고온초전도 전력케이블의 극저온 냉각시스템 설계

Abstract

A cryogenic cooling system for high temperature superconducting power cable is the system that circulates the subcooled liquid nitrogen forcefully to remove the generated heat during operation of the power cable. In this study, a cryogenic cooling system that can minimize the heat loss and pressure loss is proposed by the thermal and hydraulic analysis on the components of the system. The pressure drop and the temperature change of the liquid nitrogen flowing into the corrugated passage were estimated and the temperature distribution in the radial direction of cable was calculated. A high temperature superconducting power cable is consisted of multiple layers including the former, the superconducting wires, the insulating paper (poly propylene laminated paper), and the superconducting shield wires, all of which have different thermal conductivities. So, they were converted to an equivalent thermal conductivity by applying the concept of thermal resistance in this analysis. The high temperature superconducting material is required to be cooled in order to maintain its superconducting properties. The cooling temperature is generally below the temperature of liquid nitrogen (77 K). Liquid nitrogen performs cooling activity while circulating through the cryostat. Therefore, the cryostat requires a highly sophisticated insulation in order to prevent the evaporation of the liquid nitrogen caused by the external heat. In order to minimize the heat loss caused by conduction, the cross sectional area must be minimized and the path of heat transfer must be extended as long as possible. Also, in order to minimize the heat loss caused by convection, a vacuum space should be available. In order to minimize the heat loss caused by radiation, the multi-layer insulation (MLI) should be wrapped around cryostat several times. However, as time elapses, the degree of vacuum of the vacuum space tends to get degraded by outgassing occurring on the surface of the cryostat and the MLI. Due to this phenomenon, the heat loss increases and it becomes a thermal load for the cryogenic cooling system. Hence, in order to know the vacuum degradation of cryostat by outgassing, long term outgassing tests on the cryostat were performed. Also, in order to find the most desirable construction method with the optimal heat insulation performance, various tests, such as the wrapping methods of MLI, the wrapping numbers of MLI, the effects of cable core weights, and diameters and pitches of spacer, were performed. Based on the results of analysis and tests for each component, three different types of heat exchanger were designed and manufactured. These exchangers are attached to the pulse tube cryocooler, Gifford-McMahon cryocooler, and Stirling cryocooler respectively. Finally, a cyogenic cooing system for high temperature superconducting power cable was designed and manufactured. This system is made of three types of heat exchangers and the cold box which is consisted of the control valve, the liquid nitrogen circulation pump, and the vacuum pump. The heat loss and AC loss of the cryogenic cooling system during no load operation and loaded operation(current of 1250A applied) after the initial cooling process were measured. With the inlet temperature of 71 K, outlet temperature of 72 K, and the liquid nitrogen flow rate of 0.15 kg/s, the cryogenic cooling system has heat loss of 1.1 kW and AC loss of 592 W, which sum up to the total heat loss of about 1.7 kW. This result is almost same with the designed cooling capacity of the cryogenic cooling system. In addition, the total heat loss of the cable is 251.4W. This allows the heat loss per unit length to be about 2.5 W/m. This value is almost same as to one designated by world best manufacturer of the cryogenic cooling system for high temperature superconducting power cable.; 고온초전도 전력케이블의 극저온 냉각시스템은 액체 질소를 과냉, 강제 순환시켜 초전도 케이블 운전 시 발생하는 열을 제거하는 시스템으로 본 연구를 통해 극저온 냉각시스템의 각 구성요소 들에 대한 열부하 분석과 유동해석 등을 수행하여 열손실 및 압력손실을 최소화 할 수 있는 시스템을 제안하고자 한다. 초전도 케이블 냉각 유로의 열 및 유동 해석을 수행하여 초전도 케이블 내의 온도 분포 및 냉각 유로에서의 압력 손실을 예측하였다. 초전도 케이블은 former와 초전도 선재층, 절연지(PPLP, Poly Propylene Laminated Paper), 초전도 차폐층 등 여러 층으로 되어있고 각 층마다 열전도계수가 다르기 때문에 해석을 위해 열저항의 개념을 사용하였다. 즉 각 재질의 열전도계수 및 단면적을 이용하여 하나의 열전도계수 값으로 변환하여 해석에 이용하였다. 초전도 케이블에 사용되는 고온초전도 선재는 초전도성을 유지하기 위해서 반드시 냉각이 필요하다. 필요한 냉각온도는 일반적으로 액체질소 온도(77 K) 이하이다. 액체 질소는 cryostat라고 하는 저온 용기를 통해 순환하면서 냉각을 수행한다. 따라서 저온 용기는 외부에서 침입되는 열에 의해 액체 질소가 증발하는 것을 막기 위해 고도의 단열처리가 필요하다. 전도에 의한 열침입을 줄이기 위해 침입경로의 단면적을 최대한 줄이고 열의 이동 경로를 길게 해야 하며, 대류에 의한 열침입을 줄이기 위해서는 기체 분자를 제거하여 진공층을 둠으로써 해결할 수 있으며, 복사에 의한 열침입을 줄이기 위해서는 다층 단열재(MLI, Multi-layer Insulation)를 저온 용기 외부에 여러 층 감아주면 된다. 그러나 시간이 지나면 진공층의 진공도는 저온 용기 표면, MLI 등에서 발생하는 탈가스(outgassing)에 의해 나빠지게 되고 이로 인해 열침입이 증가하여 냉각시스템의 열 부하로 작용하게 된다. 따라서 이러한 현상에 대한 설계인자 도출을 위해 저온 용기에 대한 장기 탈가스 시험을 수행하였고, 또한 최적의 단열성능을 갖기 위한 시공 방법을 찾기 위하여 MLI의 종류, MLI를 감는 방법, 매수, 케이블 자중의 영향, spacer의 지름 및 피치 등에 대한 실험을 수행하였다. 위와 같은 각 구성요소들에 대한 해석과 실험 결과를 기초로 극저온 냉각시스템이 충분한 냉각능력을 확보할 수 있도록 맥동관, GM(Gifford-McMahon), 스터링 냉동기로 구성된 세 가지의 각기 다른 형태의 열교환기를 설계하였고, 이 세 가지 형태의 열교환기와 제어 밸브, 액체질소 순환펌프, 진공펌프 등으로 구성된 콜드박스로 이루어진 고온초전도 전력케이블 냉각시스템을 설계, 제작하였다. 초기 냉각 과정을 거친 후 무부하 운전과 부하 운전(전류 1250 A 인가)을 통해 냉각시스템의 열손실, 통전 손실 등을 측정한 결과, 입구 온도 71 K, 출구 온도 72 K, 액체 질소 유량 0.15 kg/s인 조건에서 측정한 냉각시스템의 열손실은 1.1 kW, 통전 손실은 592 W로 총 열손실은 약 1.7 kW로 측정되어 설계한 극저온 냉각시스템의 냉각능력과 일치하였다. 또한 이 중 케이블의 단열손실 값은 251.4 W로 단위 길이당 열손실로 변환하면 약 2.5 W/m가 되는데 이는 세계적인 수준과 동등한 수준이며, 초전도 케이블의 냉각시스템이 성공적으로 설계, 제작되었음을 보여준다.