Abstract:
HTS-Anwendungen in elektrischen Netzwerken wie supraleitende Stromkabel und Stromschienen einerseits, sowie Motoren, Generatoren und Transformatoren hoher Leistung anderseits benötigen einige Kilowatt Kälteleistung bei Betriebstemperaturen von ca. 50-78 K. Ein Großteil der Kälteleistung, je nach Anwendung bis zu ca. 90 %, wird dabei zur Kühlung der Stromzuführung benötigt, die zwischen Umgebungstemperatur (300 K) und der kryogenen Arbeitstemperatur der Supraleiter betrieben werden. Zur Kühlung solcher Stromzuführungen sind kryogene Gemischkreisläufe (Cryogenic Mixed Refrigerant Cycle - CMRC) die optimale Lösung, da die Wärmeströme über den gesamten Temperaturbereich bei Temperaturdifferenzen von nur wenigen Kelvin abgeführt werden können. ... mehrDie Anpassung der optimalen Temperaturniveaus erfolgt über die Zusammensetzung weitsiedender Kältemittelgemische, deren Komponenten entlang des Hauptwärmeübertragers auf der Hochdruckseite jeweils partiell kondensieren und auf der Niederdruckseite in Gegenstrom jeweils partiell verdampfen. Die Druckniveaus liegen in Bereichen, in denen kostengünstige Standardkomponenten aus der Kältetechnik verfügbar sind. Durch die hohe thermische Integration ist zu erwarten, dass die Gesamteffizienz von CMRCs in der Anwendung trotz deutlich niedriger Komplexität und Kosten durch den Verzicht auf kalte Expansionsmaschinen bzw. Kaskadenschaltungen im Bereich der Effizienz der Turbo-Brayton Prozesse liegt. Daraus ergibt sich ein hohes Potenzial, künftig eine neue Klasse geschlossener, effizienter, skalierbarer und kostengünstiger Kältemaschinen für HTS-Anwendungen zur Verfügung zu stellen. Die Wirtschaftlichkeit von HTS Anwendungen in der Energietechnik wird damit wesentlich verbessert.
Das Ziel dieser Arbeit ist die Entwicklung einer 10 kA kryogenen Stromzuführung, welche mit einer kryogenen Gemischkälteanlage gekühlt wird (CMRC-CL). Um eine detaillierte Untersuchung des CL-Designs zu ermöglichen, wird ein bestehendes numerisches Wärmeübertragermodell modifiziert und in das im Rahmen dieser Arbeit entwickelte Berechnungsmodel für resistive Stromführungen implementiert. Vor der Implementierung wird eine Literaturrecherche zu den aktuellen Stromzuführungsdesigns und Kühlsystemen durchgeführt, welche numerisch untersucht und miteinander verglichen werden. Darauf aufbauend werden in dieser Arbeit eine klassische Rohr-in-Rohr und eine mikrostrukturierte CMRC Stromzuführung entwickelt und numerisch untersucht. Die erste entwickelte
Stromzuführung besteht aus einem klassischen Rohr-in-Rohr-Wärmeübertrager, der um eine zylindrische Stromzuführung aus Kupfer gewickelt ist. Der zweite CMRC-CL Prototyp III besteht aus mehreren mikrostrukturierten Kupferblechen, die durch ein Diffusionsschweißverfahren miteinander verbunden sind. Der Protototyp III wurde im Rahmen dieser Arbeit numerisch untersucht, patentiert und am Institut für Mikroverfahrenstechnik (IMVT) hergestellt. Darüber hinaus wurden im CMRC-Prüfstand am Institut für Technische Thermodynamik und Kältetechnik (ITTK) experimentelle Untersuchungen am mikrostrukturiertem Wärmeübertrager aus Edelstahl (Prototyp II) durchgeführt und die Vorhersagequalitäten des modifizierten Wärmeübertragermodells wurde überprüft.
In Kapitel 2 werden fünf verschiedene Stromzuführungsarten, die den Stand der Technik wiedergeben, vorgestellt und numerisch untersucht. Die entsprechenden Wärmeströme am kalten Ende, die sogenannten CL-Formfaktoren, die optimalen Kältemittelmassenströme und die theoretische Leistungsaufnahme der Systeme sind in dem Kapitel zusammengefasst. Nach dem Wiedemann-Franz-Gesetz, das den Zusammenhang zwischen dem spezifischen elektrischen Widerstand und der Wärmeleitfähigkeit von Metallen beschreibt, kann jeder metallische Werkstoff als Stromleiter verwendet werden. Jedes Material führt zu einer anderen optimalen Geometrie der Stromzuführung und daher werden die thermophysikalischen Eigenschaften relevanter Materialien bewertet und miteinander verglichen.
