Cryogenics for HTS-Applications

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Institut für Luft- und Kältetechnik gemeinnützige Gesellschaft mbH
Entwicklungen individueller Kryosysteme für Supraleiter
(INDIVIDUALLY SPECIAL CRYO SYSTEMS FOR HTS AND MOBILE CRYOCOOLERS)
8. Braunschweiger Supraleiterseminar 16.06.2015
Dr. rer. nat. Andreas Kade
Übersicht
ILK Dresden
Kryostatentwicklung
Helium-Teilverflüssiger
Kryokomponenten
(mobile) Kühler – aktuelle Entwicklungsprojekte
© ILK Dresden
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Kryostatentwicklung
Kundenspezifische Entwicklungen
Berechnung
Auslegung
Designvariante
Metallisch, Nichtmetallisch (z.B. aus GFK)
LN2, LHe
Vollständige Lageunabhängigkeit
Magnetisch rauscharm
Kleinste kalt-warm Abstände (bis 2 mm)
Hohe Standzeit des kryogenen Mediums
Lageunabhängiger Kryostat
GFK – Glasfaserverstärkter Kunststoff
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Kryostat für Sensorkühlung (SQUID)
LN2 Kryostat
Geringe thermische Einträge
Beispiel:
GFK Kryostat
120 cm
32 Liter LN2
LN2-Standzeit 35 Tage
Wärmeeintrag 0.7 W
0.8 Liter/Tag
GFK Kryostat
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LHe Kryostat für Sensorkühlung (SQUID)
Neuentwicklung (hohe magnetische Rauscharmut)
Lageunabhängig
kein LN2-Reservoir
Helium Lecktest (He-Behälter)
< 1 × 10-11 mbar l/s
Höhe ≈ 1200 mm, ø ≈ 300 mm
Volumen 12 Liter
Wärmeeintrag nur
0.1 W (3 Liter LHe pro Tag)
EURONORM MF 100087, EURONORM IW 080056
Quelle: ILK Dresden
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Magnetisches Rauschen
ca. 5 mm über dem Dewarboden
ca. 30 mm über dem Dewarboden
typischer SQUID-Sensor
noise contribution
of the BMSR walls
values identical with SQUID characterisation
mechanical
vibrations
rest field of the BMSR
+ harmonic signals
Measured at the PTB Berlin (BMSR-1) by S. Bechstein
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Kryostat für Energieanwendung
Kryostate für HTSL-Spulen
Beispiel:
Prototyp Kryostat für iSFCL
LN2 – GFK-Kryostat
Warme Bohrung (Eisenkern)
Sicherheitsventile (Quench)
Vollständig verklebte Komponenten
Durchmesser: ≈ 1 m
Höhe:
≈2m
ILK-Cryostat for iSFCL
iSFCL = inductive shielded fault current limiter
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Aktuelles FuE-Projekt (FKZ: MF140104)
„Kunststoff-Kryostate für extreme Anforderungen
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Heliumkälteanlagen
Helium-Teilverflüssiger
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Motivation – Teilchenphysik
[http://th.physik.uni-frankfurt.de/~hossi/Bilder/BR/Plotl/Phasendiagram.jpg]
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JINR – Magnete für Teilchenbeschleuniger
[JINR, GSI]
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Entwicklungsziel
Entwicklung eines Helium-Teilverflüssigers für supraleitende Magnete
100 W @ 4.5 K
25 bar Heliumdruck
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Funktionsprinzip
Hochdrucksystem Helium 25 bar (Nr. 1, 3)
Joule-Thomson-Ventil (J-T)
Helium Abgas 1 bar (Nr. 4)
100 W @ 4.5 K (Nr. 6)
„α“ wird experimentell ermittelt (10 %)
[JINR]
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Verflüssiger – Design
Control panel
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Installation
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Aufstellung in Dubna
Mit freundlicher Genehmigung vom JINR.
