

[arky-titan.livejournal.com]

почему?

В тех гелиевых системах, с которыми я работал обычно датчики показывали 4.18-4.22К, они открываются на атомосферу через односторонний клапан. Откуда берётся рост до 4.5К?

[general-drozd.livejournal.com]

Криогенщик то понимает, а вот у электрика это вызывает только легкий офигей от того, сколько туда надо подать электричества без внятного материального выхода.

[arky-titan.livejournal.com]

Материальный выход в том, что на создание магнитного поля с помощью сверхпроводящих магнитов не тратится I^2R, если бы кому-то пришло в голову создавать такие поля на таких размерах традиционными медными обмотками, расход энергии был бы в сотни и даже тысячи ращ больше, чем затраты на поддержание рабочих тнмператур сверхпроводящих магнитов. Ну и в принципе из-за ограничений на плотность тока в меди создать большиеполя в заданном объёме проблематично, т.к. железные сердечники выше 1.8-2 Тл насыщаются и уже не помогают в направлении магнитного потока, а из-за низкой плотности тока витки занимают уже такой размер, что без магнитопровода поле в центре перестаёт расти.... ну и конечно бешенные мегаватты и мегаватты джоулева тепла.

[general-drozd.livejournal.com]

Это вроде бы понять можно, спасибо за роспись.

Я о том что в целом вся установка исследовательская, а не электростанция с выходом на сеть. Инициация процесса выработки понятно что может стоить дорого.

То есть фундаментальная наука это хорошо, важно, но мне не осознать конкретику.

[arky-titan.livejournal.com]

А, так это демонстрационный термоядерный реактор с выходом 500 МВт, надеюсь, в обозримом будущем зажгут первую плазму. Это одна из надежд энергетики будущего. К сожалению, сверхпроводники очень дорого стоят на данный момент, а по сути реактор это огромный сверхпроволниковый магнит, на него в бквальром смысле пол мира работало лет 10, чтобы сделать провода, кабели и катушки...