Mетодика расчета фазового сепаратора с прямыми капиллярными каналами для разделения сверхтекучего гелия и его паров
Ключевые слова:
гелий-II, фазовый сепаратор, капилляры, тепломассоперенос, межфазная поверхность, невесомость
Аннотация
Рассмотрена методика расчета фазового сепаратора для разделения сверхтекучего гелия (Не-II) и его паров в условиях невесомости. При этом вместо обычной для пассивного фазоразделителя металлической пористой пробки с каналами сложной формы предлагается применить пробку с прямыми капиллярными каналами. Задача исследования — расчет расхода сверхтекучего гелия, при котором прямые капилляры, пронизывающие пробку, остаются заполненными, т. е. положение границы раздела фаз жидкость-пар в капиллярах не меняется. Гидродинамика Не-II и теплоперенос в нем описаны с использованием феноменологической теории двухскоростной гидродинамики Л.Д. Ландау. Анализ процессов в паре выполнен на базе методов молекулярно-кинетической теории. Определена разность температур сверхтекучего гелия в сосуде и пара вне сосуда, обеспечивающая требующийся расход сверхтекучей жидкости.
Литература
1. Lebrun Ph. Cryogenics for High-energy Particle Accelerators: Highlights from the First Fifty Years // IOP Conf. Series: Materials Sci. and Eng. 2017. V. 171. P. 012001.
2. Jahromi A.E., Miller F.K. Modeling, Development, and Experimental Validation of a Joule–Thompson Superfluid Refrigerator Using a Pulse Tube Cryocooler // Cryogenics. 2014. V. 61. Pp. 15—24.
3. Dolzhikov A., Gorodnov I., Borisov N., Usov Yu. A Dilution Cryostat for Experiments with the Polarized Target // AIP Conf. Proc. 2019. V. 2163. P. 080003.
4. Putselyk S. Application of Sub-cooled Superfluid Helium for Cavity Cooling at Linac-based Free Electron Lasers, Energy Recovery and Proton Linacs // IOP Conf. Series: Materials Sci. and Eng. 2020. V. 755. P. 012098.
5. Zhang X. e. a. Development of a Superconducting Magnet System with Zero Liquid Helium Boil-off // J. Superconductivity and Novel Magnetism. 2014. V. 27. Pp. 1027—1030.
6. Urbach A.R., Vorreiter J., Mason P. Design of a Superfluid Helium Dewar for the IRAS // Telescope Proc. 7th Intern. Cryog. Engn. Conf. London: IPC Sci. and Technol. Press. 1978. Pp. 126—133.
7. Schotte U., Denner H. The Mechanism Governing Phase Separation of Helium II by Means of Narrow Channels // Proc. ICEC-8. 1980. Pp. 27—31.
8. Nakano A., Petrac D., Paine C. He II Liquid/vapor Phase Separator for Large Dynamic Range Operation // Cryogenics. 1996. V. 36(10). Pp. 823—828.
9. Yuan S.W.K., Urbach A.R., Volz S.M., Lee J.H. Vapor-liquid Phase Separation of He-II // Cryogenices. 1998. V. 38(9). Pp. 921—925.
10. Nakano A. e. a. Investigation of Large Dynamic Range Helium II Liquid/vapor Phase Separator for SIRTF // Cryogenics. 1999. V. 39(5). Pp. 471—479.
11. Xingen Yu., Qing Li, Qiang Li, Zhengyu Li. Flow Rate of He II Liquid-vapor Phase Separator // J. Thermal Sci. 2005. V. 14. Pp. 69—75.
12. Yuichiro Ezoe e. a. Porous Plug Phase Separator and Superfluid Film Flow Suppression System for the Soft X-Ray Spectrometer Onboard Hitomi // J. Astronomical Telescopes, Instruments, and Systems. 2017. V. 4(1). P. 011203.
13. Maekawa R., Baudouy B. Heat Transfer through Porous Media in the Counterflow Regime // Adv. Cryog. Eng. 2004. V. 41. Pp. 983—990.
