高溫超導電纜的回熱型制冷機研究

蔡潔聰

（國網(wǎng)浙江省電力有限公司電力科學研究院，浙江 杭州 310014）

高溫超導電纜的回熱型制冷機研究是在低碳概念下，降低運行損耗、提高運行效率的主要方向，同時高溫超導電纜回熱型制冷機在實際應用中具有明顯的應用優(yōu)勢，能夠滿足大容量需求，并且使用方便快捷?；責嵝椭评錂C的設計研究，雖然在高溫超導電纜基礎上發(fā)展空間得到擴大，但是還要綜合實用價值與經(jīng)濟學意義等，因為在原有運行系統(tǒng)基礎上增設冷卻系統(tǒng)，所以對高溫超導電纜回熱型制冷機的應用價值造成影響?；诖耍哟髮Ω邷爻瑢щ娎|回熱型制冷機的研究力度，結合當前相關研究經(jīng)驗，及時進行參數(shù)對比與研究，為高溫超導電纜回熱型制冷機的應用與發(fā)展創(chuàng)新提供更多參考。

1 高溫超導電纜的回熱型制冷機研究背景

科學技術發(fā)展以及高新技術持續(xù)深化情況下，為高溫超導電纜的研究提供了有利條件。基于當前高溫超導電纜研究情況，其在效率、損耗以及輸電容量等方面的優(yōu)勢受到研究人員的關注，研究力度不斷加大[1]。通過對高溫超導電纜傳輸容量統(tǒng)計研究發(fā)現(xiàn)，對比普通電纜來講，超出5倍多，同時對比傳輸損耗，高溫超導電纜比普通電纜能夠節(jié)省40%~80%。從這些方面可以看出，高溫超導電纜不僅能夠對當前的能源緊缺情況科學緩解，同時還能夠協(xié)調(diào)能源消耗與環(huán)境保護之間的關系。高溫超導電纜在實際應用中，對應用條件要求比較苛刻，多處于液氮溫區(qū)，在基本研究基礎上，還需要更多的冷量，這增加了高溫超導電纜的研究成本，同時也影響其商業(yè)化發(fā)展路徑[2]。

根據(jù)高溫超導電纜研究發(fā)現(xiàn)，研究過程中，若增加冷量1 W，電能消耗就會增加15 W，如何在挖掘高溫超導電纜價值的同時，改善其在冷量消耗方面的現(xiàn)狀，推進商業(yè)化研究步伐，是當前研究的重要方向[3]。高溫超導電纜回熱型制冷機的研究，在很多方面都取得突破性進展。

綜合具體研究內(nèi)容，及時展開創(chuàng)新探索，尋求突破的同時及時尋找不足，結合仿真模擬手段，對高溫超導電纜的回熱型制冷機展開理論研究，并且對基本設計加以優(yōu)化。

2 回熱型制冷機仿真軟件研究

仿真軟件的應用基礎包括兩方面，其一是計算方法；其二是一維數(shù)值分析。常用的包括以下3種，針對性地展開特點對比，了解其適用范圍與優(yōu)缺點。

2.1 Regen

該仿真軟件的適用范圍以回熱器為主。使用優(yōu)點主要體現(xiàn)在計算與分析方面，計算比較方便，計算效率高，及時對回熱器內(nèi)部一維流動與傳熱進行分析。使用缺點方面，不能在制冷劑整機設計中應用，無法對各部件聯(lián)系展開分析[4]。實際軟件分析中，軸向以及數(shù)值積分等是主要分析方法，數(shù)值積分以一維時間數(shù)值為主，除此之外還會涉及到非線性現(xiàn)象。時間步長方面根據(jù)計算數(shù)值為主，不存在周期性，回熱器熱端以及冷端運行期間，所產(chǎn)生的各種參數(shù)都可以在計算過程中得到，并且通過瞬時特性加以展示，還能夠掌握制冷劑中回熱器精準的熱力學參數(shù)[5]。

2.2 Sage

該仿真軟件的適用范圍以制冷機整機為主。使用優(yōu)點體現(xiàn)在計算比較方便，能夠對制冷機內(nèi)部一維流動與傳熱進行分析。使用缺點體現(xiàn)在多維流動性能方面考量難度大，加上制冷機傳熱方面無法考量[6]。實際應用中，運用圖形化界面功能，根據(jù)制冷機設計要求，以圖形的方式完成設計細節(jié)建模處理，同時綜合機械特征以及換熱流動等，對整機設計進行特殊優(yōu)化處理，根據(jù)系統(tǒng)運行參數(shù)，得到最理想設計值。除此之外，該仿真軟件應用，還能夠對設計協(xié)同優(yōu)化，尤其是相關參數(shù)方面[7]。

