Комплексное исследование гидродинамики и нестационарной теплопередачи в двухфазном и сверхтекучем гелии и разработка систем на этой основе тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.09 ВАК РФ

РГб од

. I < > I - •

•'Л \

" I.»• •:} >

МОСКОВСКИЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

На правах рукописи 8-93-146

ФИЛИППОВ Юрий Петрович

КОМПЛЕКСНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ГИДРОДИНАМИКИ И НЕСТАЦИОНАРНОЙ ТЕПЛОПЕРЕДАЧИ В ДВУХФАЗНОМ И СВЕРХТЕКУЧЕМ ГЕЛИИ И РАЗРАБОТКА СИСТЕМ НА ЭТОЙ ОСНОВЕ

Специальность: 01.04.09 — физика низких температур, 05.14.05 — теоретические основы теплотехники

Диссертация

на соискание ученой степени доктора технических наук в форме научного доклада

Москва 1993

Работа выполнена в Объединенном институте ядерных исследований, г.Дубна.

Официальные оппоненты:

- доктор технических наук профессор Деев В.И.

- доктор технических наук профессор Ягов В.В.

- доктор физико-матем. наук ст.научн.сотр. Немировский С.К.

Ведущее- предприятие - Институт физики высоких энергий, г.Протвино.

е

Защита состоится 18 июня 1993 г. на заседании Специализированногс совета Д053.16.02 при Московском энергетическом институте в ауд. МАЗ I 14-00 час.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МЭИ. Диссертация разослана /2/ мая 1993 г.

Отзывы о работе в двух экземплярах, заверенные печатью, проси! направлять по адресу: 105835, ГСП, Москва Е-250, Красноказарменная, 14 Ученый Совет МЭИ.

Ученый секретарь Специализированного совета доктор технических наук профессор

Галин Н.М.

Общая характеристика работы

Актуальность проблемы. Создание ускорителей заряженных частиц на высокие энергии, основными элементами которых служат сверхпроводящие (СП) магниты и резонаторы, требует оптимальных систем криогенного обеспечения. Эти системы можно разделить на две группы: погружные, когда тепловой режим СП объекта обеспечивается путем испарения/кипения насыщенного жидкого гелия, и проточные, когда тепло отводится к вынужденному потоку гелия. Сверхпроводящие устройства могут работать при температурах как нормального, так и сверхтекучего гелия. Выбор последних обусловлен стремлением повысить индукцию магнитного поля или добротность резонаторов.

Проточные системы чаще всего реализуются с помощью двух способов криоста-тирования. В первом случае тепло от обмотки передается прямому однофазному потоку гелия закритических параметров с последующей теплопередачей к обратному потоку двухфазного гелия. Этот способ реализован в ускорителях FNAL (США), HERA (ФРГ), УНК (Россия). Во втором случае тепло непосредственно передается потоку двухфазного гелия, паросодержание которого растет по длине магнитной структуры. Такой способ применяется в сверхпроводящих магнитах ускорителя "Нуклотрон" (ОИЯИ, Дубна), а также в СП соленоидах для детекторов частиц VENUS (Япония), термоядерных установках NET (Европа) и т.п. В последнем случае используются двухфазные потоки гелия, движущиеся горизонтально в протяженных охлаждающих каналах различного поперечного сечения (кольцевые, трубы). Оптимизация таких систем требует надежных исходных данных, к наиболее важным из которых относятся".

- границы режимов течения (структуры потоков),

- истинное объемное паросодержание и скольжение фаз в потоке,

- гидродинамические характеристики (гидравлическое сопротивление),

- нестационарная теплопередача к двухфазному потоку.

Исследования в области гидродинамики и теплопередачи к двухфазным потокам гелия ведутся как у нас в стране, так и зарубежом. Однако преимущественное внимание уделено (МЭИ, МИФИ, ИВТ РАН) вертикальным потокам, структуры которых существенно отличаются от таковых для горизонтальных потоков. Поэтому корректное использование уже полученных данных возможно, видимо, только для предельных случаев, когда потоки движутся с относительно высокими скоростями при гомогенизированных режимах течения. Выполненные в 1982 году в НПО "Гелиймаш", а также в последнее время (1988-1990 г.г.) отдельные работы в Японии (KHI) , США (FNAL), Франции (СEN), ФРГ (NET), которые посвящены режимам течения, гидродинамике и истинному объемному паросодержанию в горизонтальных каналах, недостаточны для обобщения результатов, а часть подходов и выводов носит дискуссионный характер. Информация по нестационарной теплопередаче к горизонтальным двухфазным потокам практически отсутствует. Недостаточно

исследованы также гидродинамика и нестационарная теплопередача при вынужденном движении сверхтекучего гелия, в частности, в связи со сложностью необходимого экспериментального оборудования.

Что касается погружных систем, то большинство факторов, определяющих стабильность СП обмоток, изучены достаточно хорошо, включая нестационарную теплопередачу в так называемом большом объеме нормального гелия. Однако применительно к сверхтекучему гелию эта проблема только начинает разрабатываться. Таким образом, получение новых экспериментальных данных по гидродинамике и нестационарной теплопередаче, их интерпретация и систематизация, а также разработка рекомендаций по их применению в криогенных системах сверхпроводящих устройств являются актуальными задачами.

Цель работы. Создать базу для разработки систем криогенного обеспечения крупных сверхпроводящих комплексов на основе изучения гидродинамики и нестационарной теплопередачи в двухфазном и сверхтекучем гелии:

-Исследовать режимы течения двухфазного гелия в горизонтальных каналах кольцевого, щелевого и круглого поперечных сечений; построить карту режимов течения.

-Исследовать зависимость истинного объемного паросодержания (р от расходного массового паросодержания х. Разработать методы расчета р(х) в зависимости от режимов течения. Распространить разработанные методы определения величин р в криогенике на промышленные теплотехнические и химико-технологические системы.

-Исследовать гидравлическое сопротивление ДР горизонтальных каналов; разработать методы расчета ДР, зависящие от структуры потока.

-Исследовать нестационарную теплопередачу к горизонтальному двухфазному потоку гелия и влияние структуры потока на динамику теплопередачи.

-Исследовать нестационарную теплопередачу к насыщенному сверхтекучему гелию, когда объем вокруг теплоотдаюцей поверхности ограничен. В той же конфигурации исследовать динамику релаксационных процессов при отключении импульса мощности.

-Используя полученные результаты по режимам течения, истинному объемному паросодержанию, гидравлическому сопротивлению, теплопередаче, провести оптимизацию конструкции сверхпроводящего дипольного магнита УНК и обосновать выбор числа рефрижераторов по 20 км кольцу ускорителя. Экспериментально оценить возможность криостатирования СП магнита непосредственно потоком двухфазного гелия.

Для этой цели необходимо:

-Создать на базе криогенной гелиевой установки КГУ-500/4,5 экспериментальный комплекс для исследования характеристик двухфазных потоков гелия при Т=4,5-5 К, а также для испытаний сверхпроводящих дипольных магнитов УНК с индукцией 5 Т.

-Создать на базе КГУ-500/4.5 рефрижератор для исследования тепловых и гидродинамических характеристик объектов, криостатируемых как недогретым, так и насыщенным сверхтекучим гелием при Т=1.8-2 К и тепловых нагрузках около 20 Вт.

-Разработать датчики для измерения истинного объемного паросодержания р гелия и др. криоагентов, а также измерительные приборы; разработать методику калибровки датчиков.

Научная новизна результатов:

1. Построены карты режимов течения двухфазного гелия для горизонтальных каналов кольцевого и круглого поперечных сечений. Предложен метод определения границы полного перемешивания жидкой и газовой фаз (граница существования расслоенного режима).

2. Определен вид зависимостей истинного объемного паросодержания от расходного массового паросодержания гелия для горизонтальных труб и каналов кольцевого сечения. Развит метод минимума приращения энергии для дисперсно-кольцевых и расслоенных потоков; количественно показано влияние на истинное объемное паросодержание массовой скорости, доли жидкости в газовом потоке, давления и расходного массового паросодержания.

3. Определен вид зависимостей гидравлического сопротивления круглых труб и каналов кольцевого и щелевого сечений горизонтальной ориентации от расходного массового паросодержания при движении двухфазного гелия с различными массовыми скоростями.

4. Лля расслоенных режимов течения в каналах кольцевого сечения на основе уравнений сохранения импульса для каждой фазы получены аналитические зависимости истинного объемного паросодержания, скольжения фаз и гидравлического сопротивления от расходного массового паросодержания и давления; показано изменение этих характеристик при переходе к круглым трубам.

5. Определен вид переходных процессов нестационарной теплопередачи к горизонтальным двухфазным потокам гелия в канале кольцевого сечения при ступенчатом тепловом возмущении. Представлена модель, позволяющая оценить влияние паросодержания и плотности теплового потока па динамику нестационарной теплопередачи при гомогенизированном распределении фаз в потоке.

6. Обнаружен резкий срыв интенсивных режимов теплопередачи к сверхтекучему гелию при ступенчатом подводе энергии, когда пространство вокруг теплоотдашей поверхности ограничено (стесненные условия); установлена зависимость величины критического .теплового потока вихреобразования от геометрических характеристик, температуры объема Hell, времени вихреобразования.

7. Экспериментально исследована динамика релаксационных процессов в Hell из состояния пленочного кипения в конфигурации "стесненных условий"; выделены характерные стадии релаксационного процесса, вид и продолжительность которых

существенно зависят от первоначально подведенной энергии, геометрии теплопередачи и физических свойств объектов теплопередачи.

Обоснованность теоретических результатов обеспечивается:

- использованием допущений,имеющих ясный физический смысл;

- применением в качестве основы описания процессов в двухфазных потоках уравнений сохранения импульса для каждой фазы, условий устойчивости волны на границе раздела между двумя средами, движущимися с разными скоростями, метода минимума приращения энергии, выводов теории турбулентности и пограничного слоя;

хорошими результатами сопоставления со всеми полученными и известными экспериментальными данными по режимам течения, гидродинамике, истинному объемному паросодержанию и нестационарной теплопередаче в горизонтальных двухфазных потоках гелия;

- согласованием тех результатов расчетов, которые выполнены несколькими методами (оценка истинного объемного паросодержания для расслоенных режимов течения).

Достоверность экспериментальных результатов подтверждается:

- методикой градуировки резонансных преобразователей истинного объемного паросодержания криогенных сред, согласованной с головным институтом Госстандарта РФ-БНИИФТРИ;

- определением возможностей экспериментального оборудования, анализом погрешностей производимых измерений;

- опытными данными, полученными на разных экспериментальных участках.

Практическая ценность. С помощью созданного на базе криогенной гелиевой установки КГУ-500/4.5 комплекса подтверждена принципиальная возможность криостатирования сверхпроводящего дипольного магнита УНК непосредственно двухфазным потоком гелия. Результаты комплексного экспериментального исследования использованы для оптимизации криогенной системы УКК и конструкций сверхпроводящих магнитов УНК с "теплым" и "холодным" железом. Теоретические результаты позволяют создавать необходимые расчетные модели, а предложенные методики обеспечивают возможность рассчитывать характеристики конкретных систем, криостатируемых с применением двухфазного гелия.

Созданные датчики и приборы для измерения паросодержания или средней плотности двухкомпонентных сред использованы в элементах криогенных систем УНК (ИФВЭ), "Нуклотрона" (ОИЯИ), фарфоро-фаянсовом производстве, нефте-газовой промышленности; их применение может быть расширено, что вызвано потребностями космической техники, воздухо-разделительной промышленности, экологии.

Созданый рефрижератор производительностью около 30 Вт при температуре 1.8 К позволяет проводить экспериментальные исследования как на моделях, так и на реальных сверхпроводящих объектах. Полученные результаты и методики могут быть рекомендованы к внедрению в практику проектирования систем криостатирования с

использованием сверхтекучего гелия.

