高温超导电缆的回热型制冷机研究

蔡洁聪

（国网浙江省电力有限公司电力科学研究院，浙江 杭州 310014）

高温超导电缆的回热型制冷机研究是在低碳概念下，降低运行损耗、提高运行效率的主要方向，同时高温超导电缆回热型制冷机在实际应用中具有明显的应用优势，能够满足大容量需求，并且使用方便快捷。回热型制冷机的设计研究，虽然在高温超导电缆基础上发展空间得到扩大，但是还要综合实用价值与经济学意义等，因为在原有运行系统基础上增设冷却系统，所以对高温超导电缆回热型制冷机的应用价值造成影响。基于此，加大对高温超导电缆回热型制冷机的研究力度，结合当前相关研究经验，及时进行参数对比与研究，为高温超导电缆回热型制冷机的应用与发展创新提供更多参考。

1 高温超导电缆的回热型制冷机研究背景

科学技术发展以及高新技术持续深化情况下，为高温超导电缆的研究提供了有利条件。基于当前高温超导电缆研究情况，其在效率、损耗以及输电容量等方面的优势受到研究人员的关注，研究力度不断加大[1]。通过对高温超导电缆传输容量统计研究发现，对比普通电缆来讲，超出5倍多，同时对比传输损耗，高温超导电缆比普通电缆能够节省40%~80%。从这些方面可以看出，高温超导电缆不仅能够对当前的能源紧缺情况科学缓解，同时还能够协调能源消耗与环境保护之间的关系。高温超导电缆在实际应用中，对应用条件要求比较苛刻，多处于液氮温区，在基本研究基础上，还需要更多的冷量，这增加了高温超导电缆的研究成本，同时也影响其商业化发展路径[2]。

根据高温超导电缆研究发现，研究过程中，若增加冷量1 W，电能消耗就会增加15 W，如何在挖掘高温超导电缆价值的同时，改善其在冷量消耗方面的现状，推进商业化研究步伐，是当前研究的重要方向[3]。高温超导电缆回热型制冷机的研究，在很多方面都取得突破性进展。

综合具体研究内容，及时展开创新探索，寻求突破的同时及时寻找不足，结合仿真模拟手段，对高温超导电缆的回热型制冷机展开理论研究，并且对基本设计加以优化。

2 回热型制冷机仿真软件研究

仿真软件的应用基础包括两方面，其一是计算方法；其二是一维数值分析。常用的包括以下3种，针对性地展开特点对比，了解其适用范围与优缺点。

2.1 Regen

该仿真软件的适用范围以回热器为主。使用优点主要体现在计算与分析方面，计算比较方便，计算效率高，及时对回热器内部一维流动与传热进行分析。使用缺点方面，不能在制冷剂整机设计中应用，无法对各部件联系展开分析[4]。实际软件分析中，轴向以及数值积分等是主要分析方法，数值积分以一维时间数值为主，除此之外还会涉及到非线性现象。时间步长方面根据计算数值为主，不存在周期性，回热器热端以及冷端运行期间，所产生的各种参数都可以在计算过程中得到，并且通过瞬时特性加以展示，还能够掌握制冷剂中回热器精准的热力学参数[5]。

2.2 Sage

该仿真软件的适用范围以制冷机整机为主。使用优点体现在计算比较方便，能够对制冷机内部一维流动与传热进行分析。使用缺点体现在多维流动性能方面考量难度大，加上制冷机传热方面无法考量[6]。实际应用中，运用图形化界面功能，根据制冷机设计要求，以图形的方式完成设计细节建模处理，同时综合机械特征以及换热流动等，对整机设计进行特殊优化处理，根据系统运行参数，得到最理想设计值。除此之外，该仿真软件应用，还能够对设计协同优化，尤其是相关参数方面[7]。

2.3 CFD数值仿真

适用范围为制冷机整机。优点在于对制冷机内部多维流动能够定量分析，随时掌握传热情况。缺点在于计算周期相对来讲过长，计算结果与模型优劣相关度大。这种仿真软件的应用，以守恒控制偏微分方程组为载体，用计算机求解的方式，划分为2种差分格式，及时对稳定性以及制冷机速度与普适性进行设计[8]。