2.3 CFD數(shù)值仿真

適用范圍為制冷機整機。優(yōu)點在于對制冷機內(nèi)部多維流動能夠定量分析，隨時掌握傳熱情況。缺點在于計算周期相對來講過長，計算結果與模型優(yōu)劣相關度大。這種仿真軟件的應用，以守恒控制偏微分方程組為載體，用計算機求解的方式，劃分為2種差分格式，及時對穩(wěn)定性以及制冷機速度與普適性進行設計[8]。

3 高溫超導電纜的回熱型制冷機研究創(chuàng)新成果

對于高溫超導電纜回熱型制冷機的持續(xù)深化研究，回熱型制冷機運行中，以回熱器為核心，結合工質周期性條件，協(xié)調(diào)好蓄熱材料，隨后完成熱量交換準備，掌握其中熱量傳遞以及流量控制等規(guī)律，實現(xiàn)回熱型制冷機的快速運行。當前高溫超導電纜的回熱型制冷機研究，主要體現(xiàn)在以下類型中。

3.1 斯特林制冷機研究

斯特林制冷機作為高溫超導電纜條件下的典型回熱型制冷機，其冷量的獲取主要通過斯特林制冷循環(huán)方式，歷經(jīng)4個循環(huán)處理環(huán)節(jié)。一為等溫壓縮，為冷量獲取做好準備工作；二為等容放熱，促進制冷循環(huán)的實現(xiàn)；三為等溫膨脹，滿足冷量獲取條件；四為等容吸熱，及時獲得冷量[9]。斯特林制冷機運行中，主要包括2種驅動方式，其一為曲柄連桿機構提供驅動力；其二為自由活塞提供驅動力。

曲柄連桿機構為主的制冷機，多應用于商業(yè)化領域，該類型驅動研究時間長，應用經(jīng)驗多，已經(jīng)具備非常成熟的制造技術，并且循環(huán)冷量方面效果非常理想。對于斯特林制冷機曲柄連桿機構驅動應用，參考浙江大學在這方面的研究，以Sage軟件為基礎，科學分析制冷機運行期間能量流分布情況，并且對回熱器損失進行計算，得出35.1%的結果。對水冷器能量流進行計算，得出34.8%的結果。根據(jù)能量流分布與損失研究，針對性地調(diào)整運行參數(shù)，對斯特林制冷機進行升級，研究出602W@77K標準的制冷機。該制冷機在實際運行中，雖然能量損失得到改善，但是相對卡諾效率方面卻不夠理想，僅達到仿真優(yōu)化設定目標值的1/2，為5.2%。隨后浙江大學開始轉換研究角度，從氣壓、工頻方面優(yōu)化升級，同時重新設計室溫換熱器，研究出636W@77K標準的制冷機。著重從相對卡諾效率方面進行改善，從原來的5.2%調(diào)整為16.8%，同時為斯特林制冷機的發(fā)展提供了參考。

曲柄連桿驅動下，受到運行摩擦影響，制冷機運動部件極易出現(xiàn)磨損，因此需及時對部件進行潤滑處理。這方面逐漸成為斯特林制冷機研究的重點，盡可能減少運動部件，并且通過自由活塞式將斯特林制冷機的運行可靠性優(yōu)化。借鑒中科院理化所對于自由活塞式制冷機的研究成果，78W@80K標準展開討論，據(jù)了解該型號的制冷機，相對卡諾效率為18.8%。雖然液氮溫區(qū)冷量方面我國的研究還比較少，但是在其他方面已經(jīng)逐漸達到發(fā)達國家水平，甚至部分研究已經(jīng)超出發(fā)達國家。尤其是300W@80K標準的出現(xiàn)，不僅從多方面對制冷機系統(tǒng)進行了優(yōu)化，同時相對卡諾效率從18.8%已經(jīng)提升至38.9%。由此可以發(fā)現(xiàn)，高溫超導電纜的回熱型制冷機研究，隨著科學技術的不斷進步，取得很多突破性的研究進展，為后期研究的進行增加了信息，也積累了研究經(jīng)驗。

3.2 G-M制冷機研究

以絕熱放氣降溫的方式實現(xiàn)制冷機的運行，這是G-M制冷機運行的重要基礎，這種原理又被稱之為西蒙膨脹。相較于斯特林制冷機，G-M制冷機在結構方面具有設計簡單優(yōu)勢，在性能方面穩(wěn)定性也比較突出，同時將操作步驟簡化，從單一的工作溫區(qū)延伸到多種工作溫區(qū)。通過對Gryimech公司關于G-M制冷機方面的研究發(fā)現(xiàn)，該公司所研究的AL300G-M制冷機，技術指標方面不僅能夠滿足基本參數(shù)要求，同時還能在很多性能上進行升級。我國在這方面的研究從未停止，參考上海交通大學關于G-M制冷機方面的研究，以Regen軟件為基礎，在Fluent軟件的輔助下，針對回熱型制冷機展開數(shù)值仿真計算研究，并且從回熱器方面制定優(yōu)化計劃，結合內(nèi)部氣體流動損失等的研究，對G-M制冷機進行了改進，研制出120W@77KG-M標準的制冷機。該制冷機對傳統(tǒng)G-M制冷機從多方面做出升級，尤其是氣體流動損失方面，有效抑制能量損失，增加冷量，提高制冷機運行穩(wěn)定性，提升G-M制冷機使用價值。