Апробация работы. Результаты работы докладывались на рабочем совещании Международного комитета по будущим ускорителям (ICFA) (Протвино, 1981); на III и IV Всесоюзных научно-технических конференциях по криогенной технике (Балашиха, 1982; Москва, 1987); Советско-Западногерманских симпозиумах по теплообмену в криогенных системах (Харьков, 1985; Харьков, 1989; ФРГ, Карлсруэ, 1991); XIII Международной конференции по ускорителям заряженных частиц (Новосибирск, 1986); Международных конференциях по криогенике (Великобритания, Саутгемптон, 1988; Киев, 1992); Международной конференции по физике низких температур (Венгрия, Будапешт, 1987); Международных конференциях Криогеника (Чехословакия, Усти на Лабе, 1988; Брно, 1992); Национальных конференциях США по криогенике (Лос-Анджелес, 1989; Хантсвилл, 1991); Международной конференции по низкотемпературной инженерии (Великобритания, Саутгемптон, 1990); Международном промышленном симпозиуме по Суперколлайдеру (США, Новый Орлеан, 1992).

Публикации. Основное содержание диссертации изложено в 37 публикациях.

Структура и объем научного доклада. Доклад состоит из введения, 11 разделов, объединеных в три части, общих выводов и заключения, а также списка основных публикаций. Доклад изложен на 40 стр. и содержит 17 рис. и 1 таблицу.

Часть Разработка и создание экспериментального оборудования

1. Стенд для исследования характеристик двухфазных потоков гелия и сверхпроводящих магнитов УНК

Работы по сверхпроводящему ускорителю с энергией протонов 3 ТэВ (г.Протвино Московской области) были спланированы в 1980 году так, что изучение характеристик горизонтальных двухфазных потоков должно выполняться в ОИЯИ (г.Дубна), а исследования с макетами и полномасштабными СП магнитами (длиной около 6 м) - в ИФВЭ (Протвино). В Дубне также предполагались испытания дипольных магнитов с натуральным поперечным сечением и длиной около 1 м при криостатировании СП обмоток непосредственно двухфазным потоком гелия, что отличалось от схемы строившегося в США СП ускорителя Теватрон с энергией протонов около 1 ТэВ. Для этих целей были созданы экспериментальные стенды. Особенность этих стендов состоит в том, что они предназначались для охлаждения больших масс (до нескольких тонн) и длительной работы (в течение нескольких 8-часовых смен) при рабочих температурах Ти4,5 К с расходом гелия до (20+100)-Ю"3 кг/с. Традиционные стенды с циркуляцией предварительно запасенного гелия за счет избыточного давления не удовлетворяют этим требованиям. Поэтому необходимые стенды в ОИЯИ и ИФВЭ были созданы на базе криогенных гелиевых установок.

Схема стенда для исследования горизонтальных двухфазных потоков гелия на базе КГУ-500/4,5 приведена в (1]. Схема стенда для работы со сверхпроводящим

магнитом во многом аналогична. Источник питания обеспечивал ток около 5000 А. Контроль термодинамических параметров гелия и других сигналов производился автоматизированной системой сбора и обработки данных. Большинство электронных блоков этой системы выполнены в стандарте КАМАК.

Особенность проточных криостатов для исследования характеристик двухфазных потоков гелия состоит в том, что в них могли одновременно контролироваться гидравлическое сопротивление, истинное объемное паросодержание и структура двухфазного потока. Основные характеристики криостатов представлены в таблице 1.

Таблица 1.

поперечное сечение эксп. канала з размеры, 10 м измерямые величины визуализация

круг <1=5.6+12 1=430 ДР, Ч> есть

круг с1=4.60 1=2000 ДР нет

кольцо а =13.0, <1 =11.1, 1=600 1 2 ДР,#>,Т(т) есть

прямоугольник 11=30.0, Д=1+2, 1=400 ДР есть

кольцо с! =11.1, Д=0.6+1, 1=40+400 V нет

2. Стенд для экспериментов со сверхтекучим гелием

Стенд предназначен для исследования тепловой и гидродинамической турбулизации сверхтекучего гелия и ее последующего влияния на нестационарный тепловой режим охлаждаемого устройства. Предусмотрена также возможность испытаний реального криогенного оборудования - сверхпроводящих магнитов и резонаторов - при температурах около 1,8 К.

Экспериментальный стенд создан на базе установки КГУ-500/4,5; его схема показана на рис.1 [31]. Особенность установки состоит в том, что ступень окончательного охлаждения включает помимо теплообменников две ванны. В первой ванне температура поддерживается на уровне Т=3,0 К откачкой паров гелия эжектором, а во второй - на уровне около 1,8 К системой вакуумных насосов производительностью 0,5 м3/сек. Расход гелия в циркуляционном контуре (через проточные криостаты) контролируется диафрагмой, установленной после спирального теплообменника в ванне при температуре 3,0 К.

При необходимости работы с реальными сверхпроводящими устройствами внутренняя сборка удаляется из криостата 1,8-3,0 К, и на ее место может устанавливаться СП объект.

Для экспериментов с различными образцами в объеме сверхтекучего гелия к

откачиой магистрали napoo гелия присоединены три криостата с диаметрами сосудов для гелия - 150, 200 и 250 мм (на схеме рис. 1 не показапы).

Учитывая сложность установки, основные ее параметры, такие как давление паров в ваннах ступени окончательного охлаждения, были зафиксированы. Для этого на всасывающих магистралях эжектора и вакуумного насоса были установлены регулируемые вентили с пневмоприводом, управление которыми осуществлялось автоматическими регуляторами, реализующими ПИД-закон регулирования. При температуре в ванне 1,8 К холодопроизводительность рефрижератора составляла 19,1 Вт [31]. Производительность вакуумной системы в настоящее время доведена до 1 м3/сек, получена холодопроизводительность 30 Вт/1,8 К.

3. Датчики и приборы для измерения истинного объемного паросодержания

Первые данные по измеренным величинам истинного объемного паросодержания гелия ¡f появились в начале восьмидесятых годов в США. У нас в стране такие работы начались несколько позже в ИАЭ им. Курчатова и МИЭМ, а потом велись и ведутся в НГТУ им. Н.Э.Баумана . Одна из модификаций измерительной системы для гелия была выполнена во ВНИИ0ФИ. Для измерения других сред хорошие результаты достигнуты в ИПУ РАН и ВНИИФТРИ. В середине восьмидесятых годов был создан измеритель р гелия в ЦЕРНе, а в конце 80-х в FNAL. В рамках водородной программы ведутся аналогичные разработки в Китае.

Анализ данных показывает, что используемые датчики паросодержания не всегда обеспечивают надежные измерения. В частности, не ясно, как некоторые авторы (например, Халил) оценивают погрешности измерений и как осуществляется процедура калибровки. Последний момент обходится большинством авторов со ссылкой на. линейность градуировочной характеристики для гелия при использовании, например, емкостных чувствительных элементов. Справедливость этого не вызывает сомнений, однако использование таких измерителей для других криоагентов - азот, кислород, водород - требует разработки методики калибровки датчиков.

Следует также отметить, что в измерителях ВНИИОФИ и ЦЕРНа на чувствительном участке может происходить изменение структуры потока по длине, а в работе Халила сделана попытка проанализировать процессы в трубах с помощью измерителей кольцевого сечения, что справедливо лишь для гомогенизированных течений. Трудно также сделать выводы о влиянии массовой скорости т на величину у. Так, в работе Катедера отмечена незначительность этого фактора, тогда как в работе Халила показано существенное влияние т на <р.

Все это побудило проанализировать причины отмеченных неопределенностей, создать более совершенные датчики, оценить погрешность измерений и разработать методику калибровки для любых криоагентов.

Датчики истинного объемного паросодержания

Основные характеристики. Используемые в настоящее время криоагенты являются

диэлектриками. Поэтому для работы с ними довольно удобно использовать датчики,

реагирующие на среднюю диэлектрическую проницаемость среды е~е ч>+с (1-9). В

я '

принципе, зная Рис, можно определять термодинамическое состояние как парожидкостных, так и однофазных диэлектрических потоков.шли»1 »..ч.. ншцшинцл

Принципиальное значение при работе с криогенными средами приобретает

точность измерения емкостной характеристики. Это связано с тем, что

диэлектрические проницаемости жидкой с и газовой е фаз этих веществ могут

1 я

иметь очень малые различия, например для гелия (с^-с )/с^ =47.. Следовательно, точность измерения должна быть примерно на два порядка выше - 0.04У.. При величине сигнальной емкости порядка десятков пФ прямые методы измерения с такой точностью сложны. Поэтому предпочтительным оказывается высокочастотный метод, когда исследуемая среда заполняет объем резонатора, включаемого в колебательный контур. По изменениям частоты { электрических колебаний в контуре можно судить о степени заполнения резонатора с довольно высокой точностью.

Следующая особенность связана с геометрическими характеристиками канала, в котором проводятся измерения. Поскольку датчик используется не только для определения <р в нем самом, но и для получения информации о <р и х в реальных каналах, то необходимо адекватно сопоставлять эти величины в датчике и в исследуемом канале. Без чрезмерных усложнений это можно сделать для гидродинамически стабильного потока в канале с относительно простой формой поперечного сечения в виде характерных для практики круга , кольца, узкой щели. Это определяет требования к участкам гидродинамической стабилизации в датчике и к форме его поперечного сечения [35,36].

Третья важная особенность касается распределения энергии электрического поля в исследуемом объеме. Очевидно, что характер распределения фаз по сечению канала в потоке, даже при одной и той же величине паросодержания, может существенно различаться. В свою очередь это может сказаться на показаниях

датчика, если электрическое поле в нем неравномерно; они будут определяться не только величиной <р, но и режимом течения смеси. Следовательно, для сравнительно простых измерений <р необходимы конструкции, в которых распределение энергии электрического поля в чувствительном элементе близко к равномерному.

Способы создания таких полей могут быть различными. В данной работе, анализируя основные принципы и возможности емкостного метода, рассмотрены только два наиболее типичных примера датчиков с каналами кольцевого и круглого поперечных сечений [9,20,251, хотя существуют и другие конструкции, обладающие своими специфическими особенностями. При обсуждении датчиков основное внимание уделено: градуировочной кривой рС Г), чувствительности Н= ^ /{, погрешности измерений 5<р.

Измерительная аппаратура для определения <р включает устройства измерения резонансной частоты Г и давления Р, а также интеллектуальный блок приема, обработки и выдачи информации. В зависимости от требований к интеллектуальной части созданы два измерительных устройства: автономный прибор и блок, выполненный в одном из электронных стандартов (КАМАК)С 293.

Часть Результаты исследования моделей систем. криостатируемнх

двухфазным и сверхтекучим гелием 1■ Режимы течения горизонтальных двухфазных потоков гелия Стуктура распределения фаз по сечению каналов - одна из характеристик двухфазных потоков, определяющая большинство закономерностей гидродинамических и тепловых процессов. В настоящее время накоплен обширный материал экспериментальных и теоретических исследований режимов течения многих двухфазных смесей. Подавляющее большинство работ (Бейкера, Шихта, Тайтела, Мэндхэйна, Азиза, Лина, Гарднера, Барни и др.) посвящено течениям водо-воздушных, паро-водяных смесей и смесей углеводородов. Предложено несколько разновидностей карт режимов течения, предназначенных для определения структур течения этих смесей по характерным параметрам потока. В начале восьмидесятых годов предметом интереса стали, в частности, горизонтальные двухфазные потоки гелия (ЭНИН, ОИЯИ). Однако попытки предсказывать режимы течения в этом случае, пользуясь известными методиками, к успеху не приводят - результаты оказываются не соответствующими действительности [1,4].

Первые исследования [1] структур горизонтальных двухфазных потоков гелия на представленном в предыдущем разделе стенде показали, что имеется значительное отличие положения границ карты режимов течения гелия [4] от соответствующих границ карт для других веществ, что подтверждается более поздними данными НПО " Криогенмаш", ПМЬ (США), С ЕЙ (Франция). Такое различие может быть обусловлено тем, что величины плотности р, динамической вязкости ц.

жидкого и газообразного гелия, а также поверхностного натяжения а при давлениях Р=100-200 кПа значительно (в некоторых случаях на порядки) отличаются от свойств традиционно рассматриваемых смесей.

