توسعه استفاده از معادلات حالت بنيادي در شبيه‌سازي سيستم‌هاي كرايوژنيكي؛ مطالعه موردي: چرخه سرمازاي برايتون معكوس مورد استفاده در تاسيسات كابل‌ اچ‌تي‌اس

Applicability of fundamental equations of state in Simulation of Cryogenic Systems; Case Study: Reverse Brayton cryocooler for HTS cable

عدم وجود معادله حالت دقيق در گستره وسيعي از دما و فشار جهت پيش‌بيني خواص ترموفيزيكي مواد، محققان را به مطالعه و تحقيق بر روي معادلات دقيق‌تر سوق داده است. معادلات حالت بنيادي، معادلاتي هستند كه بر حسب انرژي هلمهولتز صريح شده‌اند. اين معادلات به ويژه در محدوده دمايي كرايوژنيك (دماهاي زير 120 كلوين)، داراي دقت مناسبي در پيش‌بيني خواص ترموفيزيكي هستند. در اين تحقيق، به منظور معرفي قابليت هاي اين دسته از معادلات حالت در پيش بيني دقيق خواص ترموديناميكي و كارايي آنان در شبيه سازي سيستم هاي كرايوژنيكي، طراحي و شبيه سازي رايانه‌اي چرخه برايتون معكوس دماپايين به منظور تامين نيتروژن مايع مورد نياز جهت ايجاد شرايط ابررسانايي در يك كيلومتر كابل انتقال قدرت اچ‌تي‌اس مدنظر قرار گرفته است. در ابتدا يك كد محاسباتي با استفاده از معادلات حالت بنيادي به منظور پيش‌بيني خواص ترموديناميكي مبردهاي هليم و نيون در گستره وسيعي از دما و فشار توسعه داده شده است. مقايسه نتايج پيش بيني خواص ترموديناميكي با داده‌هاي تجربي معتبر، دقت بالاي معادلات حالت بنيادي را در پيش‌بيني خواص ترموفيزيكي، مورد تاييد قرار مي‌دهد. در ادامه با استفاده از كد محاسباتي توسعه داده شده جهت پيش بيني خواص ترموديناميكي سيالات كرايوژنيكي، يك چرخه برايتون معكوس با ظرفيت سرمايش 10 كيلووات طراحي و شبيه سازي شده و اثر پارامترهاي مختلف طراحي بر عملكرد آن ارزيابي شده است. به منظور آناليز حساسيت عملكرد چرخه نسبت به پارامترهاي طراحي، نمودارهاي مشخصه عملكرد چرخه تحت شرايط عملياتي مختلف ارايه شده و تاثير پارامترهاي نسبت تراكم، فشار بيشينه، نوع مبرد، بازده مبدل بازياب و بازده منبسط‌كننده بر عملكرد چرخه مورد بررسي قرار گرفته است. با توجه به نتايج حاصل از شبيه‌سازي چرخه مشخص شد كه استفاده از مبرد نيون كارايي بهتري را نسبت به مبرد هليم به دست مي‌دهد. بازده مبدل بازياب حرارتي اثر چشمگيري بر عملكرد سيكل دارد به نحوي كه با افزايش 3 درصدي آن مي‌توان عدد شايستگي سيكل را تا 11 درصد افزايش داد.

The lack of an accurate equation of state for predicting the thermodynamic properties of materials in a wide range of temperature and pressure encouraged the researchers to study new equations. Fundamental equations of state are the equations that are explicit in terms of the Helmholtz energy. This form of equation of state has high applicability, especially in cryogenics ranges. In this investigation, a reverse Brayton cryocooler was simulated as a system that prepares the sub-cooled liquid nitrogen supplying the operation condition for high temperature superconductor cables. A computational code was developed for predicting thermodynamic properties of Helium and Neon using fundamental equation of state. Comparing the results with experimental data validates the accuracy of these equations in predicting the thermodynamic properties. Then, using the developed computational code, a reverse Brayton cycle with 10 kW cooling capacity was designed and simulated and the effect of various parameters on its performance was evaluated. Performance characteristic curves were plotted to illustrate the sensitivity analysis under different operation conditions, and the influence of various parameters such as compression ratio in compressor, maximum pressure, working fluid, efficiency of the heat recovery exchanger and efficiency of expander on the performance of the cycle were addressed. The results showed that the use of neon as a refrigerant gives a better performance than helium. Efficiency of heat recovery exchanger has a significant effect on the performance of cycle, so that 3 percent increase of this parameter increases 11 percent figure of merit (FOM) of the cycle.