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Aktuelles FuE-Projekt
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Kryoflüssigkeitspumpe des ILK
Doppeltwirkende kryogene Pumpe mit hocheffizienten Antriebsmotor
Temperaturbereich: 4 K to 300 K
kryogene Medien: z.B. LHe, LH2, LNe, LN2, LAr, LNG, …
Hoher Wirkungsgrad, erzielt durch
konstante Eisenmagnetisierung
skalierbare Leistungsparameter
(Volumenstrom, Förderdruck)
(geringe Eisenverluste)
tiefe Temperaturen
(reduzierter Widerstand)
Geringer Wärmeeintrag
komplettes Pumpsystem befindet sich
in kryogener Flüssigkeit
nur Elektroenergie wird über
dünne Zuleitungen transportiert
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Hochdruck-Pumpkonzepte (z.B. für 300 bar)
Einstufiges Konzept
- eine Pumpe im kalten Tank
- hoher Wirkungsgrad
- Baugröße ca. 250 x 700 mm
Zweistufiges Konzept
- zwei Pumpen im kalten Tank
- gutes „packaging“
- Baugröße je ca. 100 x 700 mm
Zweistufiges, geteiltes Konzept
- erste Pumpe in kaltem Tank,
Verdichtung auf 150 bar
- zweite kalte Pumpe außerhalb des
Tank, Verdichtung von 150 bar auf
300 bar
Zweistufiges, geteiltes Konzept
- eine Pumpe in kaltem Tank,
Verdichtung auf 50 bar (überkritisch)
- Zwischenerwärmung
- zweite Pumpe (z.B. kommerzielle
Hydraulikpumpe) außerhalb des
Tanks  Verdichten auf > 300 bar
300 bar
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Entwicklungen (mobiler) Kryokühler
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Kühlerentwicklung - Entwicklungsprojekte
U.a. Speicherung von Brenngasen
(Erdgas, Wasserstoff)
Reichweitenverlängerung
Spezielle Kühler notwendig
Mercedes-Benz-B-Klasse F-Cell
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Wasserstoffspeicherung
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Isobaric lines of stored density of hydrogen: (1) – liquid storage, (2) – conventional high-pressure storage,
(3) – ILK´s target for supercritical storage.
 yellow star: measured H2-density of 97 kg/m3 at 39 K / 960 bar
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Erdgas
“Cold storage” of fuel gases
Combining high pressure (200
bar)
and low temperature (200 K,
i.e. approx. -70°C)
Significant increase of density:
 more than double
Storage system with efficient
cooling device has been
developed
Filling station for supercritical
CH4-storage systems
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1) Kühlerentwicklung - Kleinkühler
10 – 30 W Kleinkühler zur Kühlung eines Erdgasspeichers bei Temperaturen im
Bereich zwischen -50 °C und -80 °C
Verdopplung der gespeicherten Energiemenge von Erdgas bzw. Biogas im
überkritischen Zustand bei -80 °gegenüber dem Stand der Technik (200 bar, RT)
Realisierung eines kompakten und robusten Kraftfahrzeug-tauglichen Systems
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Umsetzung
Gemisch-Joule-Thomson Kältekreis für eine hohe Kompaktheit (DT ~ 100 K)
Kaskade zu voluminös, 1 stufig Ausführung
Magneto-hydrodynamische Antriebseinheit als Verdichter für eine hohe
Effizienz
Ölfreiheit der Antriebseinheit für geringen Installations- und Wartungsaufwand
Alkane haben günstige Verteilung der Siedepunkte für optimale
Zusammensetzung (tiefste Temperatur und Rückkühltemperatur d.h.
Kondensation)
großflächige Kälteverteilung gegenüber Pulse-Tube
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Hauptzielstellungen des Entwicklungsvorhabens
Abbildung 1: Funktionsmuster des Kfz-Kühlers für Labortests: Verdichter (1),
Kältemittelflasche zur Befüllung (2), innerer Wärmeübertrager (3), beheiztes
Ethanol-Bad zur Messung der Kälteleistung (4), Anschluss zum Evakuieren
und Ablassen (5), Bad-Thermostat zur Regelung der Rückkühltemperatur (6),
MSR-Technik (7)
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Natural Gas Storage
Funktionsmuster des Kfz-Kühlers
Cooler
and
Supercritical gas reservoir
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Kühler für Wasserstoffappliakationen, Speicherung
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2) Mobil einsetzbarer einstufiger Pulse-Tube-Kühler
Ziel: Entwicklung eines Pulse-Tube Kühlers mit 5 W @ 30 K
Hermetikverdichterantrieb
Mobiler Einsatz in Fahrzeugen
Preiswert und robust
Ansatz: Verdichter aus der Haushaltskälte, Pulse-Tube ohne kalt
bewegte Mechanik
Details: 4 Ventil Technik um den Wirkungsgrad zu verbessern
Studium Prozessverständnis
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Versuchsaufbau - Schema
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Versuchsstand
© ILK Dresden
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Umsetzung – Erste Ergebnisse
3D-CAD-Modell der Ventileinheit (spezielle Ausführung) mit
Ventilen, Drucksensoren und Wärmetauschern
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Danksagung
Dr. Klier
Dr. Spörl
S. Tippmann
M. Klupsch
G. Schroeder
Dr. Schneider
D. Schmidt
Dr. Gust
Dr. Zerweck
T. Jande
S. Rackow
S. Richter
© ILK Dresden
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Vielen Dank für ihre Aufmerksamkeit!
© ILK Dresden
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Institut für Luft- und Kältetechnik
Gemeinnützige Gesellschaft mbH
Bertolt-Brecht-Allee 20
01309 Dresden
Dr. rer. nat. Andreas Kade
Hauptbereich Kryotechnik und Tieftemperaturphysik
________________________________________
Tel.:
+49 351 4081-615
Fax:
+49 351 4081-635
E-Mail:
andreas.kade@ilkdresden.de
Internet:
www.ilkdresden.de
____________________________________
© ILK Dresden
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