14. Baudouy B. e. a. Heat Transfer through Porous Media in Static Superfluid Helium, Adv // Cryog. Eng. 2006. V. 51. Pp. 409—416.
15. Dalban-Canassy M., Van Sciver S.W. Steady Counterflow He II Heat Transfer Through Porous Media // Adv. Cryog. Eng. 2010. V. 55. Pp. 1327—1334.
16. Van Sciver S.W. Helium Cryogenics: Second Edition. N.-Y.: Springer Sci. & Business Media, 2012.
17. Lee Jeffery M. Superfluid Helium II Liquid-Vapor Phase Separation: Technology Assessment. NASA Techn. Memorandum. Moffett Field: Ames Research Center, 1984.
18. Королев П.В., Крюков А.П. Движение сверхтекучего гелия в капилляре с паром при наличии продольного теплового потока // Вестник МЭИ. 2002. № 1. С. 43—46.
19. Муратова Т.М., Лабунцов Д.А. Кинетический анализ процессов испарения и конденсации // Теплофизика высоких температур. 1969. Т. 7. № 5. С. 959—976.
20. Ландау Л.Д, Лифшиц Е.М. Гидродинамика. Серия «Теоретическая физика». Т. 6. М.: Наука, 1988.
21. Халатников И.М. Теория сверхтекучести. М.: Наука, 1971.
22. Есельсон Б.Н., Григорьев В.Н., Иванцов В.Г., Рудавский Э.Я. Свойства жидкого и твердого гелия. М.: Изд-во стандартов, 1978.
---
Для цитирования: Королев П.В., Крюков А.П. Mетодика расчета фазового сепаратора с прямыми капиллярными каналами для разделения сверхтекучего гелия и его паров // Вестник МЭИ. 2024. № 4. С. 133—142. DOI: 10.24160/1993-6982-2024-4-133-142
---
Конфликт интересов: авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов
#
1. Lebrun Ph. Cryogenics for High-energy Particle Accelerators: Highlights from the First Fifty Years. IOP Conf. Series: Materials Sci. and Eng. 2017;171:012001.
2. Jahromi A.E., Miller F.K. Modeling, Development, and Experimental Validation of a Joule–Thompson Superfluid Refrigerator Using a Pulse Tube Cryocooler. Cryogenics. 2014;61:15—24.
3. Dolzhikov A., Gorodnov I., Borisov N., Usov Yu. A Dilution Cryostat for Experiments with the Polarized Target. AIP Conf. Proc. 2019;2163:080003.
4. Putselyk S. Application of Sub-cooled Superfluid Helium for Cavity Cooling at Linac-based Free Electron Lasers, Energy Recovery and Proton Linacs. IOP Conf. Series: Materials Sci. and Eng. 2020;755:012098.
5. Zhang X. e. a. Development of a Superconducting Magnet System with Zero Liquid Helium Boil-off. J. Superconductivity and Novel Magnetism. 2014;27:1027—1030.
6. Urbach A.R., Vorreiter J., Mason P. Design of a Superfluid Helium Dewar for the IRAS. Telescope Proc. 7th Intern. Cryog. Engn. Conf. London: IPC Sci. and Technol. Press. 1978:126—133.
7. Schotte U., Denner H. The Mechanism Governing Phase Separation of Helium II by Means of Narrow Channels. Proc. ICEC-8. 1980:27—31.
8. Nakano A., Petrac D., Paine C. He II Liquid/vapor Phase Separator for Large Dynamic Range Operation. Cryogenics. 1996;36(10):823—828.
9. Yuan S.W.K., Urbach A.R., Volz S.M., Lee J.H. Vapor-liquid Phase Separation of He-II. Cryogenices. 1998;38(9):921—925.
10. Nakano A. e. a. Investigation of Large Dynamic Range Helium II Liquid/vapor Phase Separator for SIRTF. Cryogenics. 1999;39(5):471—479.