В этом разделе сделана попытка объяснить причины выявленных особенностей и расхождений, обосновать положение наиболее важных границ карты режимов течения горизонтальных потоков гелия и сравнить полученные соотношения с экспериментальными результатами для каналов различного поперечного сечения.

Выбирая форму представления данных, можно отметить, что из широко известных координат для карт режимов течения довольно наглядными и простыми представляются приведенные скорости жидкости 1-х)/р^=и^(1-(р) и газа

где т - массовая скорость, х и <р - соответственно расходное и истинное объемное паросодержания, р - плотность, и - средняя скорость. Для однозначного описания двухфазного потока координатная сетка должна

быть дополнена линиями постоянных значений <р, тих.

Течения в круглой трубе. Характерные режимы течения, зарегистрированные

2

при величине удельного теплопритока ч г 4 - 5 Вт/м для трубы внутреннего диаметра »8 мм, представлены в [11,15]. Границы между режимами, полученные из обработки экспериментальных данных, нанесены на рис.2, кривые 1. Как отмечалось, эти границы существенно не совпадают с границами для течений водо-воздушных смесей [1,4]. Использование предложенных Мэндхэйном и Барни поправочных множителей не приводит к желаемым результатам. Помимо количественных отличий можно отметить и качественное, заключающееся в отсутствии снарядного течения для двухфазного гелия. Одно из традиционных соотношений для границы перехода к снарядному течению, выведенное из теории устойчивости малых синусоидальных волн, показывает, что выше кривой 8 течения должны быть снарядными. Однако при массовых скоростях гелия 30+50 кг/м2с эти

Рис.2. Карта режимов течения в трубе

D=7,9 мм при Р—140 кПа. 1 экспериментальные границы режимов течения двухфазного гелия; 2,3,4 -результаты расчетов; 5 - граница гомогенизированных течений при диаметре канала 50 мм; б - данные Тейлакера для расслоенных режимов; 7 - данные Соважа-Бутара для дисперсных режимов. I- пузырьковый, II-расслоенный, III- дисперсный, IV-эмульсионный.

-2

-1

0

1

10

10

10

10

V , м/с я

режимы не реализуются. Видимо, за счет обмена импульсом профиль скорости вблизи границы раздела сглаживается, а повышение массовой скорости приводит к увеличению перемешивания с соответствующим разрушением поверхности раздела фаз (перемешивание расслоенного потока). При некоторых скоростях весь поток становится сравнительно однородным (гомогенизированным) по сечению канала.

Режимов с гомогенизированным распределением фаз можно выделить три: пузырьковый, дисперсный и эмульсионный. С учетом этого оценено положение границы полного перемешивания. Механизм перемешивания - хаотическое движение турбулентных вихрей, а подход меняется в зависимости от паросодержания и определяемого им режима течения. Например, в первом случае условие перемешивания, оцененное из баланса сил, действующих на газ со стороны жидкости "вследствие турбулентности" и силы Архимеда, записывается как

где А и Э - площадь сечения и смоченный периметр, индекс 1 относится к межфазной поверхности. Граница перехода к пузырьковому течению, рассчитанная в соответствии с (1), представлена на рис.2, кривой 2.

При рассмотрении перехода к дисперсному течению оценка положения границы перемешивания проведена по аналогии с предыдущим случаем, но в качестве несущей фазы принят газ, а не жидкость. Соответствующая граница показана кривой 3.

Для случая (0.3 г р * 0.8) было сделано предположение, что полное перемешивание происходит тогда, когда энергия Е^ турбулентных пульсаций близка к потенциальной энергии Е , которую будет иметь смешанный поток относительно расслоенного: . Граница перехода к эмульсионному течению представлена

кривой 4.

Положение всей границы полного перемешивания можно получить, соединив участки 2,3,4 плавной линией. Сравнение с экспериментальными данными показывает правомерность такого подхода. В частности, сравнительно высокое положение соответствующей кривой для труб диаметром 50 мм объясняет, почему в экспериментах Тэйлакера (РИАО реализовывались преимущественно расслоенные течения.

Течение в узком щелевом канале. В случае, когда, например, высота канала значительно больше его ширины, многие из сделанных выше предположений становятся неприемлемыми. Карта режимов течения для этого канала показана на рис.3. Особенность течений в этом случае состоит в том, что это прерывистые структуры, которые не наблюдались в круглой трубе. Под прерывистым режимом подразумевается течение, при котором крупные частично разрушенные волны жидкости касаются верхней образующей канала.

Анализ показал, что в этом случае граница расслоения может быть получена

[4 А/31 (8/Г1' П-Р1/Рв>]

О. 5

(1)

"ч

10

10

10

1

Рис.3. Карта режимов течения в канале целевого сечения при Р=140 кПа. 1 -экспериментальные границы режимов течений двухфазного гелия; 2 граница устойчивости волн на поверхности раздела фаз: расчет по (2) при К=1. I,II,III,IV- то же самое, что на рис.2; V- прерывистый режим.

¥ , М/С Я

на основе теории устойчивости малых синусоидальных волн при К=1. В случае, если канал ориентирован большей стороной по горизонтали, граница расслоенных режимов течения будет смещаться вниз, причем тем ниже, чем уже канал. Это следует из выражения (2) (см. кривую 3 на рис.3).

Таким образом, установлено, что карты режимов течения двухфазного гелия в горизонтальных каналах существенно отличается от традиционно используемых диаграмм такого рода для других сред. При этом наблюдаются не только количественные различия (на порядок и более) в положении границ режимов течения, но и качественные, заключающиеся, например, в отсутствии снарядных течений в каналах круглого сечения. Зависимость физических свойств гелия от давления также влияет на положение границ режимов течения, однако, в исследованном диапазоне давлений 140-180 кПа смещение границ незначительно. Существенно большее влияние на характер течений оказывает геометрическая форма канала. Так, в узких каналах кольцевого и прямоугольного сечений наблюдались прерывистые структуры двухфазного потока гелия.

При характерных параметрах потоков и геометрических размерах режимы течения в каналах сверхпроводящих магнитов таких ускорителей, как Tevatron, КЕК, HERA и УНК будут расслоенными.

2. Истинное объемное паросодержание горизонтальных

Для двухфазного гелия, движущегося в горизонтальных каналах, информация по истинному объемному паросодержанию отсутствует. Для теоретического анализа по влиянию геометрии канала, массовой скорости и физических свойств на истинное объемное паросодержание использован метод минимума приращения энергии в формулировке И.Пригожина, согласно которому система стремится затратить как можно меньше работы, чтобы ускорить пар и жидкость до скоростей,

двухфазных потоков гелия

удовлетворяющих уравнешто неразрывности. Рассмотрены два типичных случая:

дисперсно-кольцевой режим течения, реализующийся при относительно высоких

массовых скоростях гелия т>150+200 кг/м2с, и расслоенный, наблюдаемый при

относительно низких величинах п~20+40 кг/м2с. Используя результаты работы Зиви,

можно получить общее соотношение р=р(х, р , р , К, М), где К - доля жидкости в

я 1

газовом потоке по отношению ко всей доле жидкости, а N - определяет эффект трения. Из-за неопределенностей в оценке величин К и N расчеты по такому соотношению могут рассматриваться лишь как качественные. Для дисперсно-кольцевого режима течения получено общее соотношение для величины <р

1-Х Рд 1 1-Х Рд 1+К - — + (1 + - N )1/3 (1-К) - ( — )2/3

р 2 dk X р

I 1-х 'я

<р = J 1 + К — —

I * Р,

1-х ря 1+К — — х Р,

(3)

1 + К

х

где N =N(L,f ,К, ДР); L - длина канала, f - коэффициент трения при движении dkl 1

жидкости, ДР - относительное гидравлическое сопротивление двухфазному потоку. Последняя величина хорошо исследована, в частности, авторами МИФИ, ИВТ РАН, ОНЯИ. Полученное соотношение (3) применимо как для труб, так и для каналов кольцевого сечения.

Для расслоенных режимов течения величина N в (3) должна быть заменена на х(1-<р )р

N

р

= N Г 1 + -1.

dk L (1-х)1-К)р

я

На рис. 4 в качестве примера показано, как отражается на ИОП изменение величин К и N в зависимости от массовой скорости т. Так, при К=1 и N=0 для зависимости ®(х ) должна быть справедлива гомогенная модель, поскольку

1 Ш2100 .

соотношение (3) преобразуется к виду у = |1 + -'^ . При К=Н=0 и т=>0

величина р стремится к значению, определяемому соотношением Зиви

(4)

1 + - pI]

э, определж

[1-х Ря 1

_, .2/3 | -1

1 + -( —)

х р, J •

Промежуточные состояния отражают кривые 1, 2 и 3. При низких массовых скоростях (т~20 кг/м2с) соответствующие величины у> для кольцевого канала близки к значениям, рассчитанным по соотношению [11] Р. М,

г 1-х я 1 1-1

lg

которое получено из уравнений сохранения импульса для газовой и жидкой фазы при

№. М QJ6 №

i

/ 'Z ¿ ir-// <1

BU

Г 2!

Рис.4. Зависимости истинного объемного паросо-держания <р от массовой скорости т для кольцевого канала при Р=0,12 НПа и х=0,3. 1 - учитывает только эффект уноса жидкости в газовый поток , 0<К<1, N=0; 2 - учитывает только эффект трения, К=0, N>0; 3 - учитывает совместное влияние обоих эффектов, 0<К<1, N>0; 4 и 5 - расчеты соответственно по гомогенной модели и

0 40 S0 /71, КГ/М С соотношению Зиви (цифры без штриха и со штрихом

относятся к горизонтальной и вертикальной ориентации).

расслоенном течении (ц - динамическая вязкость).

При прочих равных условиях диапазон изменения величины <р для кольцевых каналов может быть заметно шире, чем для труб, когда массовая скорость двухфазного потока гелия уменьшается со 120 до 20 кг/м2с.

Результаты измерений

Измерения были проведены с помощью датчиков, сечения чувствительных

элементов которых были выполнены в форме круга и кольца. Характерные результаты

для горизонтальных потоков показаны на рис.5, из которого видно, что

соответствующие данные хорошо согласуются с результатами расчетов по

соотношениям (4), (5) и гомогенной модели. В частности, при изменении массовой

2

скорости в диапазоне 20+110 кг/м с и паросодержании, например х=0.5, интервал изменения <р для каналов кольцевого сечения примерно на 30-407. шире, чем для каналов круглого сечения. Можно отметить, что результаты расчетов по зависимостям Леви (не учитывает влияние га на (р) и Премоли (учитывает это влияние), лучше других подходящим для гелия, располагаются между кривыми 5 и 6, давая отклонение 15-20% от экспериментальных данных. Для практических расчетов была разработана методика определения зависимости #>(х) для горизонтальных потоков гелия при Р=0.12+0.13 МПа. Эти зависимости имеют вид [13]

о 0.2 0.4 0.6 0.9 X

Рис.5. Зависимости истинного объемного паросодержания <р от расходного массового паросодержания х гелия при Р=137 кПа. 1-4 -экспериментальные данные при различных т, кг/м2с: 1-110, 2-34, 3-71, 4-21; 5-7 - расчеты: 5 - по гомогенной модели, 6 - по соотношению Зиви (4), 7 - по соотношению (5).

Г 1_х Р® ! V1 9 = [ 1 + — (— ) У J . у=у(т). (6)

Максимальные отклонения при расчете величин <р с помощью соотношения (6) не превышают 5% относительно соответствующих экспериментальных данных [13].

