Введение к работе
Актуальность тены. Разработка и использование сверхлровод-никовых систем ставят задачи надежной тепловой стабилизации на заданном уровне температур. Техническое использование эффекта сверхпроводимости при создании мощных электрических генераторов и двигателей, установок для решения проблем термоядерного синтеза, кошных ускорителей, элементарных частиц со сверхпровод-киковнми магнитными системами-связано с применением в качестве теплоносителя жидкого геякя или гелия сверхкритических параметров. Применение высокотемпературных сверхпроводников позволяет использовать в качестве хладагента доступный и дешевый жидкий азот.
При изучении ^стабильности работы сверхпродниковых систем было выявлено решающее влияние Факторов теплообмена на надежность и эффективность оборудования и приборов. Основная задача теплового расчета любого сверхпроводннкового устройства состоит в определении минимального теплового возмущения, ПРИ котором достигается критическая температура перехода сверхпроводника в нормальное состояние. Известно, что одной из главных особенностей работы сверхпроводников является существенная нестационарность тепловыделения, которая может быть обусловлена целым рядом'причин (переходные и аварийные ситуации, работа в переменных магнитных полях и т. д. ). Процессы такого рода могут сопровождаться почти ступенчатым изменением во времени теплового потока на охлаждаемой поверхности. Таким образом, изучение закономерностей нестационарного теплообмена в криогенных жидкостях непосредственно связано с проблемами повышения надежности и эффективности сверхпроводникового оборудования.
В настоящее время достаточно подробно исследованы закономерности теплообмена в условиях больного обьема жидкости. Экспериментальные данные по исследованию теплоотдачи в щелевых и кольцевых каналах практически отсутствуют, хотя необходимость таких данных достаточно велика при конструировании и расчете сверхпроводниковых магнитных систем, з которых обязательно присутствуют технологические зазоры и каналы. Практически отсутствуют какие-либо данные о теплоотдаче к гелию сверхкритических параметров.состояния в узких иелевых каналах. Необходимо изучить влияние начального тепловыделения на критический интервал времени до момента перехода к пленочному кипению азота после наброса тепловой мошости. Остается не изученный влияние коротких тепловых импульсов на стационарный уровень теплоотдачи к жидкому азоту.
Целями работы являются:
1) исследование влияния размера канала и его ориентации в
поле силы тяхести на время перехода к пленочному кипенао азота
и гелия, а также на минимальное значение теплового потока, при
водящее к кризису теплоотдачи при ступенчатом тепловыделении
(в дальнейшем просто нестационарный критический тепловой поток) ;
-
проведение анализа полученных экспериментальных результатов и разработка на их основе практических рекомендаций по расчету критических интервалов времени и нестационарных критических тепловых потоков;
-
проведение экспериментального исследования и анализ ре-
- ч -зультатов эксперинентов по теплоотдаче к гелию сверккритических параметров в шелевых каналах различной ориентации в поле силы . тяжести в случаях стационарного и нестационарного теплоподвода.
Научная новизна. Получены новые экспериментальные.данные по влиянию зазора кольцевого канапа и его ориентации в поле силы тяжести на стационарную теплоотдачу при естественной конвекции жидкого азота. Впервые представлены экспериментальные данные по влиянию на стационарный уровень теплоотдачи азота коротких тепловых импульсов. Исследовано влияние ориентации и размера зазора кольцевого канала на нестационарный критический тепловой поток в азоте. Представлены новые.экспериментальные данные по влиянию предварительного тепловыделения на время пе- рехода к пленочному кипению азота в большой объеме при ступенчатом набросе тепловой мощности. Проведено исследование влияния на критический интервал времени до момента перехода к пленочному кипению гелия условий ограниченного объема ( шелевые зазоры различной высоты ). Предложена Физическая модель нас- тупления кризиса кипения при импульсном тепловыделении в криогенных жидкостях и на ее основе получены расчетные зависимости ' для критического интервала времени до момента перехода к пле-ночноиу кипению и нестационарных критических тепловых потоков. Впервые получены экспериментальные данные по стационарной и < нестационарной теплоотдаче в шелевых зазорах, заполненных гелием сверхкритических параметров.
практическая ценность. Полученные экспериментальные данные и расчетные соотношения для времени перехода к пленочному кипению и нестационарных критических тепловых потоков в стесненных условиях могут быть использованы при проектировании и анализе работы различных криогенных установок и оборудования с использованием сверхпроводииковых материалов. Экспериментальные данные по теплоотдаче з гелии сверхкритических параметров и расчетные рекомендации могут быть применены при проектировании и анализе работы сверхпроводящих магнитных систем ускорительно-накопительного комплекса /УНК/ в г. Протвино.
Автор защищает: 1) результаты экспериментального исследования теплообмена при стационарном теплоподзоде к жидкому азоту в кольцевых каналах различной ориентации относительно силы тяжести, экспериментальные данные по влиянию коротких тепловых импульсов на ста-иионаркый уровень теплоотдачи к азоту;.
Е) результаты измерения времени перехода к пленочному кипению азота при кабросе тепловой мощности.при наличии предварительного стационарного уровня тепловыделения в нагревателе:
3) результаты измерений времени перехода к пленочному кипению
и нестационарного критического теплового потока при ступенчатой увеличении тепловой нагрузки в кольцевых каналах и в шелевых зазорах, заполненных азотом и гелием;
-
методику расчета критического интервала времени до момента наступления пленочного кипения при набросе тепловой мощности в азоте и гелии;
-
результаты исследования теплообмена в гелии сверхкритичес-ких параметров в большом объеме и шелевых зазорах.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на III Советско - западногеркан-. скон симпозиуме < Харьков, 1989 г. ), на I Всесоюзной семинаре "Кризисы теплообмена при кипении" ( Новосибирск,:1959 г. ), на
VIII Всесоюзной конференции "Двухфазный поток в энергетических машинах и аппаратах " ( Ленинград, 1990 г. I, на Международной Конференции по криогенной технике ICEC-14, ICHC (Киев, 1992 г.).
Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано Є печатный работ и 5 научно-технических отчетов.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, приложения и списка литературы.из 117. наименований, содержание работы изложено на іаз страницах машинописного текста и иллюстрируется 75 рисунками.