11. Xingen Yu., Qing Li, Qiang Li, Zhengyu Li. Flow Rate of He II Liquid-vapor Phase Separator. J. Thermal Sci. 2005;14:69—75.
12. Yuichiro Ezoe e. a. Porous Plug Phase Separator and Superfluid Film Flow Suppression System for the Soft X-Ray Spectrometer Onboard Hitomi. J. Astronomical Telescopes, Instruments, and Systems. 2017;4(1):011203.
13. Maekawa R., Baudouy B. Heat Transfer through Porous Media in the Counterflow Regime. Adv. Cryog. Eng. 2004;41:983—990.
14. Baudouy B. e. a. Heat Transfer through Porous Media in Static Superfluid Helium, Adv. Cryog. Eng. 2006;51:409—416.
15. Dalban-Canassy M., Van Sciver S.W. Steady Counterflow He II Heat Transfer Through Porous Media. Adv. Cryog. Eng. 2010;55:1327—1334.
16. Van Sciver S.W. Helium Cryogenics: Second Edition. N.-Y.: Springer Sci. & Business Media, 2012.
17. Lee Jeffery M. Superfluid Helium II Liquid-Vapor Phase Separation: Technology Assessment. NASA Techn. Memorandum. Moffett Field: Ames Research Center, 1984.
18. Korolev P.V., Kryukov A.P. Dvizhenie Sverkhtekuchego Geliya v Kapillyare s Parom pri Nalichii Prodol'nogo Teplovogo Potoka. Vestnik MEI. 2002;1:43—46. (in Russian).
19. Muratova T.M., Labuntsov D.A. Kineticheskiy Analiz Protsessov Ispareniya i Kondensatsii. Teplofizika Vysokikh Temperatur. 1969;7;5:959—976. (in Russian).
20. Landau L.D, Lifshits E.M. Gidrodinamika. Seriya «Teoreticheskaya Fizika». T. 6. M.: Nauka, 1988. (in Russian).
21. Khalatnikov I.M. Teoriya Sverkhtekuchesti. M.: Nauka, 1971. (in Russian).
22. Esel'son B.N., Grigor'ev V.N., Ivantsov V.G., Rudavskiy E.Ya. Svoystva Zhidkogo i Tverdogo Geliya. M.: Izd-vo Standartov, 1978. (in Russian)
---
For citation: Korolyov P.V., Kryukov A.P. Method of Calculating a Phase Separator with Direct Capillary Channels for the Vapor-liquid Phase Separation of Superfluid Helium. Bulletin of MPEI. 2024;4:133—142. (in Russian). DOI: 10.24160/1993-6982-2024-4-133-142
---
Conflict of interests: the authors declare no conflict of interest
2. Jahromi A.E., Miller F.K. Modeling, Development, and Experimental Validation of a Joule–Thompson Superfluid Refrigerator Using a Pulse Tube Cryocooler // Cryogenics. 2014. V. 61. Pp. 15—24.
3. Dolzhikov A., Gorodnov I., Borisov N., Usov Yu. A Dilution Cryostat for Experiments with the Polarized Target // AIP Conf. Proc. 2019. V. 2163. P. 080003.
4. Putselyk S. Application of Sub-cooled Superfluid Helium for Cavity Cooling at Linac-based Free Electron Lasers, Energy Recovery and Proton Linacs // IOP Conf. Series: Materials Sci. and Eng. 2020. V. 755. P. 012098.
5. Zhang X. e. a. Development of a Superconducting Magnet System with Zero Liquid Helium Boil-off // J. Superconductivity and Novel Magnetism. 2014. V. 27. Pp. 1027—1030.
6. Urbach A.R., Vorreiter J., Mason P. Design of a Superfluid Helium Dewar for the IRAS // Telescope Proc. 7th Intern. Cryog. Engn. Conf. London: IPC Sci. and Technol. Press. 1978. Pp. 126—133.
7. Schotte U., Denner H. The Mechanism Governing Phase Separation of Helium II by Means of Narrow Channels // Proc. ICEC-8. 1980. Pp. 27—31.