3 高温超导电缆的回热型制冷机研究创新成果

对于高温超导电缆回热型制冷机的持续深化研究，回热型制冷机运行中，以回热器为核心，结合工质周期性条件，协调好蓄热材料，随后完成热量交换准备，掌握其中热量传递以及流量控制等规律，实现回热型制冷机的快速运行。当前高温超导电缆的回热型制冷机研究，主要体现在以下类型中。

3.1 斯特林制冷机研究

斯特林制冷机作为高温超导电缆条件下的典型回热型制冷机，其冷量的获取主要通过斯特林制冷循环方式，历经4个循环处理环节。一为等温压缩，为冷量获取做好准备工作；二为等容放热，促进制冷循环的实现；三为等温膨胀，满足冷量获取条件；四为等容吸热，及时获得冷量[9]。斯特林制冷机运行中，主要包括2种驱动方式，其一为曲柄连杆机构提供驱动力；其二为自由活塞提供驱动力。

曲柄连杆机构为主的制冷机，多应用于商业化领域，该类型驱动研究时间长，应用经验多，已经具备非常成熟的制造技术，并且循环冷量方面效果非常理想。对于斯特林制冷机曲柄连杆机构驱动应用，参考浙江大学在这方面的研究，以Sage软件为基础，科学分析制冷机运行期间能量流分布情况，并且对回热器损失进行计算，得出35.1%的结果。对水冷器能量流进行计算，得出34.8%的结果。根据能量流分布与损失研究，针对性地调整运行参数，对斯特林制冷机进行升级，研究出602W@77K标准的制冷机。该制冷机在实际运行中，虽然能量损失得到改善，但是相对卡诺效率方面却不够理想，仅达到仿真优化设定目标值的1/2，为5.2%。随后浙江大学开始转换研究角度，从气压、工频方面优化升级，同时重新设计室温换热器，研究出636W@77K标准的制冷机。着重从相对卡诺效率方面进行改善，从原来的5.2%调整为16.8%，同时为斯特林制冷机的发展提供了参考。

曲柄连杆驱动下，受到运行摩擦影响，制冷机运动部件极易出现磨损，因此需及时对部件进行润滑处理。这方面逐渐成为斯特林制冷机研究的重点，尽可能减少运动部件，并且通过自由活塞式将斯特林制冷机的运行可靠性优化。借鉴中科院理化所对于自由活塞式制冷机的研究成果，78W@80K标准展开讨论，据了解该型号的制冷机，相对卡诺效率为18.8%。虽然液氮温区冷量方面我国的研究还比较少，但是在其他方面已经逐渐达到发达国家水平，甚至部分研究已经超出发达国家。尤其是300W@80K标准的出现，不仅从多方面对制冷机系统进行了优化，同时相对卡诺效率从18.8%已经提升至38.9%。由此可以发现，高温超导电缆的回热型制冷机研究，随着科学技术的不断进步，取得很多突破性的研究进展，为后期研究的进行增加了信息，也积累了研究经验。

3.2 G-M制冷机研究

以绝热放气降温的方式实现制冷机的运行，这是G-M制冷机运行的重要基础，这种原理又被称之为西蒙膨胀。相较于斯特林制冷机，G-M制冷机在结构方面具有设计简单优势，在性能方面稳定性也比较突出，同时将操作步骤简化，从单一的工作温区延伸到多种工作温区。通过对Gryimech公司关于G-M制冷机方面的研究发现，该公司所研究的AL300G-M制冷机，技术指标方面不仅能够满足基本参数要求，同时还能在很多性能上进行升级。我国在这方面的研究从未停止，参考上海交通大学关于G-M制冷机方面的研究，以Regen软件为基础，在Fluent软件的辅助下，针对回热型制冷机展开数值仿真计算研究，并且从回热器方面制定优化计划，结合内部气体流动损失等的研究，对G-M制冷机进行了改进，研制出120W@77KG-M标准的制冷机。该制冷机对传统G-M制冷机从多方面做出升级，尤其是气体流动损失方面，有效抑制能量损失，增加冷量，提高制冷机运行稳定性，提升G-M制冷机使用价值。