3. Гидравлическое сопротивление при движении двухфазных

потоков гелия в горизонтальных каналах Из работ по гидравлическому сопротивлению ЛР каналов с вынужденными потоками двухфазного гелия большая часть посвящена иследованию вертикальных (МИФИ, ИВТ РАН) и змеевиковых (ИАЭ) каналов. Авторами из МИФИ на основе анализа обширного экспериментального материала представлены методики расчета гидравлических сопротивлений труб для т=30+400 кг/м2с, х=0+1, Р=( 0,04+0,18) МПа. Авторами из НПО "Гелиймаш" предложена методика расчета ÛP горизонтальных каналов, однако она не учитывает некоторые эффекты в двухфазном потоке гелия, а расчеты в ряде случаев носят оценочный характер. Появившиеся в середине восьмидесятых годов данные авторов из KHI (Япония) довольно малочисленны и не систематизированы. Похожих характеристик для вертикальных и горизонтальных каналов можно было ожидать, видимо, для относительно высоких массовых скоростей (т>150+200 кг/м2с), когда могут быть сходны структуры потоков, что отмечалось в [18,23]. Как было показано выше, при низких массовых скоростях (mi50+70 кг/м2с) режимы течения двухфазного гелия в горизонтальных каналах становятся расслоенными, что несвойственно вертикальным каналам. Таким образом, гидравлическое сопротивление горизонтальных каналов при движении двухфазного гелия требует существенных дополнительных исследований.

Анализ этой проблемы начнем с рассмотрения расслоенных потоков. поскольку именно они характерны для каналов проточной части СП магнитов ускорителей заряженных частиц. Анализу характеристик горизонтальных расслоенных потоков посвящен ряд работ Хыоитта и Баттерворса, Делайе, которые используют уравнения сохранения импульса для каждой фазы. Однако воспользоваться с уверенностью известными результатами решения этих уравнений для случая двухфазного гелия, видимо, нельзя, т.к. они получены с учетом ряда корректирующих факторов с целью лучшего согласия с экспериментальными данными. Например, иногда использовалась так называемая псевдосредняя скорость Uj j вместо средней U , причем Uji>1^ ; в

других случаях корректировались эквивалентные гидравлические диаметры D и D .

1 я

Кроме того, часто используемое упрощающее соотношение U »U несправедливо для

<з 1

гелия. Поэтому эти упрощения и коррективы нами не делались.

Величина гидравлического сопротивления двухфазному потоку в канале длиной 1 может быть определена из соотношения

а21 _ г V.

ЛР„ = Г, - • 1 + ДР ( - 1—1 11-, (7)

ДВ ' А22Р О . ^ Г,Р 1 Ц

1 * 1 д '

где I и {! " относятся, к полному расходу С.

Для узких каналов прямоугольного и кольцевого сечений можно показать, что

относительное гидравлическое сопротивление ДР определяется как

Р М

[1 д -,7/4

(г)4/7(г)1/7 * -1

__Я I ■>

ЛР = - = -----. (8)

ДР -ДР Р1

9 1 (¡г )1/4( ^Г ) " 1

1 я

Для проверки полученных соотношений и границ их применимости были проведены эксперименты. Характеристики экспериментальных каналов представлены в таблице 1. Условия были близки к адиабатным. В качестве измерительных приборов использовались преобразователи давления дифференциального типа "Сапфир 22 ДД" с пределами от 250 Па до 10 кПа. Максимальные погрешности в определении величин ДР и х составляли соответственно 2 и 5"/..

Полученные экспериментальные данные представлены на рис.6; максимальное расхождение экспериментальных точек и расчетов (кривая 1) не превышает 10+15'/..

Для каналов круглого сечения (трубы) решение было получено с помощью ЭВМ. Результаты расчетов располагаются примерно на 10'/. выше кривой 1 (рис.6) для узких каналов, а массив экспериментальных данных целиком смещен вниз. Максимальное расхождение результатов расчета с экспериментом здесь хуже и достигает «257., например, при х=0,6. Аналогичные данные МИФИ для вертикальных каналов располагаются заметно выше линии ДР=х, что объясняется различием режимов течения.

Экспериментальные данные для трубы лучше обобщаются эмпирической формулой

* л-5 »-7 Ж

1

" А а?

V

е аг и и а х

Рис.6. Зависимости относительного перепада

давления ДР от расходного массового

паросодержания х для каналов кольцевого и

щелевого сечений при Р=0,125+0,130 МПа. 1,2 -

зависимости, рассчитанные соответственно по

уравнениям (8) и ДР=х; 3,4,5

экспериментальные данные для канала

кольцевого сечения соответственно при т=26,

38 и 53 кг/м2с; 6,7 - экспериментальные

данные для канала щелевого сечения

2

соответственно при т=32 и 48 кг/м с.

ЛР = 0,095 [(1 + 3,05х)1'75 - 1]. (9)

При этом максимальное расхождение результатов не превышает 15% во всем диапазоне паросодержаний х.

Гомогенизированные течения. При относительно высоких массовых скоростях т>150-200 кг/м2с карта режимов идентифицирует структуру как гомогенизированную (дисперсную и дисперсно-кольцевую невозможно различить использованным методом визуализации), причем значения истинного объемного паросодержания хорошо согласуются с расчетом по гомогенной модели. Однако значительное отклонение экспериментальных данных по гидравлическому сопротивлению от расчетов по гомогенной модели свидетельствует о том, что истинным режимом течения может быть не дисперсный, а дисперсно-кольцевой. Попытки моделирования таких режимов для двухфазного гелия ранее, видимо, не предпринимались.

При разработке методики расчета было сделано предположение, что на стенке трубы имеется жидкий вязкий подслой (ВП) гелия толщиной в . По границе вязкого подслоя движется двухфазный поток, который состоит из жидкого пристенного слоя и парожидкостного ядра, занимающего основную часть сечения. Модель только с пристенным слоем жидкости и парожидкостным потоком рассматривалась Б.И.Нигматулиным с соавт. при исследовании вертикальных дисперсно-кольцевых пароводяных потоков при давлениях до 10 МПа.

Решая необходимые уравнения сохранения импульса для выбранной модели, получим

f. . (1- Ü / Ü) _ г I 1-х вп 1Г п-1

ДР = - ( — ) - _ Л Г (и /„ )1/4(P/Pe)-I| . СЮ)

L fi 1-р ' (l-x(l-l/k)] JL 9 1 1 " J

где U и - средние скорости в смешанной области и в вязком подслое (ВП), к -коэффициент скольжения фаз в смешанной области, индекс i относится к границе между ВП и пристенным слоем смешанной двухфазной области.

Методика определения соотношений U^/ U, f ^ /f ^ и величин к приведена в

123].

На рис. 7 представлены зависимости ДР(х)рассчитанные в соответствии с изложенной методикой. Из рисунка видно, что в диапазоне 0,2^x^0,6 (зона III) результаты расчета (линии 3+6) хорошо согласуются как с зависимостью I (МИФИ) для вертикальных, так и с зависимостью 2 (ОИЯИ) для горизонтальных каналов -максимальные отклонения не превышают ±10%.

С помощью разработанной методики были проведены расчеты для пароводяных потоков при давлениях 14+17 МПа и ш=1500+3000 кг/м2с. Результаты показывают, что в диапазонах рассмотренных давлений и массовых скоростей гидродинамические характеристики двухфазных потоков гелия и пароводяных потоков имеют довольно

г, Ál

5 6 г i/

м

Рис.7. Зависимости относительного перепада давления ДР и структуры двухфазного потока гелия от расходного массового паросо-держания х. 1,2- обобщающие расчетные зависимости для вертикальных (МИФИ) и горизонтальных (ОИЯИ) труб; 3+6- расчет по предложенной методике соответственно для т=300, 250, 200 и 150 кг/ м2с, Р=0,13 МПа, D=4,6 мм; 7- по соотношению ДР=1,5 х; 8- по гомогенной модели; 9+11- на основе выражения [231 для дисперсно-кольцевого течения

2

соответственно при ш=150, 200 и 300 кг/м с; I+V- соответственно диапазоны пузырькового, переходного, дисперсно-кольцевого с волновой границей, дисперсно-кольцевого с

I _ I

гладкой границей раздела фаз и эмульсионного режима течения.

общий характер и могут быть определены на основе рассмотренной модели.

Имеющиеся особенности для двухфазного гелия - выраженный гидравлический кризис

в диапазоне 0,16 МПа < Р < Р , х=0,2+0,6 и различие в наклонах кривых ДР(х)

кр

- связаны с отличием теплофизических свойств гелия и воды.

Для инженерных расчетов была разработана методика, в соответствии с которой безразмерный перепад давления определяется эмпирическим соотношением

ДР = Ах'е" + ВхЬ . (И)

В этом соотношении коэффициенты а, Ь, с, А и В зависят от массовой скорости, что иллюстрирует рис. 8. Коэффициенты в (11) были определены методом наименьших квадратов при обработке массивов экспериментальных данных для трубы <1=4,6 мм длиной 2 м при т = 44, 52, 63, 83, 92, 114, 126, 148, 192, 245 и 300 кг/м2с. Из

Рис.8. Зависимости коэффициентов А,В,а,Ь

и с в уравнении (11) от модифицированного

—1——тт

р Р (или

да-

массовой скорости т). Зоны 1,11,111 и IV соответствуют расслоенному режиму течения, близкому к гладкому; расслоенному волновому; переходному; эмульсионному режиму течения.

рисунка видно, что на нем выделены четыре характерных зоны. Положение их границ удовлетворительно согласуется с аналогичными границами карты режимов течения двухфазного гелия для горизонтальных труб (рис.2).

4. Нестационарная теплопередача к горизонтальному двухфазному потоку гелия

В настоящее время имеется довольно обширный материал по нестационарной теплопередаче при свободном движении гелия в объеме и каналах (Стюард, Джиарратано, Джексон, Шмидт, МЭИ, МИФИ, НПО Криогенмаш и т.д.). Ведутся исследования, ориентированные на системы охлаждения вынужденными потоками криоагента сверхкритических параметров (Джиарратано, Стюард). Становится существенным интерес к СП-системам, в которых криостабилизация СП-обмоток обеспечивается двухфазным потоком гелия. Однако эксперименты с двухфазным гелием довольно ограничены (МЭИ, ИВТ РАН). В частности, существующие данные явно недостаточны для оценки характеристик нестационарной теплопередачи к горизонтальным двухфазным потокам гелия в каналах кольцевого сечения, которые характерны для СП магнитов ускорителей.

П этом разделе описана аппаратура и приведены результаты исследований, которые до определенной степени восполняют отмеченный пробел. При этом основное внимание уделено взаимосвязи характеристик тепловых процессов и режимов течения двухфазных потоков гелия в горизонтальных каналах.

В состав экспериментального оборудования входят: малоинерционные тепловыделяющие элементы (ТВЭ) в виде тонких пленок из углерода, электроника для импульсного нагрева ТВЭ и динамического измерения температур, проточные криостаты и система циркуляции гелия. Углеродные пленки используются как нагреватели-термометры (НТ) с высокой чувствительностью. При использовании таких НТ требуется специальное электронное оборудование, ориентированное на конкретную быстроменяющуюся величину сопротивления Н(Т,т). Особенность созданного усилителя мощности состоит в том, что он стабилизирует мощность джоулева тепловыделения в НТ. Измерительная система включает б автономных усилителей мощности, обеспечивающих мощность в импульсе до 40 Вт, 8-канальный 12-разрядный АЦП с минимальным временем разрешения 30 мкс и буферной памятью объемом 8 К на один канал. В горизонтальноориентированном криостате ТВЭ размещался коаксиально внутри трубы из молибденового стекла, позволяющего регистрировать структуру двухфазного потока. Система циркуляции на базе установки КГУ-500/4,5 была рассмотрена в части I. Все экспериментальное оборудование .было изготовлено в ЛСВЭ ОИЯИ. Экспериментальные ТВЭ трех типов показаны на рис. 9.

Эксперименты проводились при постоянном давлении Р=130 кПа, а другие параметры двухфазного потока гелия изменялись в следующих диапазонах: относительная энтальпия х=0+1, массовая скорость т=20+140 кг/м2с. На образец

Г -1

\ - -1

~60 -3.5

1 -Ц

• 1Ш

Рис.9. Экспериментальные образцы. 1 - керамическая трубка; 2 -углеродные пленки (размеры в мм).

подавался импульс мощности ступенчатой формы с длительностью переднего фронта не более 20 мкс. Плотность теплового потока я менялась от 0,5 до 50 кВт/м2. Основное внимание уделено пузырьковому, эмульсионному и дисперсно-кольцевому режимам течения двухфазного гелия.

