Hochleistungspulsrohrkühler vom Stirling-Typ für energietechnische Anwendungen der Hochtemperatursupraleitung

Abstract

Für die Kühlung von hochtemperatursupraleitenden 4 MVA Maschinen (Motor oder Generator) wurde ein einstufiger Stirling-Typ-Pulsrohrkühler aufgebaut. Die Kühlleistung des Kryokühlers sollte bei einer elektrischen Eingangsleistung von 10 kW (8 kW pV-Leistung) etwa 80 - 100 W bei 30 K betragen. Die Vorteile dieses Kühlertyps gegenüber klassischen Kühlkonzepten liegen in einer erhöhten Zuverlässigkeit und langen Wartungsintervallen. Während einstufige Stirling-Typ Pulsrohrkühler für den Temperaturbereich des flüssigen Stickstoffs (77 K) kommerziell bereits erhältlich sind, gibt es gegenwärtig noch keine kommerziellen Systeme für den für Anwendungen der Hochtemperatursupraleitung wichtigen Temperaturbereich nahe 30 K. Der Versuchsaufbau besteht aus einem 10 kW Linearkompressor vom Typ 2S297W der Firma CFIC Inc. aus Troy, USA der zur Druckwellenerzeugung genutzt wird. Der Betrieb des Kompressors erfolgte über einen Micromaster 440 Umrichter der Firma Siemens, der über ein selbst entwickeltes Computerprogramm gesteuert wurde. Der Kaltkopf wurde in linearer Bauweise gefertigt, um Umlenkverluste zu vermeiden.Während der ersten Abkühlversuche trat im Regenerator bei tiefen Temperaturen und hoher pV-Leistung eine Temperaturinhomogenität auf, die auf einen konstanten Massenstrom (zirkularer DC-Massenfluss) innerhalb des Regenerators zurückgeführt werden konnte. Dieser hier erstmals beobachtete DC-Massenfluss erzeugt einen Nettoenergiefluss vom warmen zum kalten Ende des Regenerators, wodurch die Kühlleistung in erheblichem Maße reduziert und damit auch die erreichbare Minimaltemperatur (Basistemperatur) stark erhöht wird. Für die Auslegung und Optimierung des Kaltkopfes wurde zunächst ein Kühlermodell auf Basis der kommerziellen Simulationssoftware Sage erstellt, welches die im Experiment auftretende Temperaturinhomogenität im Regenerator nicht mit einbezog. Zur Modellierung der im Experiment beobachteten Inhomogenität wurde der Regenerator dieses Sage-Modells durch zwei identische parallele Regeneratoren mit einstellbarer transversaler Wärmekopplung ersetzt. Im homogenen Fall (ohne DC-Massenfluss) verhält sich das erweiterte Modell wie das ursprüngliche. Wurde jedoch im erweiterten Modell als Startbedingung ein Regenerator mit nicht-linearem Temperaturprofil gewählt, so trat auch hier ein zeitlich konstanter DC-Massenfluss auf. Mit Hilfe dieses Modells konnten nun die Bedingungen für das Auftreten dieses neuen Verlustmechanismus näher untersucht werden, wobei sich die transversale Wärmeleitung in der Regeneratormatrix sowie der Massenfluss (pV-Leistung) als wichtige Parameter zeigten. Die Erkenntnisse aus dem numerischen Modell wurden dann für die Entwicklung eines neuen analytischen Modells genutzt, das den im Experiment beobachteten DC-Massenfluss quantitativ beschreiben kann.Nach dem Auftreten der Regeneratorströmung im Experiment wurde zunächst versucht mittels geeigneter Blenden eine gleichmäßigere Anströmung des Regenerators zu erreichen. Als dies aber nicht den gewünschten Erfolg brachte, wurde der Regenerator mit einer Sandwich-Struktur aus thermisch gut und schlecht leitenden Materialien (Edelstahl-, Kupfer- und Bronze-Drahtgewebe) gefüllt, um die transversale Wärmeleitung der Matrix zu erhöhen. Durch diese Maßnahmen konnte der azimutale Temperaturgradient deutlich abgesenkt werden, was zu einer Reduktion der Strömung führte.Die anfängliche Basistemperatur des Kaltkopfes von 65 K konnte so durch Verbesserung der Regeneratormatrix auf 34 K gesenkt werden. Die Kühlleistung bei 40 K beträgt 20 W bei einer pV-Leistung von 6 kW. Dies entspricht einem Carnot-Wirkungsgrad bezüglich der pV-Leistung von 1,5%. Aufgrund der Ausbildung einer Regeneratorströmung bei hohen Eingangsleistungen konnte jedoch keine Basistemperatur unterhalb von 30 K erreicht werden. Da die Verluste durch die Regeneratorströmung bei höheren Temperaturen geringer ausfallen, wurde der