Модернизация экспериментального стенда по исследованию процессов тепломассопереноса в сверхтекучем гелии *

Работы выполнены в рамках проекта Российского Научного Фонда №19-19-00321 «Теплоперенос при кипении гелия-II в различных условиях: эксперименты и развитие теории» в 2019 году. (Подготовлено Пузиной Ю.Ю.)

1. Переливное устройство для жидкого гелия

Для заправки экспериментального криостата жидким гелием из транспортного сосуда СТГ-40 [Крюков А.П., Королев П.В., Пузина Ю.Ю. «Экспериментальное исследование кипения He-II внутри пористого тела» // Прикладная механика и техническая физика, 2017, №4. С. 126-134.] произведена замена переливного устройства (рис. 1). Это позволило сократить время заправки, уменьшить потери жидкого гелия в процессе эксперимента, т.к. новое переливное устройство П-образной формы хорошо держит вакуум, внутренние части не обмерзают, длина (1500 мм) позволяет располагать транспортный сосуд на комфортном для проведения работ расстоянии.

Рис. 1. Переливное устройство: схема и фотография во время эксперимента.

2. Конструкции нагревателей

Нагревательный элемент [Korolyov P.V., Kryukov A.P., Puzina Yu.Yu., Yachevsky I.A. The formation of a closed vapor film during the boiling of helium II on a cylindrical heater inside the porous structure // Journal of Physics: Conf. Series 1675 (2020) 012059] представляет собой тонкостенную (δ < 0.5 мм) медную трубку наружным диаметром 4 мм и длиной 30 мм (рис. 2). Внутрь трубки 1 вставлен керамический стержень 3 диаметром 2,8 мм с намотанной на него изолированной тонкой (диаметром 50 мкм) нихромовой проволокой 5 длиной около метра. Проволоку ограничивает термоусадочный уплотнительный материал 2, который с одной стороны обеспечивает плотность укладки витков нагревательного элемента, с другой – устойчивый контакт с внешней трубкой. Тем самым обеспечивается равномерность распределения теплового потока вдоль поверхности. С торцов конструкция изолируется эпоксидной смолой 4.

Рис. 2. Конструкция нагревателя: 1 – медная трубка; 2 – уплотнительная трубка;
3 – керамический стержень; 4 – торцевая заглушка; 5 – проволока.

Второй вариант нагревателя отличается от первого геометрическими размерами: диаметр тонкостенной медной трубки равен 3 мм (но длина также равна 30 мм). Сопротивление нихромовой проволоки нагревателя при комнатной температуре равняется 106 Ом. На гелиевом уровне температур этот нагреватель позволяет получить тепловую нагрузку до 80 кВт/м².

Нагреватель диаметром 4 мм установлен в горизонтальном положении вне экспериментальной ячейки на специальном держателе, прикрепленном к внешней стороне медной обечайки экспериментальной ячейки. При этом нагреватель располагается под ячейкой во внутреннем сосуде Дьюара, заполненном Не-II. Таким образом, экспериментальная ячейка позволяет проводить исследования кипения гелия-II на нагревателе внутри пористой оболочки и на нагревателе, висящем в «большом объеме».

3. Калиброванные криогенные температурные датчики на основе резисторов ТВО и измерительный блок

Температура нагревателя измеряется калиброванным криогенным температурным датчиком на основе резистора ТВО (термовлагостойкого опрессованного) отечественного производства. Данный термодатчик прикреплен к внешней боковой поверхности нагревателя вблизи Г-образного металлического держателя. В месте крепления датчика поверхность нагревателя сделана уплощенной и немного зашлифована. Термодатчик прижимается к поверхности нагревателя миниатюрной консолью (рис. 3).

Эти калиброванные температурные Т-датчики на основе ТВО резисторов, отличающиеся высоким качеством, были приобретены в ходе реализации проекта за отчетный период у отечественного производителя (Дубна, Россия). Чувствительная часть композитного датчика TВO состоит из углеродных зерен размером ~20 нм (~4%), встроенного в матрицу/наполнителя из оксида алюминия (~90 %) и бор - свинцового связующего (~6%). Такие Т-датчики подбирались не только по результатам термоциклирования температур резисторов ТВО, но и с учетом калибровочных и установочных характеристик, а также пост-калибровочных измерений: [Yu.P. Filippov, V.V. Miklyaev A comparison of Two Kinds of TVO Cryogenic Temperature Sensors. Cryogenics. Vol. 100 (2019). P.85-91].