Die Untersuchung der Stromzuführung allein reicht nicht aus, um die Effizienz des gesamten Systems zu bewerten, daher werden verschiedene Kühlsysteme die den Stand-der-Technik wiedergeben in Kapitel 3 vorgestellt und diskutiert. Dabei wird der jeweilige Gesamtstromverbrauch inklusive der benötigten Kälteleistung des Kühlsystems und der elektrischen Verlustleistung der Stromleitung berechnet und diskutiert. Es wird eine detaillierte Analyse des Linde-Hampson-Kältekreislaufs, der den CMRCs zugrunde liegt, vorgestellt.
Ein numerisches Modell zur Berechnung von CMRC-CLs wird in Kapitel 4 präsentiert und beinhaltet die numerischen Untersuchungen des klassischen und des mikrostrukturierten Designs. Um ein optimales Kältemittelgemisch zu identifizieren, werden mehrere Parameterstudien mit dem klassischen CMRC-CL Design durchgeführt. Es hat sich gezeigt, dass in der Auslegung des CMRC-CL ein Kältemittelgemisch mit einer höheren Zusammensetzung des Tiefsieders Methan eine geeignete Wahl ist. Die klassische CMRC-CL führt zu einer deutlichen Reduzierung des Wärmestromes am kalten Ende und des Gesamtstromverbrauchs
im Vergleich zu anderen Kühlsystemen die in einem geschlossenen Kühlkreislauf
arbeiten. Das klassische CMRC-CL Design in Kombination mit einem Kryokühler
ergibt einen spezifischen thermischen Wärmestrom an der 80 K kalten Stufe von 14 W/kA bei einer Gesamtleistungsaufnahme von etwa 600 W/kA. Im Vergleich zu einer konventionellen, kontaktgekühlten Stromzuführung (CCCL), die von einem Kryokühler gekühlt wird, bedeutet dies eine 67 % Reduzierung der thermischen Last bei einer um 50 % reduzierten Gesamtleistungsaufnahme. Deutlich kleinere Werte werden nur bei einer optimierten, autarken gasgekühlten Stromzuführung (ss-VCCL) erreicht. Der Wärmestrom am kalten Ende beträgt hier etwa 9 W/kA bei einer Leistungsaufnahme von 280 W/kA, hat jedoch den Nachteil eines offenen Systems, das eine kontinuierliche Versorgung mit LN2 erfordert. Das klassische Wärmeübertragerdesign führt zu mehreren Skalierbarkeitsproblemen die in
Kapitel 4.8 beschrieben sind. Die Anpassung dieses Designs an größere elektrische Ströme führt zu relativ großen geometrischen Abmessungen. Daher wurde im Rahmen dieser Arbeit ein neues mikrostrukturiertes CMRC-CL Design entwickelt, patentiert und ein Prototyp in IMVT hergestellt. Es besteht aus mehreren mikrostrukturierten Kupferblechen mit einer Dicke von 0.5 mm, die eine gewisse Anzahl von geätzten Kanälen für den Fluidstrom aufweisen. Die Gesamtanzahl der Platten hängt von der elektrischen Stromstärke und dem Kältemittelmassenstrom ab, welche für die Aufnahme der Joule`schen Wärme, Wärmestrahlung und Wärmestrom durch Wärmeleitung aus der Umgebung benötigt wird. Alle Bleche werden nach einem bestimmten Stapelmuster zusammengestapelt, dann von einer oberen und einer unteren Platte bedeckt und in einem Diffusionsschweißverfahren irreversibel verbunden. Das neue Design ermöglicht eine einfache Anpassung der Blechanzahl, der Anzahl der Kanäle pro Blech, der Stromzuführungslänge und des Kältemittelmassenstroms für einen gewünschten elektrischen Strom. Das entsprechende numerische Modell wurde entwickelt und Stromzuführungen für elektrische Ströme von 10 kA und 20 kA entworfen und numerisch untersucht. Eines der untersuchten CMRC-CL Designs C, ergibt einen Wärmeeintrag von 6.5 W/K bei einer Temperatur von 85 K. Im Vergleich zu einem CCCL, das in diesem Temperaturbereich arbeitet, ist dies eine 85 % Reduzierung des Wärmestroms am kalten Ende und damit die größte Reduzierung gegenüber den Lösungen aus dem Stand der Technik. Eine Erweiterung des CMRC-CL-Designs C um eine zusätzliche Kältemaschine (GM-AL60), damit am kalten Ende die verbleibende thermische Last absorbiert und die Temperatur weiter abgesenkt werden kann, führt zu einer Gesamtleistungsaufnahme von 490 W/kA und ist somit das effizienteste geschlossene Stromzuführungssystem. Es ist jedoch anzumerken, dass es realistisch ist, CMRC-CL Systeme zu entwickeln die keinen zusätzlichen Kryokühler benötigen und Temperaturen unterhalb von 85 K durch eine Anpassung des Kältemittelgemisches und/oder des Kältemittelkreislaufs möglich sind. Darüber hinaus ist die entwickelte und gefertigte mikrostrukturierte CMRC Stromzuführung ein solider und wichtiger Design-Meilenstein in der Entwicklung zukünftiger Stromzuführungen.