8. Nakano A., Petrac D., Paine C. He II Liquid/vapor Phase Separator for Large Dynamic Range Operation // Cryogenics. 1996. V. 36(10). Pp. 823—828.
9. Yuan S.W.K., Urbach A.R., Volz S.M., Lee J.H. Vapor-liquid Phase Separation of He-II // Cryogenices. 1998. V. 38(9). Pp. 921—925.
10. Nakano A. e. a. Investigation of Large Dynamic Range Helium II Liquid/vapor Phase Separator for SIRTF // Cryogenics. 1999. V. 39(5). Pp. 471—479.
11. Xingen Yu., Qing Li, Qiang Li, Zhengyu Li. Flow Rate of He II Liquid-vapor Phase Separator // J. Thermal Sci. 2005. V. 14. Pp. 69—75.
12. Yuichiro Ezoe e. a. Porous Plug Phase Separator and Superfluid Film Flow Suppression System for the Soft X-Ray Spectrometer Onboard Hitomi // J. Astronomical Telescopes, Instruments, and Systems. 2017. V. 4(1). P. 011203.
13. Maekawa R., Baudouy B. Heat Transfer through Porous Media in the Counterflow Regime // Adv. Cryog. Eng. 2004. V. 41. Pp. 983—990.
14. Baudouy B. e. a. Heat Transfer through Porous Media in Static Superfluid Helium, Adv // Cryog. Eng. 2006. V. 51. Pp. 409—416.
15. Dalban-Canassy M., Van Sciver S.W. Steady Counterflow He II Heat Transfer Through Porous Media // Adv. Cryog. Eng. 2010. V. 55. Pp. 1327—1334.
16. Van Sciver S.W. Helium Cryogenics: Second Edition. N.-Y.: Springer Sci. & Business Media, 2012.
17. Lee Jeffery M. Superfluid Helium II Liquid-Vapor Phase Separation: Technology Assessment. NASA Techn. Memorandum. Moffett Field: Ames Research Center, 1984.
18. Королев П.В., Крюков А.П. Движение сверхтекучего гелия в капилляре с паром при наличии продольного теплового потока // Вестник МЭИ. 2002. № 1. С. 43—46.
19. Муратова Т.М., Лабунцов Д.А. Кинетический анализ процессов испарения и конденсации // Теплофизика высоких температур. 1969. Т. 7. № 5. С. 959—976.
20. Ландау Л.Д, Лифшиц Е.М. Гидродинамика. Серия «Теоретическая физика». Т. 6. М.: Наука, 1988.
21. Халатников И.М. Теория сверхтекучести. М.: Наука, 1971.
22. Есельсон Б.Н., Григорьев В.Н., Иванцов В.Г., Рудавский Э.Я. Свойства жидкого и твердого гелия. М.: Изд-во стандартов, 1978.
---
Для цитирования: Королев П.В., Крюков А.П. Mетодика расчета фазового сепаратора с прямыми капиллярными каналами для разделения сверхтекучего гелия и его паров // Вестник МЭИ. 2024. № 4. С. 133—142. DOI: 10.24160/1993-6982-2024-4-133-142
---
Конфликт интересов: авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов
#
1. Lebrun Ph. Cryogenics for High-energy Particle Accelerators: Highlights from the First Fifty Years. IOP Conf. Series: Materials Sci. and Eng. 2017;171:012001.
2. Jahromi A.E., Miller F.K. Modeling, Development, and Experimental Validation of a Joule–Thompson Superfluid Refrigerator Using a Pulse Tube Cryocooler. Cryogenics. 2014;61:15—24.
3. Dolzhikov A., Gorodnov I., Borisov N., Usov Yu. A Dilution Cryostat for Experiments with the Polarized Target. AIP Conf. Proc. 2019;2163:080003.
4. Putselyk S. Application of Sub-cooled Superfluid Helium for Cavity Cooling at Linac-based Free Electron Lasers, Energy Recovery and Proton Linacs. IOP Conf. Series: Materials Sci. and Eng. 2020;755:012098.
