alternativeАльтернативная энергетика и экология (ISJAEE)Alternative Energy and Ecology (ISJAEE)1608-8298Международный издательский дом научной периодики "Спейс10.15518/isjaee.2017.25-27.045-059alternative-1183Research ArticleЭКОЛОГИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ЭНЕРГЕТИКИENVIRONMENTAL ASPECTS OF ENERGYИСПАРИТЕЛЬНАЯ СИСТЕМА КРИООБЕСПЕЧЕНИЯ ПРОТЯЖЁННЫХ СИЛОВЫХ ВТСП КАБЕЛЕЙEVAPORATIVE CRYOGENIC SYSTEM FOR HIGH POWER HTS LONG EXTENSION CABLESКостюкВ. В.KostyukV. V.

д-р техн. наук, профессор, академик Российской академии наук, советник президента РАН

D.Sc. (engineering), Academician of the Russian Academy of Sciences, the Adviser to the President RAS

cryogen204@mail.ruФирсовВ. П.FirsovV. P.

сотрудник кафедры авиационной и космической теплотехники, руководитель отдела криогенных систем

Employee of the Department of Aviation and Space Thermal Engineering, Head of the Cryogenic Systems SIC of Moscow Aviation Institute; scientific experience more than 40 years; a member of working out a number of systems for missile and space programs “NL”, “Proton”, “EnergyBuran”, “Angara”, etc.

cryogen204@mail.ruАнтюховИ. В.AntyukhovI. V.

научный сотрудник кафедры авиационной и космической теплотехники

Researcher at the Department of Aviation Space Thermotechnics

cryogen204@mail.ruГалеевА. Г.GaleevA. G.

д-р техн. наук, профессор, профессор кафедры «Управление эксплуатацией РКС» Московского авиационного института, главный научный сотрудник ФКП «НИЦ РКП», действительный член Российской академии космонавтики им.К.Э. Циолковского

D.Sc. (engineering), Professor, Professor of Management of Operation of RSS department of Moscow Aviation Institute, Chief Researcher of the PCF “SIC RSI”, a Member of the K.E. Tsiolkovsky Russian Academy of Cosmonautics; 40 years of scientific and pedagogical experience; a member of working out a number of systems for missile and space programs “Space-1”, “Space-3”, “N1L3”, “EnergiaBuran”, “GSLV”, “Angara”, etc

cryogen204@mail.ruФГБОУ ВО Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет)РоссияMoscow aviation Institute (National Research University)Russian Federation201710122017025-274559Copyright © Международный издательский дом научной периодики "Спейс, 20172017Международный издательский дом научной периодики "СпейсМеждународный издательский дом научной периодики "Спейсhttps://www.isjaee.com/jour/about/submissions#copyrightNoticehttps://www.isjaee.com/jour/article/view/1183

Проведен анализ результатов теоретических и экспериментальных исследований испарительной системы криообеспечения применительно к протяженным каналам термостатирования высокотемпературных сверхпроводящих кабелей и гибридных энергетических магистралей, а также систем поддержания теплового режима компонентов криогенного топлива в баках летательных аппаратов при длительных космических полётах. Представлены экспериментальные данные, полученные на азоте и водороде. Показана важность таких исследований для практического применения при создании современных систем криостатирования. Рассмотрена конструкция экспериментальной гибридной энергетической магистрали для исследования процессов термостатирования сверхпроводящих кабельных линий высокой мощности. Магистраль состоит из трех участков с различными типами теплоизоляции и токовых вводов, которые обеспечивают подвод электрического тока большой мощности к сверхпроводящим жилам с минимальным внешним теплопритоком. Получены уникальные экспериментальные данные по теплопритокам с внешней поверхности магистрали на разных ее участках. Показано, что на участке с испарительной системой криостатирования возможно полностью компенсировать внешний теплоприток в криогенную магистраль и при необходимости понизить температуру криогенного теплоносителя. С помощью математической модели, описывающей физические процессы в канале термостатирования с испарительной системой криостатирования, были проведены оценочные расчеты при использовании в качестве рабочего тела жидкого азота и жидкого водорода для различных массовых расходов подачи хладагента с целью определения возможной длины рабочей зоны криостатирования протяженного сверхпроводящего кабеля. Получены расчетные данные по изменению по длине протяженного криостата температуры, давления и холодопроизводительности испарительной системы криостатирования.