Experimentelle Ergebnisse, die mit dem mikrostrukturierten Wärmeübertrager Prototyp II aus Edelstahl durchgeführt wurden, werden in Kapitel 5 vorgestellt und diskutiert. Die Betriebseigenschaften und die Leistung des Prototyps werden bewertet und die Messdaten mit den Ergebnissen des numerischen Modells verglichen. Die durchgeführten Experimente zeigten einen Temperaturabfall auf etwa 85 K mit Kältemittelgemisch auf Kohlenwasserstoffbasis. Das numerische Modell zeigte eine gute Übereinstimmung mit den gemessenen Temperaturdaten entlang des Wärmeübertragers bei Temperaturen über 170 K, jedoch liegt eine Abweichung der Temperaturgradienten bei niedrigeren Temperaturen vor und wird in dieser Arbeit untersucht. Versuche mit neonhaltigen Mischungen zeigten keine weitere Abkühlung des Systems, stattdessen erhöhte sich die Temperatur am kalten Ende aufgrund der durch die Beimischung von Neon geringer gewordenen spezifischen Kälteleistung. Um diesen Effekt zu überwinden, können weitere Versuche mit sogenannten LRS-Mischungen durchgeführt werden, die eine erheblich größere spezifische Kälteleistung aufweisen.
Zusammenfassend belegen die numerischen und experimentellen Ergebnisse zu den mikrostrukturierten Wärmeübertragerdesign, dass es möglich ist ein CMRC-System zu entwickeln, das eine supraleitende Anwendung mindestens auf die Temperatur von flüssigem Stickstoff herunterkühlen kann, ohne dass zusätzliche Kryokühler benötigt werden. Darüber hinaus ermöglicht das neue mikrostrukturierte CMRC-CL Design eine einfache Anpassung seiner geometrischen und hydraulischen Parameter für einen vordefinierten elektrischen Strom und es wäre möglich, Stromzuführungen sogar für die großen elektrischen Ströme von Aluminiumwerken auszulegen, die typischerweise bei 200-500 kA arbeiten.
Abstract (englisch):
Many high temperature superconducting (HTS) applications like superconducting cables, power rails, generators, fault current limiter, accelerators and magnets may require several kilowatts of cooling power at an operating temperature range of 50-80 K. The major cooling demand, depending on the application up to 70-90 %, is necessary for the cooling of resistive current leads (CL) that supply electric energy from the ambience at 300K to the superconducting application at cryogenic temperatures. Therefore, a high thermal integration of the CL with the cooling system is required to provide an energy-efficient and a cost-efficient CL technology. ... mehrThe cryogenic mixed refrigerant cycles (CMRCs) are the optimal solution for the cooling of CLs, due to the possibility to generate cooling power at the required cryogenic temperatures by adjusting the composition of the mixture and cycle parameters to attain a high energy efficiency. The key in this technology is the direct implementation of the resistive current lead into the recuperative heat exchanger of the Linde-Hampson cycle, providing refrigeration power over the temperature range of the heat exchanger. Hereby, a mixed refrigerant is partly condensing and evaporating inside the heat exchanger and absorbing the Joule heat at the temperature it is generated in the current lead. Hereby, the economic efficiency of HTS applications in the energy technology can be considerably improved.
The aim of this work is the development of a 10 kA cryogenic mixed refrigerant cooled current lead (CMRC-CL). In order to enable a detailed investigation of the CL design, an existing numerical heat exchanger model is modified and implemented in the resistive current lead model that is developed in the frame of this work. Prior to that implementation, a literature review on the state-of-the-art CL solutions and cooling systems are conducted, numerically investigated and compared with each other. Based on this, a classical multi-tubes-in-tube CMRC-CL and a micro-structured CMRC-CL are developed and investigated numerically in this work. The first developed CMRC-CL design comprises a classical multi-tubes-in-tube heat exchanger which is wounded around a cylindrical CL made of copper. The second CMRC-CL prototype III is made of several micro-structured copper sheets that are connected together by a diffusion bonding process and is developed, patented and manufactured. Further, experimental investigation on the stainless steel micro-structured heat exchanger prototype II are conducted in the CMRC test stand at the Institute of Technical Thermodynamics and Refrigeration (ITTK) and the predictive qualities of the modified heat exchanger model are reviewed.
In section 2 five state-of-the-art CL solutions and design approaches are introduced and numerically investigated. The corresponding thermal loads at the cold end, the CL shape factors, the optimal refrigerant mass flows and the theoretical power consumptions of the systems are summarized in the design overview. According to the Wiedemann-Franz-Law, which describes the relation between the specific electrical resistance and thermal conductivity of metals, any metallic material can be used as a current lead. Each material leads to a different optimal geometry of the CL and therefore, the thermophysical properties of relevant resistive CL materials are evaluated and compared with each other.
