Водородный транспорт: безопасность, экономика
АВАРИЙНЫЕ РЕЖИМЫ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ СУПЕРИЗОЛЯЦИИ
ВОДОРОДНЫХ КРИОСТАТОВ
А. Л. Гусев
Научно-технический центр «ТАТА» а/я 787, Саров, Нижегородская область 607188, Россия Телефон: 8 (83130) 6-31-07, факс: 8 (83130) 6-31-07, e-mail: gusev@hydrogen.ru
Изложены теоретические модели возникновения эффузионно индуцированной водородной и теплопроводной неустойчивостей суперизоляции. Термодинамическое описание этих новых эффектов проведено с привлечением аппарата аналитической термодинамики. На основе вариационного описания процессов тепломассообмена для гетерогенной системы в приближении сплошной среды и с учетом электросорб-ционных процессов по водородно-водяному циклу Бардина-Бретайна-Шоккли получена формулировка математической модели процессов молекулярного тепломассообмена в суперизоляции.
Продемонстрирован принципиально новый подход к конструированию и расчету суперизоляции, который помимо радиационных и конвективных механизмов теплопроводности учитывает механизм вариации конвективной составляющей. При этом, вариации конвективной составляющей происходят за счет изменения состава и концентрации остаточной среды в результате электросорбционного процесса. Электросорбционный процесс возникает при наличии ярко выраженной водородной остаточной атмосферы на теплых экранах суперизоляции при изменениях концентрации воды в воздухе натекающем через микронеплотности в теплоизоляционную полость. Аварийные условия в криостатах возникают при появлении значительных тепловых потоков в криоагент, намного превышающих паспортные, по тепловым мостам и через теплоизоляцию. Во время длительной эксплуатации крупных криостатов, особенно в конце межрегламентного периода, в теплоизоляционных полостях накапливается остаточный водород. Водород, как правило, появляется в результате диффузии межрешеточного водорода из толстых теплых стенок кожуха кри-остата в вакуумную полость. Остаточная среда других газов формируется, в основном, за счет нате-кания атмосферного воздуха через микронеплотности. Микронеплотности в крупных криостатах есть всегда. В начале эксплуатации криостата они, как правило, незначительны, а потом, в связи с процессами в сварных швах, увеличиваются, по величине приближаясь к предельно допустимому значению.
Наиболее распространенные стратегии эксплуатации суперизоляции криостата строятся на жестко определенном межрегламентном периоде теплоизоляции. На данном этапе развития криогенной техники конструкторы, как правило, определяют межрегламентный
период сроком в один год. Однако такая позиция приводит к существенным эксплуатационным и энергетическим издержкам. Было бы разумнее стратегию планирования продолжительности регламентного периода строить с учетом динамики состояния конструкции криостата. В ряде работ постулируется возможность прогнозирования наступления экстремального периода эксплуатации криостата, а также планирования оптимальной продолжительности межрегламентных периодов. Вместе с тем, как показывает практика эксплуатации, при превышении межрегламентного периода в суперизоляции криостатов при определенных условиях могут возникать явления, препятствующие нормальной эксплуатации криостата. Однако проведение экстремальных плановых экспериментов на натурных крупных криостатах позволило доказать возможность управления этими эффектами с целью устранения отрицательного эффекта и получения положительного при невозможности проведения экстренного регламента суперизоляции. Кроме того, анализ этих явлений позволил построить модели, которые могут быть полезными при разработке принципиально новых вариантов исполнения суперизоляции. Эти процессы можно полностью прекратить, устранив их чрезвычайную опасность.
Эффектами в теплоизоляции можно управлять. Для создания новых образцов теплоизоляции с высоким эксергетическим КПД и высокой степенью безопасности должны быть разработаны новые теплоизолирующие структуры и конструкции. Определены основные тенденции дальнейшего развития суперизоляции. Продемонстрирован принципиально новый подход к конструированию и расчету суперизоляции, который, помимо радиационных и конвективных механизмов теплопроводности, учитывает механизм вариации конвективной составляющей. При этом вариации конвективной составляющей происходят за счет изменения состава и концентрации остаточной среды в результате электросорбционного процесса. Электросорбционный процесс возникает на теплых экранах суперизоляции при изменениях концентрации воды в натекающем в теплоизоляционную полость воздухе.