Результаты для гомогенизированного распределения фаз представлены на

рис.10 в координатах [Т(т)-Т + 0,5]/(1-х), К; ф^/(1-х), Втхс?'5/м2. Эти

о

координаты получены из решения задачи, описывающей рост пленки пара на поверхности ТВЭ при постоянной температуре Т границы пар-жидкость, а также при условиях, что все тепло через границу паровой пленки с жидкостью расходуется на испарение, а термодинамические свойства гелия не зависят от температуры и определяются на линии насыщения. В качестве Т взята температура НТ при времени т=100 мкс.

Из рисунка видно, что кривые 1-8 практически сливаются в диапазоне времен и перегревов, соответствующих процессу формирования паровой пленки. То есть, полученные координаты служат автомодельными переменными процесса перехода к нестационарному пленочному кипению двухфазного гелия. Дальнейшее расхождение кривых объясняется не только не полностью гомогенным распределением фаз и влиянием скорости потока на формирование паровой пленки, но и нарастанием

(ТЮ-Т0*О,5)/Ч-л)

1 р 1- д=6,8•10 Вт/м

2- 6,9-10

0,05 и 25; 5- 6,9-10 ,

, х=0,05, т=120 0,05 и 42; 34- 6,9-Ю3, 0,3

0,65 и 120; 64

0,3 и 120; 8- д=2,13-10

Ю^ц^/и-л)

Вт/м2, х=0,3, т=120 кг/м2с.

Зависимости ДТ(т) при гомогенизированном распределении фаз.

давления в сравнительно протяженном узком канале в процессе испарения части

жидкости, которое может быть довольно значительным. Это отмечалось, в

частности, авторами из ИВТ РАН.

При паросодерлсаниях свыше 0,75-0,8 и относительно высоких массовых

скоростях реализуется дисперсно-кольцевой режим течения двухфазной смеси. На

рис.11 приведены некоторые данные ДТ(т), полученные при дисперсно-кольцевом

(1-3) и эмульсионном (4-6) режимах течения. Особенность нестационарной

теплопередачи при дисперсно-кольцевом режиме состоит в том, что кривые ДТ(т)

имеют характерные изломы, обозначенные крестиками (т ). При этом величина

кр

произведения цг является функцией только параметров х, т, Р и не зависит от кр

плотности теплового потока, т.е. цг =С(т,х,Р). Это иллюстрируется

кр

представлением данных ДТ(т) в координатах [Т(т)-Т +0,5]+дг - кривые 1'-3' на

рис.11. Такая зависимость объясняется динамикой высыхания пленки жидкости на

поверхности тепловыделяющего элемента. Так, если вся энергия теплового импульса

расходуется на испарение жидкости, условие высыхания пленки толщиной 5 имеет т

КР з

вид / ч(т)с1т = гб, где г - теплота парообразования, Дж/м . При q=const оно

о

преобразуется к виду ят =г(Р)5(х,т,Р), аналогичному по структуре выражению кр

ЧТ =С(ш, х, Р). кр

Для оценки интенсивности теплоотдачи к расслоенному потоку была сделана

попытка смоделировать этот процесс, используя данные предельных случаев при х=»1

и х>»0. Анализ показал, что полученное соотношение ДТ(т) справедливо только при

относительно больших временах (т^8-103 мкс, например при ч=6900 Вт/м2, т=25 2

кг/м с, х=0,3, Р=0,13 НПа). В начальные моменты времени реальный процесс идет более интенсивно, чем предсказывает модель. Это может быть связано с наличием тонкой пленки жидкости, частично или полностью покрывающей верхнюю образующую тепловыделяющего элемента, что способствует интенсификации теплоотдачи (это отмечалось авторами МЭИ). Результаты предварительных исследований с использованием секционированного по периметру ТВЭ (рис.9) приведены в [17], где

Рис.11. Зависимости перегрева

Т(т)-Т (К) от времени т(мкс) при 8

дисперсно-кольцевом режиме течения (кривые 1-3) и гомогенизированном распределении фаз (4-6) (Р=0,13 НПа,

т=120 кг/м2с ); дт (Дж/м2).

1,1'- д=6,9-103 Вт/м2,

х=0,8:

2,2'-

1,31-10 и 0,8;

4- 6,9-10 и 0,3; 6- я=1,31-104 Вт/м2

3,3'- 2,13-10 и з

5- 6,9-10 и х=0,3.

показана различная интенсивность теплопередачи от верхней и нижней образующих ТВЭ из-за расслоения потока гелия в охлаждающем канале.

Таким образом, полученные экспериментальные данные и результаты моделирования свидетельствуют о том, что структура двухфазного потока существенно влияет на динамику и интенсивность нестационарной теплопередачи к гелию.

5. Нестационарная теплопередача к сверхтекучему гелию при свободном движении в объеме и каналах

Особенности нестационарной теплопередачи при подводе энергии

В последнее время количество работ, посвященных исследованиям теплопередачи и гидродинамики сверхтекучего гелия, значительно возросло. Это вызвано, во первых, необходимостью построения адекватной теории теплопередачи и, во вторых, возможностью практического применения Не II в качестве криоагента. В литературе приведены экспериментальные данные, касающиеся, в частности, физики сверхтекучей жидкости (гидродинамика, акустика, фазовые переходы - Паттерман, Вайнен) и процессов на границе твердое тело - Не II (сопротивление Капицы, критические тепловые потоки, теплопередача в разных режимах - Айри, Шнайдер, Григорьев, Аметистов). Однако, как отмечено в обзоре С.К.Немировского, вопросы нестационарной теплопередачи к Не II, развития тепловых возмущений с турбулентным фронтом, динамики фазовых переходов Не II ч пар Не, Hell -» Не I требуют дополнительных исследований.

В этом разделе представлена часть результатов экспериментального исследования нестационарных тепловых процессов на границе раздела "твердое тело

—3 з

- Не II". Эксперименты проводились в объеме Не II «3,0-10 м , площадь свободной поверхности жидкости »¡1,54.10 2 м2, глубина погружения образца 0,050,15 м.

Образец представлял собой шлифованную керамическую трубку и11,5x1,75 мм, на внешнюю поверхность которой была напылена углеродная пленка длиной 54 мм (рис. 9). Исследования проводились при горизонтальной и вертикальной ориентациях как в свободных, так и в стесненных условиях. Последние создавались помещением образца коаксиально в стальную трубку длиной 80 мм так, чтобы между поверхностью НТ и внутренней поверхностью стальной трубки образовывался кольцевой зазор, который устанавливался в пределах 0,4+3 мм. При этом использовалась та же электронная аппаратура, что и в предыдущем разделе.

Данные получены в диапазонах перегревов 0,1-100 К, времен 10 мкс - 6,4 с, мощностей импульсов 0,08-10 Вт (это соответствует плотностям теплового потока в гелий q « 40+5000 Вт м~2 ).

Выделяя особенности нестационарной теплопередачи к Hell в сравнении с Hei, отметим прежде всего, что время t , за которое при тепловых нагрузках, меньших

критической, происходит установление стационарных режимов отвода тепла, а при

нагрузках, превышающих критическую, - метастабильных режимов,по крайней мере,на

три порядка меньше значения I для Не I при той же тепловой нагрузке.

Вторая особенность связана с весьма большим временем наступления кризиса

I , вслед за которым происходит переход к пленочному кипению. Отсутствие кр

кризиса, по всей видимости, свидетельствует о том, что в сверхтекучем гелии за

интервал измерений (6,4 с) время I не было достигнуто. Согласно эмпирическому

кр

соотношению Ван Скайвера и теоретическому С.К.Немировского в условиях наших экспериментов I должно составлять величину порядка минут при нагрузке 9,8 Вт, чему не противоречат представленные результаты. Таким образом, величина 1

кр

гелия 11 по крайней мере на три порядка больше значения t для гелия I при тех

кр

же нагрузках.

При наличии вокруг НТ кольцевого зазора характер нестационарной теплопередачи в сверхтекучий гелий частично сохраняет перечисленные выше особенности, однако обнаруживается ряд качественно иных процессов. Результаты, полученные в объеме гелия II (Р =1780 Па) при вертикальной ориентации образца в стесненных условиях, представлены кривыми 6-12 на рис. 12.

Существование для стесненных условий так называемой области переходов (в интервалах перегревов «1,35-35 к и времен ~500 мс-6,4 с) и характер происходящих в ней процессов можно объяснить турбулизацией сверхтекучей компоненты Не II в кольцевом канале вокруг поверхности нагревателя-термометра. Это подтверждается неплохим согласованием моментов наступления первых пиков со временами вихреобразования t^ в Не II, рассчитанными по соотношению Вайнена t = C(T)q" , где С(Т) - эмпирическая константа, которая зависит от геометрии

3/2 —з

канала и температуры гелия Tfa и имеет величину порядка 0,1 Вт -см -с. В этом смысле пороговая тепловая нагрузка »3,1 Вт (~1550 Вт/м2) (на рис.12 не показана) отвечает стационарному критическому потоку вихреобразования q^. Отметим, что полученное значение qc более чем на порядок превышает величину (10-100) Вт-м стационарного критического потока вихреобразования, известную для длинных узких каналов (работы Немировского, Паттермана). Вслед за этим турбулизованный слой гелия быстро прогревается, что может привести к фазовому переходу метастабильный жидкий Не II -» метастибильный жидкий Не I, что дг

Рис. 12. Зависимости ДТ(t) при

w

вертикальной ориентации образца в свободных и стесненных условиях в гелии II: 1- W=40 Вт/м2; 2 - 150; 3 - 1200; 4 - 3800; 5 - 4900; 6-40; 7 - 160; 8 - 1200; 9 - 2250; 10 - 2650; 11 -

ю

lo-

rn'

/о"

3900; 12 - 5000 Вт/м

ДТ(К); t(c).

отмечалось Фредеркингом, с последующим фазовым переходом Не I -» пар Не. В дальнейшем ход зависимостей Т( I) отражает взаимодействие Не I и пара с окружающим Не II.

Характерными параметрами нестационарной теплопередачи служат (? , Т , и Ъ

с с с

(Т - температура поверхности в момент турбулизации). Как показано на рис.13,

с

температурная зависимость О (Т ) имеет колоколообразную форму, что характерно

с Ь

для пороговых энергетических параметров процессов теплопередачи. Зависимости <? (<1) и Т (<1) от ширины зазора с1 представлены на рис.14. Можно видеть, что <?

с с с

есть линейная функция <1. Вид зависимостей Т^ С Ть) и ТМ <1) показывает, что величины О и ЛТ связаны степенным законом О „кДТ11, где п « 2,4+3 при

с с с с

изменении Ть от 1,82 до 1,45 К. Что касается ориентации, то она не оказывает заметного влияния на (? и Т (рис.13).

с с

Динамика релаксационных процессов из режима пленочного кипения Не II в стесненных условиях

Возврат из режима плёночного кипения - одна из наименее исследованных проблем нестационарной теплопередачи от твёрдого тела к сверхтекучему гелию. Спорадически или регулярно, этот процесс имеет место в охлаждаемых гелием устройствах и во многом определяет условия их работы. Известно лишь несколько публикаций, затрагивающих эту проблему в большей или меньшей степени. Но лишь одна из них содержит результаты специального исследования релаксации в сверхтекучем гелии - работа Ван Скайвера. В этом одномерном эксперименте

Вс.&т

(,0

3,0

0.5

1,82К АО-1МК

Тс Ос

2,5 7л

5,0

15

Тс,К

1« 1,6 и 2,0 Ть>К

Рис.13. Зависимости критического теплового потока вихреобразования О и температуры поверхности в

с

момент турбулизации Т^ от температуры гелия Т .

Рис. 14. Зависимость 0 и Т от

с с

с

ширины кольцевого зазора <1.

определялось время возврата из режима плёночного кипения Hell после снятия тепловой нагрузки. Было найдено, что это время связано степенным законом с энергией, подведённой к нагревателю за время плёночного кипения. Наши эксперименты проводились в иной конфигурации, в широком диапазоне режимных параметров, причём измерялась температура именно поверхности теплопередачи.

