Изследване на поток в естествена циркулация на двуфазен хелий в преходен режим
Изследване на поток в естествена циркулация на двуфазен хелий в преходен режим
Двуфазните хелиеви контури с естествена циркулация се използват като мащабни свръхпроводящи охладителни системи с магнит, поради присъщите им предимства за безопасност и поддръжка. Примери за това са CMS детекторът в CERN (вече в експлоатация) или магнитите на спектрометъра R3B-GLAD при GSI (в инсталация). Едно от основните притеснения по време на охлаждане с кипене е кризата с кипенето: внезапното влошаване на преноса на топлина на стената над определена стойност на топлинния поток, наречено критично. Полученото повишаване на температурата на стената може да доведе до загуба на свръхпроводящото състояние на магнита.
Естествените цикли на циркулация на хелий вече са изследвани експериментално и числено в стационарно състояние, особено в предварително критични режими (ядрено кипене). Работата по преноса на маса и топлина при кипящ хелий в преходно състояние, присъстваща в литературата, е насочена главно към малки системи, много тесни или твърде къси канали или кипене във вана. Въпреки че се очаква качествено подобно поведение, екстраполирането на тези резултати в естествена циркулация не е очевидно, ако е възможно. Ето защо е необходимо специално проучване на преходното термохидравлично поведение на хелиевите контури в естествена циркулация, по време на внезапно увеличаване на топлинното натоварване.
Част от това изследване се състои от експерименти върху естествено циркулираща двуфазна хелиева верига с височина 2 m, при 4,2 K. Изпробвани са две вертикални нагрети секции с различен диаметър (10 и 6 mm) и приблизително 1 m дължина. Преходните процеси се предизвикват от внезапен прилив на мощност. Разглеждат се два типа първоначално състояние: статично (без начална мощност) и в динамично равновесие (ненулево начално ниво). Измерено е изменението на температурата на стената по участъка, масовият дебит и спадът на налягането.
Наред с други явления, силен интерес беше доведен до началото на кипящата криза. Определени са крайните гранични стойности на топлинния поток, при които възниква кризата. От една страна, беше забелязано, че кризата може да настъпи временно или постоянно с мощност, значително по-ниска, отколкото в постоянен режим. От друга страна, увеличаването на първоначалната циркулация чрез първоначалния топлинен поток може частично или напълно да инхибира тази преждевременна криза на кипене. Установено е, че това влошаване на преноса на топлина е резултат от две конкурентни явления, наистина присъщи на естествената циркулация: начален етап на равномерно натрупване на пари, с инверсия или намаляване на скоростта на входа и последващо установяване на циркулация, с преминаването на студен фронт от входа. Полуемпиричният анализ ни позволи да определим критерий, базиран на динамичното развитие на пространствения профил на масовия титър, за да предскажем началото на кризата. Въпреки това е необходимо априори да се знае еволюцията на масовия поток, за да може да се приложи този критерий.