 

The article analyzes the results of theoretical and experimental studies of the evaporative cryogenic system for extended temperature control channels of high-temperature superconducting cables and hybrid power lines as well as systems for maintaining the thermal regime of cryogenic fuel components in the tanks of aircraft during long space flights. Experimental data obtained with nitrogen and hydrogen are presented. The importance of such studies for practical use in the development of modern cryostat systems is shown. The design of the experimental hybrid power line for studying the processes of thermostating of superconducting cable lines of high power is considered. The main line consists of three sections with different types of thermal insulation and current inputs which provide the supply of an electric current of high power to superconducting veins with a minimum external heat input. Unique experimental data on heat inflows from the outer surface of the main line at various sites have been obtained. The article shows it is possible to fully compensate external heat input into the cryogenic line, and, if necessary, to lower the temperature of the cryogenic coolant in the section with the evaporative cryostat system. With the help of a mathematical model describing the physical processes in the thermostatic channel with the evaporative cryostat system, the estimates were made using liquid nitrogen and liquid hydrogen as the working fluid for various mass flow rates of the coolant supply in order to determine the possible length of the cryostat working zone of the extended superconducting cable. Calculated data are obtained on the change in temperature, pressure, and cooling capacity of an evaporative cryostat system along the length of an extended cryostat.

 