В эксперименте использовался тот же нагреватель-термометр, что и в предыдущем разделе. Для получения развитого пленочного кипения к образцу подводилось относительно большое количество энергии - до 50 Дж. В таких условиях возможен рост давления в криостате. Поскольку отклонения от равновесного состояния неприемлемы, применена автоматизированная система регулирования скорости откачки паров. При измерениях задним фронтом импульса мощности запускается последовательность пробных импульсов. Параметры этих импульсов подобраны, исходя из удобства измерения сопротивления и гарантии отсутствия возмущения температуры. Эта методика использована в предыдущем исследовании релаксации в нормальном гелии [221.

Эксперименты проведены при 49 различных сочетаниях следующих параметров: длительность греющего импульса т - от 10 мс до 2.55 с, ширина кольцевого зазора 5 - от 0,4 до 4,0 мм, температура гелия - от 1,5 до 2,2 К, ориентация образца в поле сил тяжести - 0 / 90°. Типичные результаты представлены на рис.15.

В качестве количественной характеристики динамики релаксации взято время

полного остывания, At, которое определяется [22] как точка пересечения

фитирующей кривой T(t) с уровнем температуры объёма гелия. Обработка

результатов показывает, что каждая функция üt(Q;t), где Q - мощность, имеет

точку излома, делящую её на две части, одна из которых соответствует возврату

из режима теплопередачи без кипения, а другая - из плёночного кипения. С

точностью не хуже 10'/. данные по релаксации из плёночного кипения описываются

2

эмпирическим соотношением At = Const * х * Q , где т - длительность импульса мощности.

10*1

Т,к

Длительность импульса ьо с| температура 1.927 к Зазор о.4 мм Горизонт.ориентация

10 :

10 "* 10"* 10"* 10*' 1 t,c

Рис. 15. Спад температуры после выключения тепловой нагрузки.

Анализ данных показал, что зависимость At от температуры объема гелия имеет форму параболы: усредненные по всем экспериментам значения - координата минимума = 1,86 К, предел изменения At я 7 раз. Ориентация теплоотдающей поверхности не оказывает заметного влияния на At, в то время как степень стеснённости значительно влияет на At, вызывая его изменение примерно на порядок.

Картина релаксации существенно зависит от соотношения толщины пленки пара и зазора стесняющего канала. Для случаев, когда толщина 6 пленки пара превосходит зазор А, наблюдаются многочисленные осцилляции температуры на участке существенного спада кривой T(t) (рис.15). Такое поведение T(t), по всей видимости, отражает взаимодействие пара со стенками и выходами стесняющего канала.

Толщина паровой плёнки была оценена в приближении твёрдого тела, когда

распределение температуры по плёнке может быть записано в форме бесконечного

2

ряда. Ряд содержит зависящие от времени члены в виде Ехр[-а » G • t], где а -температуропроводность и G - геометрический параметр. В данном случае G = л/(2»5), где б - толщина плёнки пара. Полученная формула даёт довольно реалистичную величину 6 - порядка 1 мм. Как. и следовало ожидать, зависимость S от Q в первом приближении линейна.

Наконец, рассмотрим эволюцию теплового потока, которая определялась из результатов измерений T(t) путем численных расчетов [28]. На рис.16 представлены четыре характерных этапа процесса восстановления. Необходимо подчеркнуть, что длительность, а, следовательно, и вклад конкретного этапа существенно зависит от конфигурации теплопередачи.

Сравнить результаты наших измерений с данными Ван Скайвера не представляется возможным, поскольку в его статье нет графиков T(t)^, а также в силу существенных различий в условиях экспериментов, 'Вместе с тем можно отметить, что в опытах Ван Скайвера был реализован предельный случай, когда

запасенная в нагревателе энергия намного превышает энергию, запасенную в пленке пара (энтальпия + теплота фазового перехода). В наших экспериментах эти энергии сопоставимы, поэтому предложенная Ван Скайвером модель работоспособна для энергий, превышающих ~ б Дж/см2. Таким образом, в случае массивных нагревателей с высокой теплоемкостью и при тепловых нагрузках, намного превышающих критическую, можно считать, что теплообмен со средой происходит по закону Ньютона, причем коэффициент теплоотдачи близок к стационарному. В противоположность этому, в случае нагревателей с умеренной теплоемкостью и при невысоких тепловых нагрузках необходимо принять в рассмотрение эффекты утоньчения пленки пара и остывания газа в ней.

Сравнение с аналогичными данными для нормального гелия [22] показывает, что количественно основные характеристики релаксационных процессов в Не I и Не II похожи, однако качественное объяснение преобладающих механизмов существенно различается. При других одинаковых условиях время релаксации может быть продолжительнее то в нормальном, то в сверхтекучем гелии, что зависит от сочетания параметров конкретного эксперимента.

Часть X11 Реализация разработанных методов в криогенике и других отраслях техники

1. Оптимизация основных параметров системы криогенного обеспечения УНК и сверхпроводящих дипольннх магнитов В этом разделе проведено сравнение двух способов криостатирования сверхпроводящих дипольных магнитов (СПДМ) ускорителей, а также проведена оптимизация проточной части СПДМ и выбор числа криогенных станций по длине УНК.

При способе I жидкий гелий подается в цепочки магнитов, снимает за счет фазового перехода тепло, выделяющееся в обмотках и поступающее из окружающей среды, и выходит из цепочки в виде парожидкостной смеси. В случае применения однофазного потока для охлаждения обмотки сотрудники НИИЭФА и ГКАЬ предложили способ, который в дальнейшем именуется "способом II". "Способ II" реализован на действующих ускорителях Тэватрон и НЕБА и принят за основу в сооружаемых ускорителях УНК, КЕК. Оценка основных параметров системы криостатирования, выполненной на основе "способа II", уже проводилась в НИИЭФА. Из-за недостатка информации по режимам течения, истинному объемному паросодержанию, а также по гидравлическому сопротивлению в случае движения двухфазного гелия в горизонтальных каналах авторы как НИИЭФА, так и ГМА1_ ограничивались гомогенной моделью. По мере накопления информации подобный анализ проводился в НПО "Криогенмаш".

В работе сделана попытка уточнить основные параметры криогенной системы УНК с учетом реальных характеристик двухфазных горизонтальных потоков гелия и наметить пути оптимизации этих параметров. Для сравнения проведена оценка

соответствующих характеристик систем, криостатируемых на основе "способа I", т.е. с применением непосредственного охлаждения обмоток двухфазным гелием, поскольку практическая непригодность этого способа не. очевидна.

На рис.17 показано идеализированное поперечное сечение дипольного магнита с теплым железом. Для простоты обмотка принята однослойной, причем предполагалось, что все тепло из нее отводится во внутренний кольцевой канал.

Так как размеры обмоточного блока были зафиксированы, то в рамках принятой расчетной модели проектными параметрами были длина магнитной дорожки (цепочки магнитов) Ь, которая определяет число криогенных станций, и площади поперечных сечений гелиевых каналов: в - внутреннего, Б^- обводного и обратного

потока. Целевой функцией служила максимальная температура обмотки Т*** , а задача оптимизации состояла в ее минимизации. Пространство изменения параметров явно не ограничивалось, за исключением тех случаев, когда давление на входе в цепочку становилось относительно большим (свыше 0,2 МПа). Хотя явные ограничения и существуют, например, размер апертуры ограничивает , а

стремление максимально использовать магнитные свойства железного экрана ограничивает Э2 и , значения параметров, близкие к оптимальным, находились в разумных пределах.

Расчеты показали, что при длине цепочки магнитов до 300 м "способ I" обеспечивает более низкую температуру обмотки. При длине 1^=300+400 м температуры обмотки становятся сопоставимыми, а при больших длинах "способ II" становится предпочтительным для практической реализации: Ьопт~700 м. По результатам■ оптимизации сечение было уменьшено почти вдвое, а сечение увеличено на половину по сравнению с первоначальным вариантом.

В заключение этого раздела отметим результаты испытаний сверхпроводящих магнитов УНК, криостатируемых по способу I, т.е. непосредственно двухфазным потоком гелия. Испытания проводились в ОИЯИ на однометровых моделях дипольных магнитов УНК (с теплым железом) натурального поперечного сечения. Испытания показали принципиальную возможность криостатирования сверхпроводящих обмоток магнитов ускорителей двухфазным гелием. Однако вводимый в обмотку ток ограничивался величиной 3500 А, что было связано с нехваткой расхода гелия. (20 г/с) для того, чтобы обеспечить приемлемый тепловой режим при имевшемся поперечном сечении каналов магнита. В связи с этим испытания были продолжены в

Рис.17. Упрощенное поперечное сечение сверхпроводящего дипольного магнита с теплым железом. 1,2,3 - соответственно каналы для внутреннего, обводного и обратного потоков; 4 - бандаж; 5 сверхпроводящая обмотка.

ИФВЭ на полномасштабных дипольных магнитах УНК с теплым железом при больших расходах двухфазного гелия (30-50 г/с).

Испытания в ИФВЭ подтвердили возможность криостатирования дипольных магнитов двухфазным потоком гелия в рабочем режиме: на цепочке из 4-х магнитов была достигнута величина тока в обмотке 5800 А, что обеспечивало индукцию магнитного поля 5,0 Т; на одиночном магните ток поднимался до 6500 А (В=5,6 Т). К преимуществам такого способа криостатирования следует отнести то, что квенч-процессы проходили "мягче", т.е. переход из сверхпроводящего состояния в нормальное сопровождался существенно меньшим ростом давления (до 0,8-0,9 МПа) по сравнению со случаем, когда обмотка охлаждалась однофазным потоком гелия. При этом требуется эвакуация меньшего количества гелия, чем при криостатировании однофазным потоком. Однако при объемном паросодержании >0,7-0,8 и скорости изменения тока в магните £175 А/с наблюдалось снижение критического тока в магните. Помимо этого к недостаткам двухфазного охлаждения можно отнести то, что электрическая прочность пара (тем более газа) значительно меньше, чем жидкости, а чем длинней цепочка магнитов, обладающих индуктивностью, тем больше возникающие напряжения. Наконец, системы с двухфазным гелием более чувствительны к динамическим тепловыделениям в обмотках, чем системы с однофазным потоком (теплоемкость "запаренной" обмотки на единицу объема примерно на порядок меньше).

2. Возможности и перспективы разработанных методов в криогенике

При работе с системами криогенного обеспечения необходимо иметь информацию

о ряде параметров криостатирующего потока. В случае однофазного потока такими

параметрами обычно служат - расход G или массовая скорость m и

термодинамическое состояние потока. При этом термодинамическое состояние обычно

идентифицируется по величинам давления Р и температуры Т. В двухфазном потоке

величины Р и Т уже однозначно не определяют термодинамического состояния,

поэтому необходимы еще: соотношение между расходами фаз - расходное массовое

паросодержание x=G /(G +G ) и соотношение между объемами фаз - истинное я 19

объемное паросодержание 9=А /(А +А ). Термодинамические характеристики в этом

я 1 я

случае записываются как среднерасходные: энтальпия i=i^x+l^(1-х); энтропия

s=s x+s (1-х) и т.д. Часто необходимы и средние по объему характеристики, я 1

например, плотность р=р <р+р (1-<р). Расход G=G +G двухфазного потока может быть

g 1 19

определен, если известны, например, перепад давления на сужающем устройстве, расходное массовое паросодержание х и свойства фаз. Однако определение величины х представляется довольно сложным в реальных системах с двухфазными потоками, которые снабжены, как правило, только датчиками температуры и давления.

Проще определить объемные характеристики двухфазного потока криоагента, принимая во внимание, что используемые криоагенты в основном - диэлектрики. Как

показано в разделе 3, часть I, в этом случае предпочтительно использовать

датчики, чувствительные к средней диэлектрической проницаемости криоагента

е=е <р+с (1-»>). В двухфазном парожидкостном потоке диэлектрические проницаемости я 1

сиси другие характеристики на линии насыщения определяются равновесными 1 я

температурой Т и давлением Р , т.е. можно определить величину <р, зная Р^ и е. Для адиабатных условий и расслоенных или гомогенизированных режимов течения величины х и 9 связаны простыми функциями, например, соотношением (5),что позволяет определять как среднерасходные термодинамические характеристики, так и расход.