3.3 脈沖管制冷機研究

脈沖管制冷機的研究是基于斯特林制冷機、G-M制冷機研究基礎上展開，絕對熱膨脹制冷原理是脈沖管制冷機運行的核心。脈沖管制冷機在實際應用中，多方面進行了技術創(chuàng)新，不僅從多方面改善了制冷機運行不足，將其可靠性加以提高，也從維護角度出發(fā)保證了制冷機運行性能，有效減少制冷機運行過程中的維護頻率。國內(nèi)外對這方面研究非常重視，持續(xù)深入研究的同時，在很多技術上都取得了突破。脈沖管制冷機研究參數(shù)指標見表1。

表1 脈沖管制冷機相關參數(shù)統(tǒng)計表

借鑒Praxair公司關于脈沖管制冷機方面的研究，以Sage軟件作為研究基礎，對斯特林脈沖管制冷機展開升級研究，標準為300W@80K。從液氮溫區(qū)條件出發(fā)，標準調(diào)整為77 K，并且對制冷量進行增加，得到全新型脈沖管制冷機。借助高溫超導電纜所提供的優(yōu)勢，將其應用到供電站冷卻系統(tǒng)中，運行效果非常理想。以此次研究作為參考，相關科研機構開始加大對脈沖管制冷機的研究力度。綜合上海交通大學、浙江大學等的研究，著重對脈沖管制冷機領域展開研究。根據(jù)上海交通大學相關研究，以數(shù)值計算為基礎，從回熱器內(nèi)部結構出發(fā)，對填充材料、熱流損失的關系展開研究，并且進行了仿真模擬實驗。參考實驗結果，成功研制出標準為32W@80K，類型為單級G-M脈沖管制冷機。中國科學院相關技術人員為了進一步對脈沖管制冷機性能進行優(yōu)化升級，在研究中通過調(diào)相的手段，及時展開仿真模擬數(shù)值計算，參照相關運行理論，研制出標準為1106W@77K的三缸脈沖管制冷機，對相對卡諾效率進行了提高，達到57.1%。隨后以此為基礎，該研究小組在研究對象中增加并聯(lián)慣性管的研究項目，通過冷卻處理，優(yōu)化脈沖管制冷機運行性能。此次研究中應用到數(shù)值模擬軟件，制冷量從1 106 W提升至1 100 W，同時冷頭溫度為80 K。

在此基礎上，中國科學院方面，以Regen軟件，對回熱器展開研究，同時采用慣性管組合優(yōu)化的手段，及時調(diào)整制冷機的絲網(wǎng)填充手段，目標是制備相對卡諾效率10.0%，制冷量為5 W，冷頭溫度為60 K，同軸型脈沖管制冷機。隨后浙江大學以Sage軟件為基礎，從損失機理方面出發(fā)，針對回熱器中存在的脈沖管內(nèi)部流場存在的缺陷進行研究，經(jīng)過仿真模擬數(shù)值研究，得到最終的優(yōu)化結果。隨后研制出大功率單級屬性，制冷量為650 W，冷頭溫度為77 K的斯特林脈沖管制冷機。

4 結論

（1）綜合高溫超導電纜的優(yōu)勢研究，認識到高溫超導電纜的回熱型制冷機研究在很多方面具有突出優(yōu)勢。對比普通電纜類型，高溫超導電纜不僅運行效率更高，損耗低，而且輸電量大，為制冷機創(chuàng)新與功能強化提供更多幫助。

（2）充分了解當前高溫超導電纜的回熱型制冷機研究仿真軟件類型，Regen、Sage、CFD數(shù)值方針3種類型，在實際應用中，應用范圍、優(yōu)勢與劣勢都需詳細掌握，這是回熱型制冷機研究的基本前提。

（3）我國在制冷機研究方面雖然起步比較晚，但是技術創(chuàng)新非?？欤e極總結制冷機研究經(jīng)驗，參考國外先進研究過程，不斷對制冷機性能進行優(yōu)化。根據(jù)制冷機研究現(xiàn)狀，及時吸取教訓，利用數(shù)值仿真模擬的方式，計算出更精準的結果，研制出更多功能性強的回熱型制冷機。

（4）未來高溫超導電纜的回熱型制冷機必然會形成產(chǎn)業(yè)化發(fā)展趨勢，也會帶動制冷機研究進步。