Instruments and Experimental TechniquesInstruments and Experimental TechniquesПриборы и техника эксперимента0032-81623034-5642The Russian Academy of Sciences69698710.31857/S0032816225030151ЛАБОРАТОРНАЯ ТЕХНИКАResearch ArticleМинимизация проблем при создании двухфазных расходомеров для криогеники и их особенности. Часть I. Диагностика потоков гелияМинимизация проблем при создании двухфазных расходомеров для криогеники и их особенности. Часть I. Диагностика потоков гелияFilippovY. P.ФилипповЮ. П.fyp@dubna.ruKovrizhnykhA. M.КоврижныхА. М.FilippovA. Y.ФилипповА. Ю.forsc2231@gmail.comJoint Institute for Nuclear ResearchОбъединенный институт ядерных исследованийGlowByteГлоуБайт / GlowByte150620253NO3 (2025)№3 (2025)9611025112025Copyright ©; 2025, Russian Academy of SciencesCopyright ©; 2025, Российская академия наук2025Russian Academy of SciencesРоссийская академия наукhttps://vietnamjournal.ru/0032-8162/article/view/696987

Предложены пути создания двухфазных расходомеров гелия в диапазоне массовых расходов от примерно 5–6 до более чем 1000 г/с. Принцип работы расходомеров основан на комбинации емкостных датчиков паросодержания с равномерным электрическим полем внутри чувствительных элементов для определения средней плотности двухфазной смеси и конических сужающих устройств для нахождения средней скорости потока. При этом могут использоваться емкостные датчики с чувствительными элементами как кругового, так и кольцевого поперечных сечений, существенно различающиеся чувствительностью. Рассмотрены особенности и проблемы, свойственные двухфазным расходомерам такого типа, к которым относится, прежде всего, влияние разнообразия режимов течения на характеристики сужающего устройства. Другая проблема состоит в учете влияния структуры двухфазного потока на определение его средней плотности. Еще одна проблема связана с возможными различиями между измеренными величинами перепадов давления в сужающем устройстве и ожидаемыми значениями, которые оценены посредством гомогенной модели в одном из предельных случаев течения двухфазных потоков. Показаны способы минимизации этих проблем посредством сочетания отдельных технических решений, которые уже проверены на практике. Представлены конкретные технические варианты двухфазных расходомеров гелия, в том числе проточный горизонтальный криостат, которые работоспособны во всем диапазоне истинных объемных паросодержаний от 0 до 1 при относительно небольшом общем гидравлическом сопротивлении проточной части расходомера. Показаны различия новых и предыдущих технических решений. Оценены неопределенности нахождения расхода двухфазных потоков гелия.

Предложены пути создания двухфазных расходомеров гелия в диапазоне массовых расходов от примерно 5–6 до более чем 1000 г/с. Принцип работы расходомеров основан на комбинации емкостных датчиков паросодержания с равномерным электрическим полем внутри чувствительных элементов для определения средней плотности двухфазной смеси и конических сужающих устройств для нахождения средней скорости потока. При этом могут использоваться емкостные датчики с чувствительными элементами как кругового, так и кольцевого поперечных сечений, существенно различающиеся чувствительностью. Рассмотрены особенности и проблемы, свойственные двухфазным расходомерам такого типа, к которым относится, прежде всего, влияние разнообразия режимов течения на характеристики сужающего устройства. Другая проблема состоит в учете влияния структуры двухфазного потока на определение его средней плотности. Еще одна проблема связана с возможными различиями между измеренными величинами перепадов давления в сужающем устройстве и ожидаемыми значениями, которые оценены посредством гомогенной модели в одном из предельных случаев течения двухфазных потоков. Показаны способы минимизации этих проблем посредством сочетания отдельных технических решений, которые уже проверены на практике. Представлены конкретные технические варианты двухфазных расходомеров гелия, в том числе проточный горизонтальный криостат, которые работоспособны во всем диапазоне истинных объемных паросодержаний от 0 до 1 при относительно небольшом общем гидравлическом сопротивлении проточной части расходомера. Показаны различия новых и предыдущих технических решений. Оценены неопределенности нахождения расхода двухфазных потоков гелия.