Один из созданных датчиков паросодержания успешно испытан в цепочке магнитов "Нуклотрона" (ОИЯИ), а другой - в цепочке магнитов УНК. Оба датчика предназначены для определения относительной энтальпии х двухфазного потока гелия. Применение подобных устройств может быть довольно широким в областях, где необходимо определение термодинамических состояний и расходов двухфазных потоков, а также однофазных потоков, близких к линии насыщения. К этим областям относятся: научные экспериментальные исследования характеристик двухфазных потоков; диагностика систем криостабилизации сверхпроводящих устройств; быстрое определение производительности ожижителей и эффективности парожидкостных детандеров; контроль систем заправки криогенным топливом и т.д.

3. Распространение разработанных методов на промышленные

теплотехнические и химико-технологические системы Измерение концентрации смесей из воды и нефтепродуктов

Датчик для исследования влагосодержания смесей из нефти и воды был

оптимизирован и изготовлен в ИПУ РАН [32] с учетом опыта, полученного при

создании и эксплуатации датчика с каналом круглого поперечного сечения,

предназначенного для двухфазных потоков гелия. Характеристики этого датчика -

следующие: а =80 мм, а =120 мм, 1 =300 мм, Р=20 МПа, К=12 кг, 1 У внеш внеш .

Г =33 МГц, f =26 МГц. К достоинствам датчика следует отнести отсутствие ефть н2о

дополнительного возмущения в контролируемом потоке (т.к. диаметры датчика и канала для потока равны) и высокую чувствительность к изменениям параметров потока. Другое достоинство - возможность реализовать на одном чувствительном элементе измерение нескольких величин (резонансных частот различных типов колебаний, их амплитуд и добротностей), что позволяет получить дополнительную информацию о потоке (его структуре, концентрации соли, если это вода, и т.п.). Кроме того, датчик может быть установлен на значительном расстоянии (300 м) от измеряющего "прибора. К недостаткам следует отнести необходимость установки датчика в разрыв трубопровода с помощью фланцев.

При измерениях состава смесей из нефти и воды существует так называемая

предельная погрешность. Источником этой погрешности служит различие эффективной диэлектрической проницаемости среды при изменении состава эмульсии, если диэлектрические проницаемости исходных сред существенно отличаются. На практике это приводит к тому, что выходные характеристики для каждого типа эмульсии имеют разрыв. Однако при использовании рассматриваемого датчика оказывается возможным в ряде случаев определять тип структуры потока по величине амплитуды сигнала, что дает возможность проводить контроль водонефтяных эмульсий при любом соотношении компонентов. Кроме того, использование информации о высших гармониках резонансного датчика позволяет решать дополнительные задачи, такие как, например, диагностика датчика в процессе измерений. Характерным примером текущей диагностики может служить задача контроля влажности нефти при образовании со временем отложений на стенках трубопровода.

Для различных целей были изготовлены датчики с диаметрами каналов 32, 80 и 100 мм. Экспериментальные исследования показали, что возможно, например, измерение содержания нефтепродуктов в воде с погрешностью 5=0,2% (абс.) в диапазоне изменения объемного содержания нефтепродуктов 0-10%, и измерение доли воды в товарных нефтепродуктах с погрешностью 0,2'/. (абс.) в диапазоне изменения объемного содержания воды 0-5'/.. Кроме того, возможно использование датчика для контроля паросодержания в пароводяном потоке в диапазоне объемного паросодержания 0-307..

Измерение влажности шликеров в фарфоровой промышленности

Известно, что, в частности, влажность исходного сырья определяет качество изделий из фарфора и керамики. Разработанный резонансный датчик [32] обладает, с одной стороны, высокой чувствительностью к изменениям влажности контролируемой среды, а с другой стороны, благодаря "компактности" локализации поля, измерения могут проводиться с малыми объемами или непосредственно в малых сосудах. Испытания на Дмитровском фарфоровом заводе показали, что датчик и измерительный прибор позволяют определять влажность пастообразных и полужидких сред с погрешностью 0,57. (абс.).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ВЫВОДЫ

По результатам исследований:

1. Режимы течения горизонтальных двухфазных потоков гелия

В широком диапазоне режимных параметров для труб, кольцевых каналов и узких каналов прямоугольного сечения получены новые экспериментальные данные по структурам патоков, которые обобщены в виде соответствующих карт. Показано существенное отличие (на порядок и более) карт для горизонтальных потоков двухфазного гелия от известных, которые были построены для традиционных двухфазных потоков (водовоздушных, пароводяных и т.п. смесей).

В узких щелевых и кольцевых каналах обнаружен прерывистый

(псевдо-снарядный) режим течения. Положение границы перехода от расслоенной к прерывистой структуре оценено в этом случае из условия устойчивости волны на границе между двумя фазами, движущимися с разными скоростями. В круглых трубах, где не наблюдается снарядный режим, граница существования расслоенного режима (граница полного перемешивания) определена из условия турбулентного перемешивания потока.

2. Истинное объемное паросодержание горизонтальных двухфазных потоков гелия

В широком диапазоне параметров получены новые экспериментальные данные по

истинному объемному паросодержанию <р гелия. Показано, что при прочих равных

условиях переход от расслоенной к гомогенизированной структуре сопровождается /

большим изменением ?> (на 30-40%) для каналов кольцевого сечения по сравнению с круглыми трубами.

Применение метода минимума приращения энергии в формулировке И.Пригожина позволило учесть влияние массовой скорости, доли жидкости в газовом потоке, давления и расходного массового паросодержания х на величину истинного объемного паросодержания при дисперсно-кольцевой структуре. Проанализирована также расслоенная структура потока. Особенность подхода состоит в том, что входящий в полученную обобщающую формулу фактор трения определялся из экспериментальных данных по гидравлическому сопротивлению при движении двухфазного гелия в горизонтальных каналах. На основе уравнений сохранения импульса для каждой фазы получено соотношение ¡р(х) для расслоенного режима течения. Расчеты по этому соотношению хорошо согласуются с расчетами по методу минимума приращения энергии. Имеется хорошее согласование результатов расчетов с экспериментальными данными для дисперсно-кольцевых и расслоенных режимов течения как в круглых трубах, так и в кольцевых каналах.

Установлены две зоны автомодельности, где <р не зависит от массовой скорости двухфазного потока гелия (т<25-30 кг/м2с и т>120-150 кг/м2с). Для адиабатных условий это позволяет однозначно определять расходное массовое паросодержание х по измеренной величине <р.

3. Гидравлическое сопротивление при движении двухфазных потоков гелия в горизонтальных каналах

В широком диапазоне параметров двухфазного потока гелия получены новые экспериментальные данные о гидравлическом сопротивлении горизонтальных каналов кольцевого и щелевого поперечного сечения, а также круглых труб. Результаты для расслоенных режимов течения хорошо согласуются с расчетом по соотношению, полученному с помощью уравнений сохранения импульса.

Для дисперсно-кольцевых структур развита модель Б.И.Нигматулина с соавторами; расчеты хорошо согласуются с экспериментальными данными в характерном диапазоне 0,2<х<0,6. Показано, что для гомогенизированных структур при равенстве безразмерных комплексов Палеева-Филипповича относительные

гидравлические сопротивления гелия и воды мало отличаются друг от друга и практически одинаковы для вертикальных и горизонтальных каналов.

Для практических расчетов предложено эмпирическое соотношение, которое

описывает все экспериментальные данные для горизонтальных потоков гелия 2

(25<ш<250 кг/м с, Р=0,12-0,14 МПа, х=0-1) с максимальным отклонением около 15%.

4. Нестационарная теплопередача к горизонтальным двухфазным потокам гелия

На основе экспериментального исследования показано существенное влияние

сруктуры двухфазных потоков в канале кольцевого сечения на динамику нестационарной теплопередачи при подаче ступенчатого импульса мощности. При дисперсно-кольцевом режиме четко фиксируемое время т перехода к кризису обратно пропорционально плотности теплового потока q, что объясняется динамикой высыхания пленки на теплоотдающей поверхности. В условиях дисперсного и пузырькового режимов начальный процесс нестационарного кипения автомоделей относительно переменных [ТСт)—Т ]/(1-х); q/r/(1-х). При расслоенном течении на

о

верхней образующей нагревателя возможно образование пленки жидкости, что интенсифицирует теплоотдачу в начальные моменты.

5. Нестационарная теплопередача к сверхтекучему гелию

В условиях, когда объем сверхтекучего гелия вокруг теплоотдающей поверхности ограничен, получены качественно новые данные по динамике диссипативных процессов переноса в системе "твердое тело - Hell". Обнаружен ряд эффектов, которые могут приводить к резкому срыву интенсивных режимов теплопередачи, первопричиной чего служит развитие состояния сверхтекучей турбулентности в Hell. Показано, что временные характеристики кризиса в Hei и Hell различаются более, чем на порядок. В Hell обнаружена существенная зависимость энергетических характеристик процесса от пространственных характеристик системы (одно, двух и трехмерная). Найдено, что: а) время вихреобразования связано с мощностью теплового импульса степенным законом -3/2; б) критическая мощность, 'соответствующая моменту вихреобразования, линейно убывает с уменьшением зазора около теплоотдающей поверхности; в) зависимость критической мощности от температуры объема гелия имеет типичную колоколообразную форму.

Исследование релаксационных процессов в Не II позволило установить, что, в частности, время релаксации определяется на «70% стадией пленочного кипения, достигнутой к концу нагрева, на »20% - величиной температуры объема гелия и на к15У. степенью ограниченности объема гелия около теплоотдающей поверхности. Ус-новлены четыре стадии процесса релаксации, границы которых определяются характерными величинами температуры поверхности и теплового потока в твердом теле.

По экспериментальному оборудованию

1. На базе установки КГУ-500/4,5 создан экспериментальный комплекс со

следующими параметрами: холодопроизводительность около 400 Вт при 4,5 К, давление от 0,12 до 0,3 МПа, расход гелия в циркуляционном контуре до 20 г/сек, при работе с двухфазным потоком его паросодержание может меняться от 0 до 1.

2. На базе установки КГУ-500/4,5 создан рефрижератор холодопроизводительностыо 30 Вт на уровне 1,8 К с расходом гелия в циркуляционном контуре около 1 г/сек при Р£0,13 МПа.

3. Созданы оригинальные датчики и приборы для измерения истинного объемного паросодержания р, определения расходного массового паросодержания х адиабатных потоков, средней плотности и концентрации двух/трех-компонентных сред. Разработана оригинальная методика калибровки датчиков паросодержания, которая утверждена ВНИИФТРИ. При этом в качестве реперов используются массивы данных только для однофазных сред - жидкости и газа.

4. Созданы высокочувствительные тонкопленочные термометры-нагреватели из углерода для исследования процессов импульсной теплопередачи. Для работы с этими нагревателями-термометрами разработана электронная система формирования тепловой нагрузки. Ее отличительными особенностями являются: а) возможность стабилизации джоулева тепловыделения при быстроменяющемся сопротивлении; б) раздельное питание нескольких (до 6) нагревателей-термометров с программируемыми формами тепловых импульсов.

5. Созданы оригинальные проточные криостаты для визуального исследования структур двухфазных потоков гелия.

6. В стандарте КАМАК создана измерительная система, позволяющая на линии с ЭВМ проводить комплексные измерения параметров статических и динамических процессов.

По реализации полученных результатов в криогенике и других

отраслях техники

1. Оптимизация основных параметров криогенной системы УНК

Разработана численная модель для расчета основных характеристик цепочки сверхпроводящих магнитов УНК с индукцией 5 Т. В качестве исходных данных использованы полученные результаты по режимам течения, гидравлическому сопротивлению, истинному объемному паросодержанию и теплопередаче к горизонтальным двухфазным потокам гелия.