криостатжидкий азотжидкий водородтеплопритоктеплоизоляциясистема криостатированиятеплообменный аппаратcryostatliquid nitrogenliquid hydrogenheat transferheat insulationcryostat systemheat exchangeReferencesGrant, P.M. Will MgB2 Work [Text] / P.М. Grant // The Industrial Physicist. – 2001. – Oct-Nov. – P. 22–23.Grant P.M. Will MgB2 Work. The Industrial Physicist, 2001;(Oct-Nov):22–23 (in Eng.).Grant, P.M. Energy for the City of the Future [Text] / P.M. Grant // The Industrial Physicist, Feb-Mar 2002, pp. 22–25.Grant P.M. Energy for the City of the Future. The Industrial Physicist, 2002;(Feb-Mar):22–25(in Eng.).Maguire, J.F. Development and demonstration of a long length HTS cable to operate in the long island power authority transmission grid [Text] / J.F. Maguire [et al.] // IEEE Transactions on Applied Superconductivity. – 2005. – Vol. 15. – No 2. – P. 1787–1792.Maguire J.F., Schmidt F., Hamber F., Welsh T.E. Development and demonstration of a long length HTS cable to operate in the long island power authority transmission grid. IEEE Transactions on Applied Superconductivity, 2005;15(2):1787–1792(in Engl.).Grant, P.M. Superconducting Lines for the Transmission of Large Amounts of Electrical Power Over Great Distances: Garwin-Matisoo Revisited Forty Years Later [Text] / P.M. Grant // IEEE Transactions on Applied Superconductivity. – 2007. – Vol. 17. – No 2. – P. 1641–1647.Grant, P.M. Superconducting Lines for the Transmission of Large Amounts of Electrical Power Over Great Distances: Garwin-Matisoo Revisited Forty Years Later. IEEE Transactions on Applied Superconductivity, 2007;17(2):1641–1647 (in Eng.).Nakayama, T. Micro Power Grid System With SMES and Superconducting Cable Modules Cooled by Liquid Hydrogen [Text] / T. Nakayama [and others] // IEEE Transactions on Applied Superconductivity. – 2009. – Vol. 19. – No. 3. – P. 2062–2065.Nakayama, T. Micro Power Grid System With SMES and Superconducting Cable Modules Cooled by Liquid Hydrogen. IEEE Transactions on Applied Superconductivity, 2009;19(3):2062–2065 (in Eng.).Rubbia, С. The future of large power electric transmission [E-resource] / C. Rubbia // Available on: http://rubbia.web.cern.ch/rubbia/SCWorkshop1_May201 1.ppt.Rubbia С. The future of large power electric transmission. Available on: http://rubbia.web.cern.ch/rubbia/SCWorkshop1_May201 1.ppt.Костюк, В.В. Экспериментальная гибридная энергетическая магистраль с жидким водородом и сверхпроводящим кабелем на основе диборида магния (MgB2) [Текст] / В.В. Костюк [и др.] // Письма в журнал технической физики. – 2012. –Т. 38. – № 6. – С. 52–60.Kostyuk V.V., Antyukhov I. V., Blagov E. V., Vysotskii V. S., Katorgin B. I., Nosov A. A., Fetisov S. S., Firsov V. P. Experimental hybrid power line with liquid hydrogen and superconducting cable based on magnesium diboride (MgB2) (Eksperimental'naya gibridnaya energeticheskaya magistral' s zhidkim vodorodom i sverkhprovodyashchim kabelem na osnove diborida magniya (MgB2). Technical Physics Letters, 2012;38(6):52–60 (in Russ.).Vysotsky, V. First in the world prototype of the hydrogen – superconducting energy transport system [Text] / V. Vysotsky [et al.] // Proceedings of ICEC 24- ICMC 2012, Fukuoka, Japan. – May 2012. – P. 247–252.Vysotsky V. S., Katorgin B. I., Nosov A. A., Fetisov S. S., Firsov V. P. First in the world prototype of the hydrogen – superconducting energy transport system. Proceedings of ICEC 24-ICMC 2012, Fukuoka, Japan, May 2012, pp. 247–252 (in Eng.).Vysotsky, V. Hybrid Energy Transfer Line with Liquid Hydrogen and Superconducting MgB2 Cable – First Experimental Proof of Concept [Text] / V. Vysotsky [et al.] // IEEE Transactions on Applied Superconductivity. – 2013. – Vol. 23. – No. 3.– P. 5400906.Vysotsky V., Nosov A.A., Fetisov S.S., Svalov G.G., Antyukhov I.V., Firsov V.P., Blagov E.V., Kostyuk V.V. Hybrid Energy Transfer Line with Liquid Hydrogen and Superconducting MgB2 Cable – First Experimental Proof of Concept. IEEE Transactions on Applied Superconductivity, 2013;23(3)5400906 (in Eng.).Ballarino, A. Development of superconducting links for the Large Hadron Collider machine [Text] / A. Ballarino // Supercond. Sci. Technol. – 2014. Vol. 27. – P. 044024; doi:10.1088/0953-2048/27/4/044024.Ballarino A. Development of superconducting links for the Large Hadron Collider machine. Supercond. Sci. Technol. 