ИСПАРИТЕЛЬНАЯ СИСТЕМА КРИООБЕСПЕЧЕНИЯ ПРОТЯЖЁННЫХ СИЛОВЫХ ВТСП КАБЕЛЕЙ

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.

1. Grant, P.M. Will MgB2 Work [Text] / P.М. Grant // The Industrial Physicist. – 2001. – Oct-Nov. – P. 22–23.

2. Grant, P.M. Energy for the City of the Future [Text] / P.M. Grant // The Industrial Physicist, Feb-Mar 2002, pp. 22–25.

3. 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.

4. 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.

5. 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.

6. 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.

7. 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.

8. 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.

9. 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.

10. 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.

11. 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.

12. 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.

13. Григорьев, В.А. Кипение криогенных жидкостей [Текст] / В.А. Григорьев, Ю.М. Павлов, Е.В. Аметистов. – М.: Энергия, 1977. – 288 с.

14. 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.

15. 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.

16. 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.

17. 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.

18. 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.

19. 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.

20. 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.

21. 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.

22. 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.

23. 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.

24. Костюк, В.В. Теплообмен и гидродинамика в криогенных двигательных установках [Текст] / В.В. Костюк, В.П. Фирсов – М.: Наука. 2015.

25. 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.

26. Чизхолм, Д. Двухфазные течения в трубопроводах и теплообменниках [Текст] / Д. Чизхолм. // М.: Недра, 1988. – 203 с.

27. 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.

28. 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.

29. www.flowfision.ru [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.flowfision.ru (Дата обращения: 01.10.17.).

30. Wilcox, D.C. Turbulence modeling for CFD [Text] / D.C. Wilcox // DCW Industries, Inc. 1994. – 460 p.