Рис. 3. Внешний вид нагревателя с прикрепленным термодатчиком.

Второй калиброванный криогенный температурный датчик установлен на внутренней поверхности пористой оболочки. Третий температурный датчик прикреплен на внешней стороне медной обечайки экспериментальной ячейки. Четвертый датчик температуры свободно висел во внутреннем сосуде Дьюара. Встроенное в управляющий блок программное обеспечение с выводом данных в реальном времени на управляющий блок сохраняет измеряемые значения в лог файл форматом .txt (рис. 4). Получение показаний температур нагревателя в реальном времени позволяет более тонко контролировать процесс эксперимента. Благодаря этому, в некоторых экспериментах стало возможным мониторинг и контроль температуры нагревателя, что в свою очередь, позволило поддерживать устойчивый режим пленочного кипения.

Рис. 4. Вид выходных данных с терморезисторов.

4. Эксперимент в свободном объеме

Вначале был проведен тестовый эксперимент с нагревателем новой конструкции, диаметр которого равен 4 мм [И.А. Ячевский, П.В. Королев «Сравнение процессов кипения He-II на цилиндрическом нагревателе в свободном объеме и в стеснённых условиях». Тезисы докладов двадцать шестой Международной научно-технической конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика»: М.: ООО Центр полиграфических услуг «Радуга» 2020 г. стр.839]. При этом нагреватель находился не в экспериментальной ячейке, а в «большом объеме», т.е. во внутреннем сосуде Дьюара, заполненном Не-II. В эксперименте визуализация пленочного кипения гелия-II в «большом объеме» впервые осуществлялась при наблюдении с торца цилиндрического нагревателя.

При подаче тепловой нагрузки на поверхности нагревателя, погруженного на определенную глубину в сверхтекучий гелий, возникала паровая пленка конечной толщины (рис. 5).
Для представленных фрагментов видеозаписи q_w = 2,9·10₄ Вт/м², h = 45 мм.
После включения нагревателя паровая пленка в течение десятков секунд увеличивалась в размерах, сохраняя при этом очертания коаксиальные нагревателю. Этот рост пленки был вызван с одной стороны ростом температуры гелия-II вследствие увеличения давления в криостате (с 1,2 до 4,6 кПа), обусловленным испарением, а с другой стороны соответствующим незначительным уменьшением уровня жидкости. При этом процессы тепломассопереноса в паровой пленке и в окружающей жидкости можно рассматривать как квазистационарные, поскольку изменения макропараметров происходят существенно медленнее, чем установление нового стационарного состояния внутри паровой пленки. После достижения пленкой некоторого размера происходил срыв режима бесшумового пленочного кипения и переход к шумовому кипению: пленка теряла гладкие очертания и вокруг нее наблюдались конвективные течения жидкости.

Рис. 5. Этапы формирования паровой пленки:
а) 2 с; б) 5с; в) 11 с; г) 36 с.

Таким образом, проведенный новый эксперимент, направленный на изучение пленочного кипения He-II на поверхности цилиндра диаметром 4 мм, висящего в "большом объеме", позволил впервые наблюдать устойчивую паровую пленку с торца цилиндра, увидеть ее формирование, рост и нарушение ее устойчивого состояния, т.е. смену режима кипения.

5. Эксперимент в замкнутом пространстве

Второй эксперимент был выполнен на нагревателе диаметром 3 мм, расположенном по оси цилиндрической пористой оболочки [Korolyov P.V., Kryukov A.P., Puzina Yu.Yu., Yachevsky I.A. The formation of a closed vapor film during the boiling of helium II on a cylindrical heater inside the porous structure // Journal of Physics: Conf. Series 1675 (2020) 012059 doi:10.1088/1742-6596/1675/1/012059]. После подачи нагрузки на нагреватель фиксировались давление паров жидкого гелия в криостате, ток и напряжение на нагревателе, температура нагревателя, температуры на внутренней поверхности пористой оболочки, внешней поверхности обечайки, и температура жидкого гелия в сосуде Дьюара. В тех случаях, когда плотность теплового потока с поверхности нагревателя была меньше пикового значения, наблюдалось некоторое повышение температуры нагревателя, но закипания гелий-II происходило.