Авторы признательны заместителю директора Лаборатории физики высоких энергий (ЛФВЭ) ОИЯИ Г.Г. Ходжибагияну за полезное обсуждение работы.Alexeyev A.I., Filippov Yu.P., Mamedov I.S., Romanov S.V. // Cryogenics. 1991. V. 31. P. 1020. https://doi.org/10.1016/0011-2275%2891%2990123-EArkharov A.M., Glavatskikh S.B., Grechko A.G., Zherdev A.A. // Adv. Cryogenic Engin. 1998. V. 43A. P. 795. https://doi.org/10.1007/978-1-4757-9047-4_99Moerk J.S. et al. Two-phase quality flow meter. USA Patent 5861555. 1999.Ashmore R.H. Two-Phase Cryogenic Flowmeter: A Proof of Concept. The Florida State University. 2006.Filippov Y.P., Panferov K.S. // Proc. 11-th IIR International Conference on Cryogenics. Bratislava, Slovakia. 2010. P. 87.Khodzhibagiyan H.G.., Fischer E., Kovalenko A.D. // IEEE Trans. Appl. Supercond. 2006. V. 16/2. P. 411. https://doi.org/10.1109/TASC.2005.864339Filippov Y.P. // Physics Procedia. 2015. V. 67. P. 1129. https://doi.org/10.1016/j.phpro.2015.06.175Filippov Y.P., Panferov K.S. // Proc. of ICEC22. 2008. P. 583.Тоски Э., Ханссен Б.В., Смит Д., Теувени Б. // Нефтегазовое обозрение. 2003. С. 68.De Jonge T., Patten T., Rivetti A., Serio L. // Proc. ICEC19. Grenoble, France. 2002. P. 647.Кравченко В., Риккен М. // Законодательная и прикладная метрология. 2006. № 4. С. 37.Monroe E.S., Jr. // Transactions of ASME. 1956. V. 78. P. 373.Murdock J.W. Measuring the flow rate of a two-phase flow with orifice plate // Tech. Mech. 1962. V. 84(4). P. 8.Filippov Y.P., Panferov K.S. // Cryogenics. 2011. V. 51. P. 640. https://doi.org/10.1016/j.cryogenics.2011.09.013Filippov Y.P., Kakorin I.D., Kovrizhnykh A.M. // Cryogenics. 2013. V. 57. P. 55. https://dx.doi.org/10.1016/j.cryogenics.2013.05.004Филиппов А.Ю., Филиппов Ю.П. // Теплоэнергетика. 2022. № 5. С. 18. https://doi.org/10.1134/S0040363622050010Филиппов Ю.П., Филиппов А.Ю. // Тепловые процессы в технике. 2021. Т. 13. № 3. С. 98. https://doi.org/10.34759/tpt-2021-13-3-98-110Filippov Yu.P., Filippov A.Yu. // Flow Meas. Instrum. 2019. V. 68. P. 101578. https://doi.org/10.1016/j.flowmeasinst.2019.101578Filippov Yu.P., Kakorin I.D., Kovrizhnykh A.M., Miklayev V.M. // Phys. Part. Nucl. Lett. 2017. V. 14. N4. P. 602. https://doi.org/10.1134/S1547477117040082Trubnikov G., Agapov N., Aleksandrov V. et al. // Proc. of EPAC08. Genoa, Italy. 2008. P. 2581.Кремлевский П.П. Расходомеры и счетчики количества. Л.: Машиностроение, 1975.Filippov Yu.P. // Cryogenics. 2001. V. 41. P. 327. http: // dx.doi.org/10.1016/S0011-2275(01)00080-7Filippov Y.P., Kakorin I.D. // Cryogenics. 2016. V. 79. P. 63. https://doi.org/10.1016/j.cryogenics.2016.07.015Subbotin V.I., Deev V.I., Pridantsev A.I. et al. // Cryogenics. 