5. Zhang X. e. a. Development of a Superconducting Magnet System with Zero Liquid Helium Boil-off. J. Superconductivity and Novel Magnetism. 2014;27:1027—1030.
6. Urbach A.R., Vorreiter J., Mason P. Design of a Superfluid Helium Dewar for the IRAS. Telescope Proc. 7th Intern. Cryog. Engn. Conf. London: IPC Sci. and Technol. Press. 1978:126—133.
7. Schotte U., Denner H. The Mechanism Governing Phase Separation of Helium II by Means of Narrow Channels. Proc. ICEC-8. 1980:27—31.
8. Nakano A., Petrac D., Paine C. He II Liquid/vapor Phase Separator for Large Dynamic Range Operation. Cryogenics. 1996;36(10):823—828.
9. Yuan S.W.K., Urbach A.R., Volz S.M., Lee J.H. Vapor-liquid Phase Separation of He-II. Cryogenices. 1998;38(9):921—925.
10. Nakano A. e. a. Investigation of Large Dynamic Range Helium II Liquid/vapor Phase Separator for SIRTF. Cryogenics. 1999;39(5):471—479.
11. Xingen Yu., Qing Li, Qiang Li, Zhengyu Li. Flow Rate of He II Liquid-vapor Phase Separator. J. Thermal Sci. 2005;14:69—75.
12. Yuichiro Ezoe e. a. Porous Plug Phase Separator and Superfluid Film Flow Suppression System for the Soft X-Ray Spectrometer Onboard Hitomi. J. Astronomical Telescopes, Instruments, and Systems. 2017;4(1):011203.
13. Maekawa R., Baudouy B. Heat Transfer through Porous Media in the Counterflow Regime. Adv. Cryog. Eng. 2004;41:983—990.
14. Baudouy B. e. a. Heat Transfer through Porous Media in Static Superfluid Helium, Adv. Cryog. Eng. 2006;51:409—416.
15. Dalban-Canassy M., Van Sciver S.W. Steady Counterflow He II Heat Transfer Through Porous Media. Adv. Cryog. Eng. 2010;55:1327—1334.
16. Van Sciver S.W. Helium Cryogenics: Second Edition. N.-Y.: Springer Sci. & Business Media, 2012.
17. Lee Jeffery M. Superfluid Helium II Liquid-Vapor Phase Separation: Technology Assessment. NASA Techn. Memorandum. Moffett Field: Ames Research Center, 1984.
18. Korolev P.V., Kryukov A.P. Dvizhenie Sverkhtekuchego Geliya v Kapillyare s Parom pri Nalichii Prodol'nogo Teplovogo Potoka. Vestnik MEI. 2002;1:43—46. (in Russian).
19. Muratova T.M., Labuntsov D.A. Kineticheskiy Analiz Protsessov Ispareniya i Kondensatsii. Teplofizika Vysokikh Temperatur. 1969;7;5:959—976. (in Russian).
20. Landau L.D, Lifshits E.M. Gidrodinamika. Seriya «Teoreticheskaya Fizika». T. 6. M.: Nauka, 1988. (in Russian).
21. Khalatnikov I.M. Teoriya Sverkhtekuchesti. M.: Nauka, 1971. (in Russian).
22. Esel'son B.N., Grigor'ev V.N., Ivantsov V.G., Rudavskiy E.Ya. Svoystva Zhidkogo i Tverdogo Geliya. M.: Izd-vo Standartov, 1978. (in Russian)
---
For citation: Korolyov P.V., Kryukov A.P. Method of Calculating a Phase Separator with Direct Capillary Channels for the Vapor-liquid Phase Separation of Superfluid Helium. Bulletin of MPEI. 2024;4:133—142. (in Russian). DOI: 10.24160/1993-6982-2024-4-133-142
---
Conflict of interests: the authors declare no conflict of interest
Опубликован
2024-06-18
Выпуск
Раздел
Машины и аппараты, процессы холодильной и криогенной техники (технические науки) (2.4.8.)
