22
Analiza zjawisk termo- hydraulicznych w kablu nadprzewodnikowym typu CICC z centralnym kanałem chłodzącym dr inż. Monika Lewandowska

Analiza zjawisk termo-hydraulicznych w kablu nadprzewodnikowym typu CICC z centralnym kanałem chłodzącym

  • Upload
    ken

  • View
    38

  • Download
    0

Embed Size (px)

DESCRIPTION

Analiza zjawisk termo-hydraulicznych w kablu nadprzewodnikowym typu CICC z centralnym kanałem chłodzącym . dr inż. Monika Lewandowska . Plan seminarium. Wprowadzenie Cable in Conduit Conductors (CICC’s) CICC’s w tokamaku ITER Istota zjawiska termosyfonu Charakterystyka badanej próbki - PowerPoint PPT Presentation

Citation preview

Page 1: Analiza zjawisk termo-hydraulicznych w kablu nadprzewodnikowym typu  CICC  z centralnym kanałem chłodzącym

Analiza zjawisk termo-hydraulicznychw kablu nadprzewodnikowym typu CICC

z centralnym kanałem chłodzącym

dr inż. Monika Lewandowska

Page 2: Analiza zjawisk termo-hydraulicznych w kablu nadprzewodnikowym typu  CICC  z centralnym kanałem chłodzącym

Plan seminarium

• Wprowadzenie– Cable in Conduit Conductors (CICC’s)– CICC’s w tokamaku ITER– Istota zjawiska termosyfonu

• Charakterystyka badanej próbki• Opis eksperymentu• Wyniki• Perspektywy

Page 3: Analiza zjawisk termo-hydraulicznych w kablu nadprzewodnikowym typu  CICC  z centralnym kanałem chłodzącym

Cable in Conduit Conductors (CICC’s)

HoleBundle

Scheme of the early CScheme of the early CIICC proposalCC proposal

Modern realizations of CICCs to be applied in magnets for fusion

technology

Page 4: Analiza zjawisk termo-hydraulicznych w kablu nadprzewodnikowym typu  CICC  z centralnym kanałem chłodzącym

Przekrój typowej żyły kabla nadprzewodnikowego typu CICC

Page 5: Analiza zjawisk termo-hydraulicznych w kablu nadprzewodnikowym typu  CICC  z centralnym kanałem chłodzącym

The ITER project

• InternationalThermonuclearExperimentalReactor

• Aim: produce energy from nuclear fusion

• High magnetic field (11 T) to confine the hot plasma

• Heavy heat loads on the coils due to neutron flux

CICC’s mandatory!

Page 6: Analiza zjawisk termo-hydraulicznych w kablu nadprzewodnikowym typu  CICC  z centralnym kanałem chłodzącym

Central Solenoid: 1152 Nb3Sn Strands, 13 T, 45 kA Toroidal Field Coil: 900 Nb3Sn

+ 522 Cu Strands, 68 kA, 11.3 T

Poloidal Field Coil: 1440 NbTi Strands, < 45 kA, < 6 T

CICC’s in ITER

Page 7: Analiza zjawisk termo-hydraulicznych w kablu nadprzewodnikowym typu  CICC  z centralnym kanałem chłodzącym

Gravity-buoyancy effect in a dual channel CICC

In a vertically oriented dual channel CICCwith the coolant flowing downward, power deposition in the bundle region causes the reduction of the flow velocity due to the reduced density of helium. Eventually, the back-flow can occur, leading to quench.