1985. V. 25. P. 261. https://doi.org/10.1016/0011-2275(85)90207-3Filippov Yu.P. // Proc. of the Low Temperature Engineering and Cryogenics Conference (LTEC 90). Southampton, UK, 1990. С. 10.3.1.Нигматулин Б.И., Милашенко В.И., Николаев В.Е. // Теплофизика высоких температур. 1978. Т. 16. С. 1258.Архаров И.А., Какорин И.С. // Измерительная техника. 2020. № 7. С. 34. https://doi.org/10.32446/0368-1025it.2020-7-34-42Филиппов А.Ю., Филиппов Ю.П., Коврижных А.М. // ПТЭ. 2023. № 4. С. 132. https://doi.org/10.31857/S0032816223030047Filippov Yu.P. // Cryogenics. 1999. V. 39. P. 59. https://doi.org/10.1016/S0011-2275(98)2900114-3Мамедов И.С., Филиппов Ю.П. Структура потоков двухфазного гелия в канале горизонтальной ориентации. Сообщение ОИЯИ. Р8-81-40. 1981.Alexeyev A.I., Filippov Yu.P., Mamedov I.S. // Cryogenics. 1991. V. 31. P. 330. https://doi.org/10.1016/0011-2275(91)90105-6Theilacker J.C., Rode C.H. // Adv. Cryogenic Engineering. 1988. V. 33. P. 391. https://doi.org/10.1007/978-1-4613-9874-5_48Sauvage-Boutar E., Meuris C., Poivilliers J., Francois M.X. // Adv. Cryogenic Engineering. 1988. V. 33. P. 441. https://doi.org/10.1007/978-1-4613-9874-5_54Мамедов И.С., Микляев В.М., Пряничников В.И., Филиппов Ю.П. // Инженерно-физический журнал. 1983. Т. 44. С. 725.Filippov Yu.P. // Cryogenics. 1999. V. 39. P. 69. https://doi.org/10.1016/S0011-2275(98)00115-5Danilov V.V., Filippov Yu.P., Mamedov I.S. // Adv. Cryogenic Engineering. 1990. V. 35. P. 745. https://doi.org/10.1007/978-1-4613-0639-9_88Ко Гым Сек, Мамедов И.С., Филиппов Ю.П. Влияние массовой скорости на истинное объемное паросодержание потока двухфазного гелия. Сообщение ОИЯИ. Р8-87-505, Дубна, 1987.Селюнин С.Ю., Филиппов Ю.П. // Теплоэнергетика. 1988. № 9. C. 48.Мамедов И.С., Салимов С.Е., Филиппов Ю.П. Режимы течения двухфазного гелия в горизонтальных каналах. Сообщение ОИЯИ, Р8-84-505. Дубна, 1984.Filippov Y.P., Romanov S.V., Panferov K.S, Sveshnikov B.N. // Proc. of the 22-th International Cryogenic Engineering Conf. (ICEC 22). Seoul, Korea, 2008. P. 419.Filippov Y.P., Miklayev V.M. // Cryogenics. 2019. V. 100. P. 85. https://doi.org/10.1016/j.cryogenics.2019.05.001.Филиппов А.Ю., Филиппов Ю.П., Коврижных А.М. // ПТЭ. 2024. № 2. C. 156. https://doi.org/10.31857/S0032816224020206Konstantinov A., Khodzhibagiyan H., Agapov N., Mitrofanova I. // Proc. of the 14-th cryogenics International Conference. Dresden. Germany, 2017. P. 61. ISSN: 0151.1637, ISBN: 978-2-36215-022-7.Khodzhibagiyan H., Bleile A., Borisov V., Datskov V., Fischer E., Kostromin S., Mierau A., Nikiforov D. // IOP Conf. Ser.: Mater. Sci. Eng. 2019. V. 502. P. 012096. http: // dx.doi.org/10.1088/1757-899X/502/1/012096