توسعه استفاده از معادلات حالت بنیادی در شبیه سازی سیستم های کرایوژنیکی؛ مطالعه موردی: چرخه سرمازای برایتون معکوس مورد استفاده در تاسیسات کابل اچ تی اس

چکیده معادلات حالت بنیادی، معادلاتی هستند که بر حسب انرژی هلمهولتز صریح شده اند. این معادلات به ویژه در محدوده دمایی کرایوژنیک (دماهای زیر 120 کلوین)، دارای دقت مناسبی در پیش بینی خواص ترموفیزیکی هستند. در این تحقیق، به منظور معرفی قابلیت های این دسته از معادلات حالت در پیش بینی دقیق خواص ترمودینامیکی و کارایی آنان در شبیه سازی سیستم های کرایوژنیکی، طراحی و شبیه سازی رایانه ای چرخه برایتون معکوس دماپایین به منظور تامین نیتروژن مایع مورد نیاز جهت ایجاد شرایط ابررسانایی در یک کیلومتر کابل انتقال قدرت اچ تی اس مدنظر قرار گرفته است. در ابتدا یک کد محاسباتی با استفاده از معادلات حالت بنیادی توسعه داده شده است. مقایسه نتایج با داده های تجربی معتبر، دقت بالای معادلات حالت بنیادی را مورد تایید قرار می دهد. در ادامه با استفاده از کد محاسباتی یک چرخه برایتون معکوس با ظرفیت سرمایش 10 کیلووات طراحی و شبیه سازی شده و اثر پارامترهای مختلف طراحی بر عملکرد آن ارزیابی شده است. به منظور آنالیز حساسیت عملکرد چرخه نسبت به پارامترهای طراحی، نمودارهای مشخصه عملکرد چرخه تحت شرایط عملیاتی مختلف ارائه شده و تاثیر پارامترهای نسبت تراکم، فشار بیشینه، نوع مبرد، بازده مبدل بازیاب و بازده منبسط کننده بر عملکرد چرخه مورد بررسی قرار گرفته است. با توجه به نتایج حاصل از شبیه سازی چرخه مشخص شد که استفاده از مبرد نئون کارایی بهتری را نسبت به مبرد هلیم به دست می دهد. بازده مبدل بازیاب حرارتی اثر چشمگیری بر عملکرد سیکل دارد به نحوی که با افزایش 3 درصدی آن می توان عدد شایستگی سیکل را تا 11 درصد افزایش داد