Проведено сравнение двух способов криостатирования, когда тепло от обмотки магнита непосредственно передается криостатирующему потоку двухфазного гелия, а также при теплопередаче от обмотки к прямому однофазному потоку гелия закритических параметров с последующей теплопередачей к обратному потоку двухфазного гелия. Показаны области оптимального использования обоих способов. Проведена оптимизация длины цепочки магнитов, определяющая количество рефрижераторов, устанавливаемых по 20-километровому кольцу УНК. Проведена также

оптимизация поперечных сечений дипольных сверхпроводящих магнитов, которая внесла существенную корректировку в "конструкцию первоначального варианта. Экспериментальная проверка на реальных. СП магнитах подтвердила корректность проведенных расчетов и возможность криостатирования в ряде случаев сверхпроводящих дипольных магнитов непосредственно потоком двухфазного гелия.

2. Применение разработанных методов в криогенике

Разработанные высокочастотные датчики, измерительные приборы и методики использованы для диагностики тепловых режимов цепочек сверхпроводящих магнитов "Нуклотрона" (ОИЯИ, Дубна) и УНК (ИФВЭ, Протвино). Эти методики позволяют определять: в двухфазной области - истинное объемное паросодержание <р, массовое расходное паросодержание х и связанные с ними энтальпию адиабатного двухфазного потока, среднюю плотность р и объемное расходное паросодержание 3; в однофазной области - средние по сечению термодинамические характеристики: температуру Т, р, 1 и другие функции состояния. При комбинировании ВЧ датчиков с измерительными турбинами и сужающими устройствами возможно измерение расходов двухфазных и однофазных криоагентов.

3. Использование разработанных методов в промышленности

Созданные ВЧ датчики и приборы позволяют с относительно высокой точностью проводить измерение характеристик двух/трех-компонентных сред в нефтегазовой и фарфоровой промышленности, энергетике, строительной индустрии (производство кирпича), где необходим контроль влагосодержания, средней плотности и связанных с этими величинами характеристик.

Основное содержание доклада опубликовано в следующих работах:

1. Рубин Н.Б., Филиппов Ю.П. Исследование гидродинамических и тепловых режимов моделей протяженных систем при охлаждении двухфазным гелием// III Совещание Международного комитета по будущим ускорителям. Протвино, CCCf1, 1981.-С.172-191. (англ.).

2. Агеев А.И., Буринов В.Ф., Зинченко С.И., Филиппов Ю. П. О неоднозначности гидродинамических характеристик (ГДХ) парогенерирующих каналов криогенных объектов// Инженерно-физический журнал.-1982.-том XLIII, №2.-С.190-195.

3. Мамедов И.С., Микляев В.М., Пряничников В.И., Филиппов Ю.П. Гидродинамические характеристики горизонтального канала при движении двухфазного потока гелия// Инженерно-физический журнал.-1983.-том XLIV, *5.-С.725-729.

4. Мамедов И.С., Салимов С.Е., Филиппов Ю.П. Режимы течения двухфазного гелия в горизонтальном канале// Сообщение ОИЯИ, Р 8-84-1566.-1984.-Дубна, 5 с.

5. Сон Зун Ган, Филиппов Ю.П. Расчет гидравлического сопротивления каналов при движении двухфазного потока гелия// Теплоэнергетика.-1984.-*3.-С.19-23.

6. Сон Зун Ган, Филиппов Ю.П., Зинченко С. И. Сравнение способов криоста-

тирования сверхпроводящих дипольных магнитов// Труды IX Всесоюзного совещания по ускорителям заряженных частиц.-Дубна, 1984.-С.350-359.

7. Мамедов И.С., Селюнин С.Ю., Филиппов Ю.П. Режимы течения и гидродинамика при движении двухфазного гелия в горизонтальных каналах// Советско-Западногерманский симпозиум "Теплообмен в криогенных системах": Тез. докл.-Харьков, 1985.-С.25-26.

8. Никляев В.М., Минашкин В.Ф., Скрыпник A.B., Филиппов Ю.П. Теплопередача к вынужденному потоку гелия при стационарном и импульсном нагреве// Советско-Западногерманский симпозиум "Теплообмен в криогенных системах": Тез. докл.-Харьков, 1985.-С.37-38.

9. Данилов В. В, Мамедов И. С., Майсурадзе Г1. А., Пчельников Ю.М. , Филиппов Ю.П. Измерение истинного объемного паросодержания потока двухфазного гелия в канале кольцевого сечения// Краткие сообщения ОИЯИ, #15-86.-1986.-Дубна, С.42-49.

10. Микляев В.М., Минашкин В.Ф., Селюнин С.Ю., Сергеев И.А., Скрыпник A.B., Филиппов Ю.П. Нелинейные эффекты при моделировании тепловых режимов сверхпроводящих магнитов в условиях импульсного энерговыделения// Труды XIII Международной конференции по ускорителям заряженных частиц.-Новосибирск, 1986.-С.53-58.

11. Мамедов И.С., Селюнин С.Ю., Филиппов Ю.П. Характеристики расслоенных двухфазных потоков гелия// Инженерно-физический журнал.-1987.-том 52, #1. -С.154-155// Препринт ОИЯИ, Р 8-86-208.-1986.-Дубна, 16 с.

12. Микляев В.М., Сергеев И.А., Филиппов Ю.П. Турбулизация сверхтекучего гелия в кольцевых каналах при нестационарных тепловых потоках// Краткие сообщения ОИЯИ, * [251-87.-1987.-Дубна, С.31-38.

13. Ко Гым Сек, Мамедов И.С., Филиппов Ю.П. Влияние массовой скорости на истинное объемное паросодержание потока двухфазного гелия// Сообщение ОИЯИ, Р 8-87-505.-1987.-Дубна, 14 с.

14. Микляев В.М., Сергеев И.А., Филиппов Ю.П. Особенности нестационарной теплопередачи к сверхтекучему гелию// Инженерно-физический журнал.-1988.-том 54, #6.-С.950-956.

15. Филиппов Ю.П., Мамедов И.С., Селюнин С.Ю. Характеристики горизонтальных двухфазных потоков гелия при низких массовых скоростях// Труды 12 Международной конференции по криогенике (ICEC).-Саутгемптон, Великобритания, 1988.-С.198-201. (англ.).

16. Филиппов Ю.П., Микляев В.М., Сергеев И. А. Нестационарная теплопередача к сверхтекучему гелию в стесненных условиях// Труды 12 Международной конференции по криогенике (ICEC).-Саутгемптон, Великобритания, 1988.-С.290-293. (англ.).

17. Минашкин В.Ф., Романов С.В., Селюнин С.Ю., Филиппов Ю.П. Электронная система для исследования нестационарных тепловых процессов// Сообщение ОИЯИ, Р 10-88-902.-1988.-Дубна, 14 с.

18. Селюнин С.Ю., Филгатов Ю.П. Влияние массовой скорости потока двухфазного гелия на гидравлическое сопротивление горизонтальных труб// Теплоэнергетика.-1988.-№9.-С.48-50.

19. Филиппов Ю.П., Минашкин В.Ф., Сергеев И.А. Нестационарная теплопередача к жидкому гелию при регулируемом тепловыделении// Advances in Cryogenic Engineering.-Нью Йорк, 1990.-том 35.-С.387-394. (англ.).

20. Данилов В.В., Филиппов Ю.П., Мамедов И.С. Особенности измерения истинного объемного паросодержания в каналах физических установок, охлаждаемых вынужденным потоком гелия// Advances in Cryogenic Engineering.-Нью Йорк, 1990.-том 35.-С.745-754. (англ.).

21. Алексеев А.И., Микляев В.Н., Филиппов Ю.П. Влияние структуры двухфазного потока гелия на динамику теплопередачи// Инженерно-физический журнал.-1990.-том 53.-№6.-С.885-892.

22. Филиппов Ю.П., Сергеев И. А. Динамика релаксации предварительно нагретого твердого тела в жидком гелии// Proc. Low Temperature Engineering and Cryogenics Conference.-Саутгемптон, Великобритания, 1990.-С.11.3.1-11.3.6. (англ.).

23. Филиппов Ю.П. Характеристики двухфазных потоков гелия при высоких массовых скоростях// Proc. Low Temperature Engineering and Cryogenics Conference.-Саутгемптон, Великобритания, 1990.-С.10.3.1-10.3.7. (англ.).

24. Алексеев А.И., Микляев В.М., Скрыпник A.B., Филиппов Ю.П. Экспериментальное оборудование для исследования нестационарной теплопередачи к вынужденным потокам гелия// Сообщение ОИЯИ, Р 8-91-26.-1991.-Дубна, 11 с.

25. Данилов В.В., Иванов A.B., Лункин Б.В., Мамедов И.С., Скрыпник A.B., Филиппов Ю.П. Резонансный датчик истинного объемного паросодержания гелия с каналом круглого сечения// Приборы и техника эксперимента.-1991.-№2.-С.244.

26. Алексеев А.И., Филиппов Ю.П., Мамедов И.С. Режимы течения двухфазного гелия в горизонтальных каналах// Cryogenics.-1991.-том 31.-С.330-337. (англ.).

27. Алексеев А.И., Филиппов Ю.П., Мамедов И. С., Романов C.B. Применение высокочастотного метода для измерений в криогенике// Cryogenics.-1991.-том 31.-С.1020-1029. (англ.).

28 Филиппов Ю.П., Сергеев И.А. Динамика релаксации из режима пленочного кипения сверхтекучего гелия в стесненных условиях// Advances in Cryogenic Engineering.-Нью-Йорк, 1992.-том 37.-С.47-54. (англ.).

29. Филиппов Ю.П., Алексеев А.И., Лебедев Н.И. , Мамедов И.С. Романов C.B. Мониторинг потоков криоагентов: реализация высокочастотного метода// Advances in Cryogenic Engineering.-Нью-Йорк, 1992.-том 37.-С.1461-1470. (англ.).

30. Инкин В.Д., Минашкин В.Ф,, Филиппов Ю.П. Комплекс электронной аппаратуры для проведения исследований на тепловой модели сверхпроводящего магнита// Сообщение ОИЯИ, 8-85-756.-1985.-Дубна, 6 с.

31. Филиппов Ю.П., Батин В.И., Микляев В.М., Сутулин О. В. Рефрижератор для

экспериментов со сверхтекучим гелием// Cryogenics.-1992.-том 32.-С.64-67. (англ.).

32. Филиппов Ю.П., Алексеев А.И., Иванов A.B., Лункин Б.В. Расширение применения криогенных датчиков истинного объемного паросодержания// 14 Международная конференция по криогенике: Тез. докл.-Киев, 1992.-С. 59-60.-Доклад ЕС-АР21. (англ.).

33. Алексеев А.И., Филиппов Ю.П. Методика калибровки высокочастотных датчиков истинного объемного паросодержания// 14 Международная конференция по криогенике: Тез. докл.-Киев, 1992.-С.127.-Доклад EC-DP2. (англ.).

34. Филиппов Ю.П., Минашкин В.Ф., Сергеев И.А. Динамика теплопередачи в Hei и Hell при повторяющихся тепловых импульсах// Cryogenics.-1992.-том 32.-С.256-259. (англ.).

35. Высокочастотный датчик сплошности потоков двухфазных сред: A.c. * 1682896, МКИ G 01 N 22/04- Данилов В.В., Мамедов И.С., Филиппов Ю.П. -3 с:ил.// Бюллетень изобретений.-1991.37.-С.184.

36. Резонансный датчик плотности потока в трубопроводе: A.c. № 1758510, МКИ 5G 01 N 9/24- Лункин Б.В., Иванов A.B., Филиппов Ю.П. -3 с:ил// Бюллетень изобретений.-1992.-* 32.-С.155-156.

37. Способ определения соотношения фаз двухфазных сред: A.c. № 1753378, МКИ 5G 01 N 22/00- Алексеев А.И., Мамедов И.С., Романов C.B., Филиппов Ю.П. -4 с:ил// Бюллетень изобретений.-1992. 29.-С.172.

Рукопись поступила р издательский отдел 26 апреля 1993 года.