Kaltkopf durch Verkürzung des Regenerators für einen Betrieb bei 80 K angepasst. Die damit realisierte Kühlleistung von 350 W bei einer pV-Leistung von 8,4 kW entspricht 11% des Carnot-Wirkungsgrades bezüglich der pV-Leistung. For the cooling of high temperature superconducting 4 MVA machines (motors or generators), a single-stage Stirling-type pulse-tube cryocooler was built. The cooling power, which the cryocooler was aimed for, is 80 - 100 W at 30 K with an electrical input power of 10 kW (8 kW pV-power). The advantages of this cooler type compared to traditional cooling concepts are an increased reliability and long maintenance intervals. While single-stage Stirling-type pulse-tube cryocoolers for the temperature range of liquid nitrogen (77 K) are already commercially available, there exist currently no commercial systems for the temperature range near 30 K, which is the important range for applications of high-temperature superconductivity.The experimental setup consisted of a 10 kW linear compressor, type 2S297W, from CFIC Inc. which was used as the pressure wave generator. The compressor was operated by a Micromaster 440 frequency inverter from Siemens, which was controlled by a custom-made computer program. The cold head was made in inline configuration, in order to avoid deflection losses.During the first cool-downs tests a temperature inhomogeneity occurred in the regenerator at low temperature and high pV-power, which was attributed to a constant mass flow (circular dc-flow) within the regenerator. This firstly observed dc-flow, generates a net energy flow from the hot end to the cold end of the regenerator, which reduces the cooling capacity considerably and hence the minimum attainable temperature is severely increased.For the design and optimization of the cold-head, a cryocooler model was initially created using the commercial simulation software Sage, which did not include the regenerator inhomogeneity seen in the experiment. For the modeling of the observed streaming inhomogeneity caused by the dc-flow, the regenerator was replaced by two identical parallel regenerators with variable transverse thermal coupling. In the inhomogeneous case (without dc-flow) the extended model showed the same results as the original model. When choosing a regenerator with non-linear temperature profile as initial condition, a dc-flow also occurred in the extended model. With the help of this model, the conditions for the appearance of this new loss mechanism can be analyzed. It turned out that the transverse heat conductance in the regenerator matrix as well as the mass flow (pV-power) are important parameters. The insights from the numerical model were used for the development of a new analytical model, which is able to reproduce the observed dc-flow in the experiment quantitatively.After the occurrence of the regenerator streaming in the experiment, it was first tried to uniform the flow at the aftercooler by using appropriate bezels. As this did not shown the desired effect, a sandwich structured regenerator made of good and bad thermal conducting screens (stainless steel-, copper-, and brass mesh) was used in order to increase the transverse heat conduction. By these measures the azimuthal temperature gradient was considerably decreased, resulting in a reduction of the streaming flow.By optimization of the sandwich structure, the initial base temperature of the cold head of 65 K was reduced to 34 K. The cooling capacity at 40 K was 20 W with a pV-power of 6 kW. This represents a Carnot efficiency with respect to the pV-power of 1.5%. Due to the formation of a regenerator streaming at high input power, a base temperature below 30 K could not be achieved. Since the losses by the regenerator streaming flow at higher temperatures are lower, the cold head was adjusted by shortening the regenerator to operate at 80 K. The realized cooling capacity in this case was 350 W with a pV-power of 8.4 kW, corresponding to 11% of the Carnot efficiency with respect to the pV-power.