Особенности кипения сверхтекучего гелия как криоагента на плоском нагревателе внутри вертикального канала

Цель. Целью работы является исследование процессов тепломассопереноса при кипении He–II как криоагента на плоской поверхности нагрева внутри цилиндрического канала при глубинах погружения, сопоставимых с его высотой.

Метод. Исследование основано на применении методов термодинамического анализа, натурного и вычислительного моделирования процессов и объектов криогенной техники.

Результат. Представлена схема экспериментальной ячейки, а также методика проведения эксперимента и обработки данных. Внимание уделяется поведению межфазной поверхности в зависимости от различных параметров эксперимента: давления над зеркалом жидкости, удельной тепловой нагрузки и высоты столба жидкости над нагревательным элементом. Предложена классификация режимов кипения в вертикальном канале в зависимости от визуального характера процессов на межфазной поверхности жидкость-пар. Построены зависимости положения уровня жидкости в канале от времени. Проведено сравнение всех серий, выявлены закономерности между скоростью межфазной поверхности, разностью температур в жидкости и глубиной погружения нагревательного элемента в сверхтекучий гелий. Составлен тепловой баланс для испарившейся жидкости с целью оценки потерь тепла в свободный объем.

Вывод. При разработке и проектировании систем с использованием сверхтекучего гелия в качестве криоагента можно предполагать морфологию межфазной поверхности и соответствующий рабочий режим установки.

1. Takada S., Kobayashi H., Murakami M. and Kimura N. Comparative Study of Heat Transfer Performance and Visualization Images of Superfluid Helium Boiling in Narrow Two-dimensional channel// IOP Conf. Series: Materials Science and Engineering, 2020. № 012142.

2. Takada S., Kimura N., Pietrowicz S., Grunt K., Murakami M., Okamura T. Visualization of He II boiling process under the microgravity condition for 4.7 s by using a drop tower experiment// Cryogenics, 2017, 89, p. 157-162. № 897 012013

3. Пузина Ю.Ю., Крюков А.П. Режимы кипения гелия II на цилиндрическом нагревателе внутри пористой структуры// Теплофизика высоких температур, 2023. Т.61, № 4, С. 619-624.

4. Bondarenko V.L., Kupriyanov M.Yu., Verkhovny A.I., Kutsko A.G., and Sirota K.K. Influence of porous medium geometric parameters on superfluid 4he entropy filter operation // Chemical and Petroleum Engineering, 2022, Vol. 58.

5. Bondarenko V.L., Gafov A.P. Estimation of cost of He-3 isotope extraction from natural helium by cryogenic methods. Vestn. MGTU im. N.E. Baumana, Ser. Mashinostr., 2012; 8: 54–61.

6. Allain H., Quintard M., Prat M., Baudouy B. Upscaling of superfluid helium flow in porous media. International Journal of Heat and Mass Transfer. 2010; 53: 4852–4864.

7. Серебров А.П., Лямкин В.А., Фомин А.К., Онегин М.С. Источник ультрахолодных нейтронов на основе сверхтекучего гелия для реактора ПИК // Журнал технической физики, 2022, том 92, вып. 6.

8. Liming Zhu, Dajun Fan, Peng Zhang, Jun Wen, Yongping Hu, Xianjin Wang, Yugang Zhao, Yuxuan Wang, Junhui Zhang, Xiaofei Niu. Performance evaluation of plate heat exchangers with chevron-type corrugation pattern for the superfluid helium cryogenic system. Case Studies in Thermal Engineering, 2025, 106359.

9. Xin Zhang, Longyu Yang, Yixin Wang, Xueshuo Shang, Wendi Bao, Ziyi Li, Cheng Shao, Zheng Cui. Cryogenic helium flow in adiabatic capillary tubes: Numerical insights into choked flow and superfluid behavior in Joule-Thomson cryocoolers. // Cryogenics, 2025, Vol. 147.

10. Shen Y, Liu D, Chen S, Zhao Q, Liu L, Gan Z. Study on cooling capacity characteristics of an open-cycle Joule-Thomson cryocooler working at liquid helium temperature. // Appl Therm Eng, 2020, P. 166.

11. Qu Qianxi, Wang Liguo, Chen Huan, Dai Niannian, Jia Peng, Xu Dong, Li Laifeng. Study on flow characteristics of the cryogenic throttle valve for superfluid helium system. // Cryogenics, 2024, Vol. 138.

12. Lisowski E, Filo G. CFD analysis of the characteristics of a proportional flow control valve with an innovative opening shape. // Energ Conver Manage, 2016, V. 123, P. 15–28.

13. Jin Shang, Cui Lv, Jinzhen Wang, Huaiyu Chen, Sihao Liu, Ziwei Li, Linghui Gong, Jihao Wu. Development of cold compressors for a 500 W@2K superfluid helium refrigeration system. Cryogenics, 2023; 123.

14. Durañona U., Abdel Maksoud W., Baudouy B., Berriaud C., Calvelli V., Dilasser G., Lorin C., Lottin J.-P., Pontarollo T., Stacchi F. Design of a magnet to study quench propagation in a Cable-In-Conduit-Conductor filled with stagnant superfluid helium. // Cryogenics, 2022, Vol. 125.

15. Berriaud C, Maksoud WA, Calvelli V, Dilasser G, Juster F-P, Madur A. Conductor Design of the Madmax 9 T Large Dipole Magnet. IEEE Trans Appl Supercond, 2020, V. 30, P. 1–5.

16. Caldwel A., Dvali G., Majorovits B., Millar A., Raffelt G., Redondo J., Reimann O., Simon F., Steffen F. Dielectric Haloscopes: A New Way to Detect Axion Dark Matter. Physical Review Letters, 2017, Vol.118

17. Vitrano A., Stepanov V., Authelet G., Baudouy B. Experimental study of three-phase helium mixtures in confined channels. // Cryogenics, 2023, Vol. 135.

18. Vitrano A, Baudouy B. Double phase transition numerical modeling of superfluid helium for fixed nonuniform grids. // Comput Phys Commun, 2022, V. 273.

19. Королев П.В., Крюков А.П. Методика расчета фазового сепаратора с прямыми капиллярными каналами для разделения сверхтекучего гелия и его паров. // Вестник МЭИ, 2024. № 4, С. 133-142.

20. Korolev P.V., Kryukov A.P., Puzina Y.Y. Experimental study of the boiling of superfluid helium (he-ii) in a porous body. // Journal of applied mechanics and technical physics, 2017, № 4. P. 679-686

21. Puzina Yu.Yu., Kryukov A.P. Recovery heat flux at superfluid helium boiling in a U-shape channel with a porous backfill. // Cryogenics, 2024, V. 141, 103864.

22. Kryukov A.P., Van Sciver S.W. Calculation of the recovery heat flux from film boiling in superfluid helium. // Cryogenics, 1981, V. 21.

23. Kryukov A.P., Mednikov A.F. Experimental study of HE-II boiling on a sphere. // Journal of Applied Mechanics and Technical Physics, 2006. V. 47. P. 836–841.

24. 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.

25. Тепло и массоперенос на межфазных поверхностях конденсат—пар. / Крюков А.П., Левашов В.Ю., Жаховский В.В., Анисимов С.И. // Успехи физических наук, 2021. Т. 191, С. 113–146.

26. Levashov V.YU., Kryukov A.P., Kusov A.L. Flow structure near an evaporation surface. // Fluid Dynamics, 2024. V.59. № 6, С. 1850-1859.