2014;27:044024; doi:10.1088/0953- 2048/27/4/044024 (in Eng.).Kostyuk, V.V. Cryogenic design and test results of 30-m flexible hybrid energy transfer line with liquid hydrogen and superconducting MgB2 cable [Text] / V.V. Kostyuk [et al.] // Cryogenics. – 2015. – Vol. 66. – P. 34–42.Kostyuk V.V., Blagov E.V., Antyukhov I.V., Firsov V.P., Vysotsky V.S., Nosov A.A., Fetisov S.S., Zanegin S.Yu., Svalov G.G., Rachuk V.S., Katorgin B.I. Cryogenic design and test results of 30-m flexible hybrid energy transfer line with liquid hydrogen and superconducting MgB2 cable. Cryogenics, 2015;66:34– 42 (in Eng.).Калинин, Э.К. Теплообмен при испарении жидкого азота в трубах в условиях пониженного давления [Текст] / Э.К. Калинин [и др.]. – В кн.: Современные проблемы гидродинамики и теплообмена в элементах энергетических установок и криогенной техники, ВЗМИ. – 1982. – Вып. 2. – C. 14–18.Kalinin E.K., et al. Heat transfer up on evaporation of liquid nitrogen in pipes under reduced pressure conditions (Teploobmen pri isparenii gidkogo azota v trubah v usloviyah ponigenogo davleniya) // in book Modern problems of hydrodynamics and heat transfer in the elements of power plants and cryogenic equipment, VZMI, 1982, iss. 2, pp. 14–18 (in Russ).Григорьев, В.А. Кипение криогенных жидкостей [Текст] / В.А. Григорьев, Ю.М. Павлов, Е.В. Аметистов. – М.: Энергия, 1977. – 288 с.Grigorev V.A., Pavlov Yu. M., Ametistov E.V. Boiling of cryogenic liquids (Kipenie kriogennyh gidkostey). Мoscow: Energya Publ.,1977 (in Russ).Федоров, В.И. Методика определения температурного режима жидкого кислорода в емкости при работе системы термостатирования испарительного типа [Текст] / В.И. Федоров, В.П. Фирсов, В.И. Паневин // РКТ. –1986. – № 8. – Сер. 4. – С. 76–88.Fedorov V.I., Firsov V.P., Panevin V.I. The procedure for determining the temperature regime of liquid oxygen in a vessel during operation of an evaporative type thermostatting system (Metodika opredeleniya temperaturnogo regima gidkogo kisloroda v emkosti pri rabote sistemy termostatirovaniya isparitelnogo tipa). RKT, 1986:4(8):76–88 (in Russ).Workshop program: “Transporting Tens of Gigawatts of Green Power to the Market”. available at: http://www.iasspotsdam.de/sites/default/files/files/works hop _programme.pdf.Workshop program: Transporting Tens of Gigawatts of Green Power to the Market. Available on: http://www.iasspotsdam.de/sites/default/files/files/workshop programme.pdf (in Eng.).Kamiya, Shoji. Study on Introduction of CO2 Free Energy to Japan with Liquid Hydrogen [Text] / Shoji Kamiya [et al.] // Physics Procedia. – 2015. – Vol. 67. – P. 11–19.Kamiya S., Nishimura M., Harada E. Study on Introduction of CO2 Free Energy to Japan with Liquid Hydrogen. Physics Procedia, 2015;(67):11–19 (in Eng.).Yamada, S. Study on 1 GW class hybrid energy transfer line of hydrogen and electricity [Text] / S. Yamada [et al.] // J. Phys.: Conf. Ser. – 2008. – Vol. 97. – P. 012167; doi:10.1088/1742-6596/97/1/012167.Yamada S., Hishinuma Y., Uede T., Schippl K., Yanagi N., Mito T., Sato M. Study on 1 GW class hybrid energy transfer line of hydrogen and electricity J. Phys.: Conf. Ser., 2008;97:012167; doi:10.1088/1742- 6596/97/1/012167 (in Eng.).Yamada, S. Conceptual design of 1 GW class hybrid energy transfer line of hydrogen and electricity [Text] / S. Yamada [et al.] // J. Phys.: Conf. Ser. – 2010. – Vol. 234. – P. 032064; doi:10.1088/1742- 6596/234/3/032064.Yamada S., Hishinuma Y., Uede T., Schippl K., Yanagi N., Mito T., Sato M. Conceptual design of 1 GW class hybrid energy transfer line of hydrogen and electricity J. Phys.: Conf. Ser., 2010;234:032064; doi:10.1088/1742-6596/234/3/032064 (in Eng.).Костюк, В.В. Криообеспечение ВТСП электрогенераторов и электродвигателей [Текст] / В.В. Костюк [и. др.]. – В кн. Инновационные технологии в энергетике. Прикладная высокотемпературная сверхпроводимость. – М.: Наука, 2016. – С. 77–114.Kostyuk V.V. et al. Cryosupply of hightemperature superconductors of electric generators and electric motors (Krioobespecheniye VTSP elektrogeneratorov i elektrodvigateley). In the book: Innovative technologies in power engineering. Applied high-temperature superconductivity. Moscow: Nauka Publ., 2016, pp. 77–114 (in Russ.).Антюхов, И.В. Теплообмен и гидродинамика в системах криообеспечения силовых ВТСП кабелей [Текст] / И.В. Антюхов [и др.]