При повышении нагрузки до некоторого значения, соответствующего величине пикового теплового потока, зависящего от глубины погружения нагревателя в гелий-II, наблюдалось два варианта развития событий (рис. 6):

1. На поверхности нагревателя образовывались паровые пузыри, пар собирался в верхней части внутренней полости пористой оболочки, постепенно вытесняя из полости жидкий гелий, в этом случае нагреватель приходилось отключать.

2. На поверхности нагревателя образовывалась замкнутая паровая пленка, отрыва пузырей не происходило, но наблюдался шумовой режим пленочного кипения сверхтекучего гелия: межфазная поверхность жидкость-пар колебалась, изменяя свою форму.

В первом случае, наблюдавшемся при глубине погружения порядка 10 см и более, можно предполагать переход сверхтекучего гелия в нормальное состояние вблизи поверхности нагревателя и последующее закипание гелия-II с образованием пузырей. Второй вариант процесса кипения наблюдался при относительно небольших глубинах погружения нагревателя, и в этом случае жидкий гелий над экспериментальной ячейкой в некоторых сеансах подачи нагрузки отсутствовал так, что уровни жидкости в сосуде Дьюара и в экспериментальной ячейке совпадали, нагреватель выключался по причине падения уровня жидкого гелия в ячейке. Если же ячейка оставалась целиком погруженной в гелий-II, то внутренняя полость пористой оболочки была полностью заполнена жидкостью.

Рис. 6. Гелий-II кипит на цилиндрическом нагревателе в полости внутри пористой оболочки.

В этих экспериментах температура нагревателя повышается до 20-25 К, о чем свидетельствует датчик температуры. В некоторых экспериментах была достигнута максимальная температура нагревателя 130 К. Температура гелия-II вблизи внутренней поверхности пористой структуры и температура гелия в свободном объеме также увеличивались.

Если нагреватель не выключался, давление в сосуде Дьюара начинало довольно быстро расти, а температура насыщенного жидкого гелия повышалась. Переход жидкого гелия в сосуде Дьюара из сверхтекучего в нормальное состояние происходил при температуре 2,17 К, и эта температура наблюдалась в то время по показаниям датчика температуры, свободно висящего в He-II. Таким образом, в некоторых случаях весь сверхтекучий гелий, заполняющий криостат, переходил в нормальное состояние.

Проведенные опыты показали полную работоспособность экспериментальной ячейки с нагревателем нового типа и всей экспериментальной установки. При этом скорость уменьшения уровня жидкого гелия во внутреннем сосуде была относительно мала, вследствие чего времени падения уровня достаточно для проведения нескольких сеансов включения нагревателя.

Все датчики температур давали показания, не противоречащие расчетным оценкам, и переход жидкого гелия из сверхтекучего состояния в нормальное наблюдался при показании свободно висящего датчика равном 2,17 К.

6. Источник питания программируемый RIGOL DP821A

Прецизионный программируемый источник питания Rigol DP821A (рис. 7) имеет хорошие технические характеристики: низкий уровень шумов и пульсаций, высокую точность установки напряжения и тока. В источнике питания Rigol DP821A применён уникальный инновационный графический интерфейс, обеспечивающий цифровую, аналоговую и графическую формы отображения параметров в реальном времени. На выходе источника питания DP821A можно провести контроль выходных параметров с возможностью регистрации данных и их дальнейшего анализа. Кроме того, источник питания DP821A позволяет запрограммировать выходные параметры, задержку и условия для синхронизации.

Рис. 7. Внешний вид источника питания RIGOL DP821A

Основные характеристики

–––––––––––––
* Korolyov P.V., Kryukov A.P., Puzina Yu.Yu., Yachevsky I.A. The formation of a closed vapor film during the boiling of helium II on a cylindrical heater inside the porous structure // Journal of Physics: Conf. Series 1675 (2020) 012059 doi:10.1088/1742-6596/1675/1/012059

Следующая страница: Эксперименты по движению сверхтекучего гелия в канале с монодисперсной засыпкой