Page 8: Analiza zjawisk termo-hydraulicznych w kablu nadprzewodnikowym typu  CICC  z centralnym kanałem chłodzącym

Charakterystyka badanego kabla (ITER TF)

Supercond. strands Sub cable Sub-cable wrap Central spiral Final cabling stage Bundle void fractionCable jacket

ø 0.82 mm, 2 μm Cr plating, Cu/nonCu = 1(2 sc + 1 Cu)×3×5×5 strands + 3×4 Cu coreSingle layer 70 μm steel foil, ~50% coverageInner/outer ø 7/9 mm, 30% open surface6 wrapped sub cables, 443.3 mm twist pitch0.332Inner/outer ø 40.5/43.7 mm, 316 LN steel

Page 9: Analiza zjawisk termo-hydraulicznych w kablu nadprzewodnikowym typu  CICC  z centralnym kanałem chłodzącym

Schemat oprzyrządowania

próbki

Page 10: Analiza zjawisk termo-hydraulicznych w kablu nadprzewodnikowym typu  CICC  z centralnym kanałem chłodzącym

Fotografie oprzyrządowania próbki

Page 11: Analiza zjawisk termo-hydraulicznych w kablu nadprzewodnikowym typu  CICC  z centralnym kanałem chłodzącym

Experimental setupSULTAN = SUpraLeitende TestANlage

= Test facility for superconductors

Supercritical He:

Tinlet = 4.5 K or 6.5 K

pinlet = 1 MPa

= 10 g/smaxm

Page 12: Analiza zjawisk termo-hydraulicznych w kablu nadprzewodnikowym typu  CICC  z centralnym kanałem chłodzącym

Typical set of raw data

0 200 400 600 800 1000 1200 14006,2

6,4

6,6

6,8

7,0

7,2

7,4

7,6

7,8

5

6

7

0,0

0,5

1,0

1,5

2,0

2,5

Tem

pera

ture

[K]

time [s]

T in T0 TL1 TR1 TL2 TL3 TL4 TR4 TL5 TL6 TR6 TL7 TR7 T8 T out

mas

s flo

w ra

te [g

/s]

Hea

ter c

urre

nt [

A]

Page 13: Analiza zjawisk termo-hydraulicznych w kablu nadprzewodnikowym typu  CICC  z centralnym kanałem chłodzącym

Results

R.Herzog, M.Lewandowska, M.Calvi, M.Bagnasco. C.Marinucci, P.Bruzzone, Helium flow and temperature distribution in a heated dual channel CICC sample for ITER, accepted for publication in IEEE Transactions of Applied Superconductivity

• We measured and analysed the temperature deviations from the 1D model, which assumes homogenous temperature in every cross section n

• After a heated region the deviations ΔT disappear exponentially with distance.

• The magnitude of ΔT is proportional to the heating power per unit length and inversely to the mass flow rate.• ΔTmax may be readily estimated from the obtained results.

Page 14: Analiza zjawisk termo-hydraulicznych w kablu nadprzewodnikowym typu  CICC  z centralnym kanałem chłodzącym

Assessment of the helium velocity in the cooling channel and in the bundle

vH was estimated from the time delay between the rising edges of spot heater SHa current and TRa readings.

Page 15: Analiza zjawisk termo-hydraulicznych w kablu nadprzewodnikowym typu  CICC  z centralnym kanałem chłodzącym

Friction factor correlations

Hole• ITER DDD

• Zanino

Bundle• ITER DDD

• Katheder

• Porous medium D-F

• Porous medium A

034.0Re45.0 HHEuf

75.32ln5.22)(

HhUSH Dh

fhR

299.0

039.088.11)(

hghhR

2/Re HUSHHh

fD

hh

R. Zanino, et al., IEEE Trans. Appl. Supercon. 10 (2000) 1066-1069

h – spiral height, w – width, g – gap

051.0

Re5.191

88.072.0B

BEuf

0231.0

Re5.1917953.0742.0

BBEuf

baf BBUS Re/

14.0Re/Re/ BBBUS baf

H. Katheder, Cryogenics 34 (1994) 595–598 [ICEC supplement]M. Bagnasco, et al, CHATS AS 2008

Page 16: Analiza zjawisk termo-hydraulicznych w kablu nadprzewodnikowym typu  CICC  z centralnym kanałem chłodzącym

Pressure drop and helium

velocity in TFS experimental

data and simulation

0 4 8 1 2to ta l m a ss f lo w ra te (g /s)