The investigation of the CL types alone is not sufficient to evaluate the efficiency of the whole CL system and therefore, the state-of-the-art cooling systems for CLs are presented and discussed in section 3. Hereby, the total power consumptions P, including the required refrigeration power of the cooling system and the electric power losses of the respective current lead type, are calculated and discussed. A detailed analysis on the Linde-Hampson refrigeration cycle, which is the basis of CMRCs is presented.
A numerical model for the calculation of CMRC-CLs is presented in section 4 which comprises the numerical investigations on the classical and the micro-structured CMRC-CLs. In order to identify an optimal refrigerant mixture, several parametric studies are performed with the classical CMRC-CL design. It was found that a refrigerant mixture with a larger composition of the low boiler methane, is an appropriate choice in the current design. In general, the classical CMRC-CL shows a significant reduction of the thermal load at the cold end and of the overall power consumption, compared to other state-of-the-art closed cycle cooling systems. The classical CMRC-CL designs in combination with a cryocooler at the cold stage, yields a specific thermal load at the 80K cold stage of 14 W/kA at an overall power consumption of about 600 W/kA. Compared to a conventional conduction cooled current lead (CCCL) that is cooled by one cryocooler, this is a 67 % reduction of the thermal load at a 50 % reduced overall power consumption. Considerable smaller values are archived only with an optimized self-sufficient vapour cooled current lead (ss-VCCL) with a thermal load of 9 W/kA at a power consumption of 280 W/kA, however, comes with the disadvantage of an open system that requires a continuous supply of LN2.
The classical heat exchanger design leads to several scalability problems that are described in Section 4.8 and the adjustment of this design to larger electric currents is related to relative large CL lengths and diameters. Therefore, a new micro-structured CMRC-CL design is developed, patented and manufactured (in IMVT) in the frame of this work. It consists of several micro-structured copper sheets of 0:5mm thickness that comprise a certain amount of etched channels for the fluid flow. The total amount of the sheets
depends on the electric current and the refrigerant mass flow that is needed to absorb a certain amount of Joule heating, thermal radiation and thermal load due to thermal conduction from the ambience. All sheets are stacked together by a specific stacking pattern, then covered by the top and bottom plates and irreversibly connected in a diffusion bonding process. The new design, allows a simple adjustment of the amount of sheets, the amount of channels per sheet, the CL length and the refrigerant mass flow for a desired electric current. The respective numerical model is developed and CLs for electric currents of 10 kA and 20 kA are designed and numerically investigated. One of the investigated CMRC-CL designs C, yields a thermal load of 6.5 W/kA at a temperature of 85 K. Compared to a CCCL that is working in this temperature range, this is an 85 % reduction of the thermal load and therefore, the largest reduction compared to the state-of-the-art solutions. To follow the concept of the CL comparison that is presented in this work, the CMRC-CL design C is extended by an additional cooling machines (GM-AL60) at the cold end to absorb the remaining thermal load. With a total power consumption of 490 W/kA, the micro-structured CMRC-CL system is the most efficient closed-cycle system. However, it is to denote that it is realistic to develop CMRC-CL systems that do not need an additional cryocooler and temperatures below 85K are possible by an adjustment of the refrigerant mixture and/or the refrigerant cycle. Further, the developed and manufactured micro-structured CMRC-CL is a solid and important design milestone in the development of future CL types.
Experimental results that are obtained with the micro-structured heat exchanger prototype II, which is made of stainless steel, are discussed in section 5. The operating characteristics and the performance of this prototype are evaluated and the measurement data are compared with the results obtained from the numerical model. The conducted experiments showed a temperature decrease to about 85K with a hydrocarbon based refrigerant mixture. The numerical model showed a good agreement with the measured temperature data along the heat exchanger at temperatures above 170 K, however, a deviation of the temperature gradients is present at lower temperatures and is investigated in this work. Experiments with mixtures containing neon showed no further cool down of the system and the temperature at the cold end increased instead, because of the reduced
specific cooling power of this mixture with neon. Further experiments with LRS mixtures, that have a considerable larger specific cooling power, may be performed to overcome this effect.
In conclusion, the numerical and experimental results on the micro-structured heat exchanger designs provide evidence that it is possible to develop a CMRC system that can cool down a superconducting application at least to the temperature of liquid nitrogen without the need of additional cryocoolers as the last cold stage. Furthermore, the new micro-structured CMRC-CL design allows a simple adjustment of its geometric and hydraulic parameters for a predefined electric current and it may be possible to design CLs even for the large electric currents of aluminium plants that are typically operated at 200-500 kA.