. – В кн. Инновационные технологии в энергетике. Прикладная высокотемпературная сверхпроводимость. – М.: Наука, 2010. – С. 99–130.Antyukhov I.V. et al. Heat transfer and hydrodynamics in cryogenic systems for power HTS cables (Teploobmen i gidrodinamika v sistemakh krioobespecheniya silovykh VTSP kabeley). In the book: Innovative technologies in power engineering. Applied high-temperature superconductivity. Moscow: Nauka Publ., 2010, p. 99–130 (in Russ.).Фирсов, В.П. Захолаживание кислородно- водородного двигателя и расходных магистралей разгонного блока 12КРБ [Текст] / В.П. Фирсов [и др.] // Научно-технические разработки КБ «Салют». – М.: Воздушный транспорт, 2006. – С. 362–373.Firsov V.A. et al. Cooling of the oxygenhydrogen engine and the consumption highways of the 12KRB booster block (Zakholazhivaniye kislorodnovodorodnogo dvigatelya i raskhodnykh magistraley razgonnogo bloka 12KRB). Moscow: Vozdushnyy transport Publ., 2006, pp. 362–373 (in Russ.).Фирсов, В.П. Комплект математических моделей ПГСП криогенного разгонного блока [Текст] / В.П. Фирсов, В.А. Гордеев // Научно-технические разработки ОКБ-23 – КБ «Салют». – М.: Воздушный транспорт. 2006. – С. 320–331.Firsov V.P., Gordeyev V.A. A set of mathematical models of the PGSP of the cryogenic upper stage (Komplekt matematicheskikh modeley PGSP kriogennogo razgonnogo bloka). Scientific and technical developments OKB-23 – KB “Salyut”. M.: Vozdushnyy transport Publ., 2006, pp. 320–331 (in Russ.).Галеев, А.Г. К вопросу исследования процессов теплообмена при предстартовом захолаживании расходных магистралей ДУ разгонных блоков РН [Текст] / А.Г. Галеев [и др.] // Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» (ISJAEE). – 2015. – № 21. – С. 156–166.Galeev A.G., Фирсов В.П., Антюхов И.В., Га- леев А.В. To the issue of investigation of heat transfer processes during pre-start cooling of the service lines of remote control of upper stages of LV (K voprosu issledovaniya protsessov teploobmena pri predstartovom zakholazhivanii raskhodnykh magistraley DU razgonnykh blokov RN). International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology (ISJAEE), 2015;(21):156–166 (in Russ.).Костюк, В.В. Теплообмен и гидродинамика в криогенных двигательных установках [Текст] / В.В. Костюк, В.П. Фирсов – М.: Наука. 2015.Kostyuk V.V., Firsov V.P. Heat transfer and hydrodynamics in cryogenic propulsion systems (Teploobmen i gidrodinamika v kriogennykh dvigatel'nykh ustanovkakh). Moscow: Nauka Publ., 2015 (in Russ.).Galeev, A.G. Research of heat transfer processes during pre-launch chilldown of PS consumption lines of upper-stage LV [Text] / A.G. Galeev [et al.] // International Journal of Hydrogen Energy. – 2017. – Vol. 42. – Iss. 38. – P. 24448–24457.Galeev A.G., Firsov V.P., Antyukhov I.V., Galeev A.V. Research of heat transfer processes during pre-launch chilldown of PS consumption lines of upperstage LV. International Journal of Hydrogen Energy, 2017;42(38):24448–24457 (in Eng.).Чизхолм, Д. Двухфазные течения в трубопроводах и теплообменниках [Текст] / Д. Чизхолм. // М.: Недра, 1988. – 203 с.Chisholm D. Two-phase flows in pipelines and heat exchangers (Dvuhfaznye techeniya v truboprovodah i teploobmennikah). Moscow: Nedra Publ., 1988, p. 203 (in Russ.).Смоленцев, А.А. Длительное хранение жидкого кислорода в баке объединенной двигательной установки орбитального корабля «Буран» [Текст] / А.А. Смоленцев, Б.А. Соколов, Е.Н. Туманин // Космическая техника и технология. – 2013. – № 3. – С. 46–56.Smolentsev A.A., Sokolov B.A., Tumanin E.N. Long-term storage of liquid oxygen in the tank of the combined propulsion system of the orbital ship Buran (Dlitel'noye khraneniye zhidkogo kisloroda v bake ob"yedinennoy dvigatel'noy ustanovki orbital'nogo korablya “Buran”). Space technology and technology, 2013;(3):46–56 (in Russ.).Калинин, Э.К. Структура потока при пленочном кипении в вертикальных трубах [Текст] / Э.К. Калинин, В.П. Фирсов [Текст] // ИФЖ. – 1987. – № 6. – Т. 53. – С. 885–892.Kalinin E.K., Firsov V.P. Structure of the flow in film boiling in vertical pipes (Struktura potoka pri plenochnom kipenii v vertikal'nykh trubakh). IFZH, 1987;53(6):885–892 (in Russ.).www.flowfision.ru [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.flowfision.ru (Дата обращения: 01.10.17.).www.flowfision.ru Available on: http://www/flowfision.ru (01.10.2017).Wilcox, D.C. Turbulence modeling for CFD [Text] / D.C. Wilcox // DCW Industries, Inc. 1994. – 460 p.Wilcox D.C. Turbulence modeling for CFD. DCW Industries, Inc. 1994, 460 p. (in Eng.).

The authors declare that there are no conflicts of interest present.