Эффекты ЕШК, ЕШСК, MADHM
В ходе натурных экспериментов эффекты: 1. Эффект эффузионно индуцированной водородной неус-
ISJAEE Специальный выпуск (2003)
Второй международный симпозиум «Безопасность и экономика водородного транспорта»
^ЕНТ-2003
тойчивости суперизоляции (ЕШК); 2. Эффект эффу-зионно индуцированной теплопроводной неустойчивости суперизоляции в криогенно-вакуумных объектах (ЕШСК); 3. Эффект мультипликации количества десорбирующихся молекул водорода (MADHM) по отношению к величине натекающих молекул влажного воздуха.
Открытые эффекты позволят глубже понять суть явлений, происходящих в слоистых теплоизолирующих системах.
Эффект эффузионно индуцированной водородной неустойчивости суперизоляции (ЕШК-эффект)
Эффект эффузионно индуцированной водородной неустойчивости суперизоляции заключается в возникновении в вакуумном пространстве суперизоляции колебаний давления остаточной водородной среды, вызваны адсорбционно-десорбционными процессами на металлизированных поверхностях суперизоляции. Генезис этих процессов вызывается возникновением и разрушением поверхностных состояний. Флуктуации концентрации остаточного водорода могут быть описаны в терминах процессов рождения-гибели. Увеличение концентрации ионизированного кислорода и воды в остаточной водородной среде до оптимального уровня способствует возникновению центров адсорбции водорода. При повышении концентрации воды в среде остаточной атмосферы наблюдается разрушение этих адсорбционных центров. Механизм десорбции может быть таким: 1) возбуждение поверхностных экситонов; 2) миграция объемных экситонов к поверхности образца; 3) рекомбинационные процессы зарядовых центров и электронов на поверхности дисперсоида размерно-квантованной пленки ЭВТИ.
При наличии эффузионной течи в кожухе изменение концентрации воды в остаточной среде симбат-но изменению относительной влажности в воздушной окружающей среде. Избыточное по отношению к рассмотренному циклу колебательного процесса количество воды вымораживается на более холодных экранах ЭВТИ за счет термодиффузии через пористый скелет экранов.
Эффект эффузионно индуцированной теплопроводной неустойчивости (ЕШС^-эффект)
Эффект заключается в возникновении колебаний теплопроводности теплоизоляции, определяемой вариациями концентрации водорода.
Изменяющаяся в динамике процесса Е1ШБ-эф-фекта концентрация водорода в остаточной газовой среде рассматривается как «тепловой мост», осуще-
ствляющий периодическую коммутацию теплового потока от кожуха криогенного резервуара к стенке криогенной емкости резервуара и, следовательно, к криогенной жидкости.
Эффект мультипликации десорбирующихся молекул водорода по отношению к натекающим молекулам влажного воздуха (MADHM-эффект)
В ходе экспериментов получено, что давление десорбировавшихся молекул водорода приблизительно в 21 раз превышает расчетное давление влажного воздуха, поданного через микротечь.
Таким образом, на полупроводниковой поверхности суперизоляции реализуется мультипликативный эффект.
Вариационное описание процессов тепломассообмена для гетерогенной системы с учетом электросорбционных процессов в приближении сплошной среды
Особенностью предлагаемой модели суперизоляции как сплошной среды является представление любого дифференциального объема в виде двухфазной системы (В. В. Чиковани, Н. В. Долгоруков, 1991). Между газообразной и твердой фазами происходит массобмен за счет процессов сорбции. Температура в пределах дифференциального объема считается одинаковой для обеих фаз. Сорбционную систему адсор-бент-адсорбат (твердую фазу) будем описывать параметрами, характеризующими ее в целом, т. е. без учета реального строения адсорбционной фазы. Такой подход позволяет использовать определяемые экспериментально характеристики газовыделения материалов суперизоляции и получать математическую модель, пригодную для описания процессов тепломассообмена как при наличии адсорбции газов в поверхностном слое, так и в микропорах материалов (В. В. Чикова-ни, Н. В. Долгоруков, 1991).
Для получения вариационной формулировки математической модели процессов молекулярного тепломассообмена в суперизоляции можно воспользоваться основным принципом классической феноменологической термодинамики:
N
8д = 81Рйг = 81XР(ад,-,XV= о, (1)
1-2 1-2 п=1
где Р — вектор в К-мерном пространстве макрофи-зических параметров состояния хп(п=1,..., Ы) термодинамической системы, характеризующий ее взаимодействие с внешней средой; Зг — дифференциал радиуса-вектора в том же пространстве.
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.