3.3 脉冲管制冷机研究

脉冲管制冷机的研究是基于斯特林制冷机、G-M制冷机研究基础上展开，绝对热膨胀制冷原理是脉冲管制冷机运行的核心。脉冲管制冷机在实际应用中，多方面进行了技术创新，不仅从多方面改善了制冷机运行不足，将其可靠性加以提高，也从维护角度出发保证了制冷机运行性能，有效减少制冷机运行过程中的维护频率。国内外对这方面研究非常重视，持续深入研究的同时，在很多技术上都取得了突破。脉冲管制冷机研究参数指标见表1。

表1 脉冲管制冷机相关参数统计表

借鉴Praxair公司关于脉冲管制冷机方面的研究，以Sage软件作为研究基础，对斯特林脉冲管制冷机展开升级研究，标准为300W@80K。从液氮温区条件出发，标准调整为77 K，并且对制冷量进行增加，得到全新型脉冲管制冷机。借助高温超导电缆所提供的优势，将其应用到供电站冷却系统中，运行效果非常理想。以此次研究作为参考，相关科研机构开始加大对脉冲管制冷机的研究力度。综合上海交通大学、浙江大学等的研究，着重对脉冲管制冷机领域展开研究。根据上海交通大学相关研究，以数值计算为基础，从回热器内部结构出发，对填充材料、热流损失的关系展开研究，并且进行了仿真模拟实验。参考实验结果，成功研制出标准为32W@80K，类型为单级G-M脉冲管制冷机。中国科学院相关技术人员为了进一步对脉冲管制冷机性能进行优化升级，在研究中通过调相的手段，及时展开仿真模拟数值计算，参照相关运行理论，研制出标准为1106W@77K的三缸脉冲管制冷机，对相对卡诺效率进行了提高，达到57.1%。随后以此为基础，该研究小组在研究对象中增加并联惯性管的研究项目，通过冷却处理，优化脉冲管制冷机运行性能。此次研究中应用到数值模拟软件，制冷量从1 106 W提升至1 100 W，同时冷头温度为80 K。

在此基础上，中国科学院方面，以Regen软件，对回热器展开研究，同时采用惯性管组合优化的手段，及时调整制冷机的丝网填充手段，目标是制备相对卡诺效率10.0%，制冷量为5 W，冷头温度为60 K，同轴型脉冲管制冷机。随后浙江大学以Sage软件为基础，从损失机理方面出发，针对回热器中存在的脉冲管内部流场存在的缺陷进行研究，经过仿真模拟数值研究，得到最终的优化结果。随后研制出大功率单级属性，制冷量为650 W，冷头温度为77 K的斯特林脉冲管制冷机。

4 结论

（1）综合高温超导电缆的优势研究，认识到高温超导电缆的回热型制冷机研究在很多方面具有突出优势。对比普通电缆类型，高温超导电缆不仅运行效率更高，损耗低，而且输电量大，为制冷机创新与功能强化提供更多帮助。

（2）充分了解当前高温超导电缆的回热型制冷机研究仿真软件类型，Regen、Sage、CFD数值方针3种类型，在实际应用中，应用范围、优势与劣势都需详细掌握，这是回热型制冷机研究的基本前提。

（3）我国在制冷机研究方面虽然起步比较晚，但是技术创新非常快，积极总结制冷机研究经验，参考国外先进研究过程，不断对制冷机性能进行优化。根据制冷机研究现状，及时吸取教训，利用数值仿真模拟的方式，计算出更精准的结果，研制出更多功能性强的回热型制冷机。

（4）未来高温超导电缆的回热型制冷机必然会形成产业化发展趋势，也会带动制冷机研究进步。