0

2 0 0

4 0 0

6 0 0

pres

sure

gra

dien

t at 4

.4 K

(Pa/

m) H o le fric tio n fa c to r: Z a n in o

T F S -0 7W 1 d a taK a th e d e rP o ro u s m e d iu m D -FIT E R D D DP o ro u s m e d iu m A

0 4 8 12to ta l m a ss f lo w ra te (g /s)

0

2 0 0

4 0 0

6 0 0

pres

sure

gra

dien

t at 4

.4 K

(Pa/

m) H o le fric tio n fa c to r: IT E R D D D

T F S -0 7 W 1 d a taK a th ed e rP o ro u s m e d iu m D -FIT E R D D DP o ro u s m e d iu m A

Page 17: Analiza zjawisk termo-hydraulicznych w kablu nadprzewodnikowym typu  CICC  z centralnym kanałem chłodzącym

Pressure drop and flow velocitiesexperimental data and final model

0 4 8 1 2m a ss f lo w ra te (g /s )

0

10 0

20 0

30 0

40 0

50 0

pres

sure

gra

dien

t at 4

.4 K

(Pa/

m) T F S -0 7 W 1 d a ta

H o le : 0 .7 5 * IT E R D D DB u n d le : 0 .7 3 * K a th ed e r

0 4 8 1 2m a ss f lo w ra te (g /s)

0

2 0

4 0

6 0

8 0

velo

city

(cm

/s)

H o le : 0 .7 5 * IT E R D D DB u n d le : 0 .7 3 * K a th e d e r

v H (M L )v H (M C )v B (M L )v H m o d e lv B m od e l

)(

totaltotal

B mfmm

Page 18: Analiza zjawisk termo-hydraulicznych w kablu nadprzewodnikowym typu  CICC  z centralnym kanałem chłodzącym

Heat transfer in the ITER TF conductor

Page 19: Analiza zjawisk termo-hydraulicznych w kablu nadprzewodnikowym typu  CICC  z centralnym kanałem chłodzącym

Stationary two-channel model

QTTphx

TCm

TTphx

TCm

BHBHB

pB

HBBHH

pH

temperature in the cooling hole

temperature in the cable bundle

mH

mB

phBH

TB

TH

B.Renard, et al , Evaluation of thermal gradients and thermosiphon in dual channel cable-in-conduit conductors, Cryogenics 46 (2006) 629-642

Lx

LxLPxQ

00/

)(

)/(

,

ptotalinref

refrefpp

CmPTT

pTCC

Constant thermophysical parameters

Analytical solution

BHBHHH

BHBB hhxTThxTT

),(),(

Page 20: Analiza zjawisk termo-hydraulicznych w kablu nadprzewodnikowym typu  CICC  z centralnym kanałem chłodzącym

Average heat transfer coefficient between bundle and hole

0 4 8 1 2T o ta l m a ss f lo w ra te (g /s)

0

2 0 0

4 0 0

6 0 0

8 0 0

1 0 0 0

h BH (W

/(m2 K

))

T F S

C. Marinucci, et al, Analysis of the transverse heat transfer coefficients in a dual channel ITER-type cable-in-conduit conductor, Cryogenics 47 (2007) 563-576

Page 21: Analiza zjawisk termo-hydraulicznych w kablu nadprzewodnikowym typu  CICC  z centralnym kanałem chłodzącym

Temperature profiles along the sampleexperimental data and simulation

0 1 2 3 4x (m )

0

0 .5

1

1 .5

2

2 .5

T (K

)

H ea ters H 1+ H 2 P = 4 WP = 1 0 WP = 2 0 WP = 3 0 WP = 4 1 WP = 5 1 W

0 1 2 3 4x (m )

0

0 .5

1

1 .5

2

2 .5

T (K

)

H ea ter H 2P = 2 WP = 6 WP = 1 0 WP = 2 0 WP = 3 0 WP = 4 0 WP = 5 0 W

K) W/(m535

g/s 82

BH

total

h

m

Page 22: Analiza zjawisk termo-hydraulicznych w kablu nadprzewodnikowym typu  CICC  z centralnym kanałem chłodzącym

Thank you for your attention