Proiectul 22-139 propune cercetari aplicative si teoretice referitoare la metodele de racire criogenica si de control al transferului de caldura prin termoizolatii multistrat la temperaturi joase si foarte joase (inclusiv pentru Heliu lichid), cu aplicatii la detritierea apei grele si la racirea electromagnetilor supraconductori ai instalatiilor de fuziune, dar si in general la izolatii termice industriale, ceea ce il incadreaza in Directia 2, Energie, Tematica de cercetare 2.1.3 “Cresterea eficientei energetice pe întregul lant energetic, cu accent deosebit pe reducerea pierderilor de energie în cladirile publice si la consumatorii industriali” a programului 4, “Parteneriate in domeniile prioritare” al Planului National de Cercetare, Dezvoltare si Inovare II. Prin aducerea in prim plan a unei arii de cercetare de mare actualitate si importanta pentru aplicatii iminente, prin valorificarea unor oportunitati legate de existenta de instalatii criogenice in cadrul parteneriatului si printr-o abordare sistematica pe baze fizice cu un colectiv multidisciplinar a cercetarilor, se respecta intocmai spiritul acestui program.

- scopul urmarit

-Se urmareste atat un studiu sistematic si de avengura al proceselor de transmitere a caldurii prin radiatie termica si prin conductie in diverse configuratii de izolatii termice folosind medii solide si gazoase la presiuni mici, dispuse in multistraturi, cat si stabilirea de solutii si tehnologii care sa permita aplicatii cu un raport performanta/pret cat mai eficient.

-Mentionam ca unul din domeniile de aplicare, poate cel mai dificil, il constituie izolatia termica a instalatiilor criogenice a caror importanta va creste in mod sigur in viitor, in vederea realizarii incintelor care contin magnetii supraconductori ai instalatiilor de fuziune nucleara controlata, cu un impact major asupra energeticii. De aceea, urmarim sa aducem contributii la crearea unei baze de date cu proprietatile materialelor, solutiilor constructive si tehnologiilor eligibile pentru acest obiectiv de mare actualitate, dat fiind ca tara noastra este direct implicata in cadrul proiectului ITER de realizare a instalatiei experimentale de fuziune nucleara prin acordul semnat in noiembrie 2006 la Paris. -De asemenea, este evident ca toate rezultatele obtinute in domeniul izolatiilor termice eficiente pot fi utilizate intr-o gama larga de aplicatii, astfel ca se urmaresc contributii ale cercetarii romanesti in aceasta arie importanta in problematica generala legata de energie.

-Pe langa aspectele pur aplicative care constituie scopul primordial al proiectului, se urmareste si elaborarea unor modele si tehnici de simulare computerizata a proceselor care apar in schimburile de caldura in diverse izolatii termice, existand oportunitatea verificarii, validarii si corelarii rezultatelor experimentale cu modelele teoretice, ceea ce poate aduce unele clarificari importante atat din punct de vedere fizic cat si tehnologic. Prin urmare, se urmareste atat cunoasterea profunda a proceselor, cat si descrierea cantitativa cat mai precisa a acestora in scopul implementarii unor tehnologii noi. Indicatorii de rezultate vizati sunt: realizarea unor solutii constructive si tehnologii noi, obtinerea cel putin a unui brevet, publicarea a cel putin 4 articole in reviste cotate ISI, comunicari stiintifice la cel putin 2 conferinte internationale si 3 nationale, crearea posibilitatii de transfer tehnologic pentru producerea izolatiilor termice destinate in primul rand instalatiilor de detritiere a apei grele utilizate in reactoarele de tip CANDU. Descrierea proiectului din punct de vedere stiintific si tehnic, incluzind gradul de noutate si posibilitatea aplicarii rezultatelor cercetarilor

- prezentarea succinta a stadiului realizarilor S/T din domeniu, la nivel national si international, referitor la tema proiectului: Izolatia multistrat este una dintre cele mai bune solutii tehnologice pentru optimizarea performantelor instalatiilor criogenice. Astfel de instalatii isi gasesc aplicatii importante in multe domenii, cum ar fi industria echipamentelor nucleare, aeronautica civila si militara, cercetarea medicala etc. In ultimii cincisprezece ani s-au realizat numeroase determinari experimentale ale transferului de caldura prin sisteme izolatoare multistrat, cercetari stimulate de realizarea la CERN a instalatiei Large Hadron Collider (LHC). Datele experimentale se refera la doua mari intervale de temperatura: 300-77 K si 77-4.2 K. Pentru primul interval, toate masuratorile au aratat ca cresterea numarului de straturi implica intotdeauna reducerea fluxului de caldura [1-3]. In cel de al doilea interval de temperaturi (77-4.2 K), concluziile rezultatelor experimentale arata o comportare a transportului de caldura care poate sa si creasca odata cu cresterea numarului de straturi, in functie de conditiile experimentale [4-8]. In ultimii ani au fost brevetate importante imbunatatiri ale materialelor izolatiilor criogenice [9,10], si au inceput sa fie studiate solutii constructive si fizice noi. Astfel, Kyun si Gould [11], au prezentat solutii tehnologice de obtinere de izolatori imbunatatiti folosind tehnica sol-gel, Sohn et al [12] au demonstrat performante superioare in izolatii cu racire intermediara cu azot lichid, iar Yamaguchi[13,14], raporteaza reduceri de 35% ale scurgerilor de caldura in sistemele de izolare active cu racire intermediara pe baza de elemente Peltier.

Pe plan national, ICSI Rm. Valcea are contributii majore in realizarea sistemelor de izolare termica a circuitelor de heliu lichid in instalatiile de separare a deuteriului si tritiului din ape deuterate si tritiate, rezultate din exploatarea reactorilor CANDU. De asemenea, colectivele de la Universitatea din Cluj-Napoca si Institutul de Cercetare Dezvoltare pentru Fizica Materialelor efectueaza cercetari in regim de temperaturi criogenice, inclusiv cu sisteme cu heliu lichid. - contributia proiectului la dezvoltarea cunoasterii in domeniu, inclusiv noutatea, originalitatea si complexitatea solutiilor propuse Desi cercetarile in domeniul izolatiilor criogenice s-au intensificat in ultimii ani, majoritatea autorilor si producatorilor abordeaza metode similare, cu relativ putine variatiuni si axate pe categorii restranse de materiale. Studiile sistematice sunt dificile prin insasi natura lor, deoarece conductibilitatea termica a diverselor materiale depinde puternic si intr-un mod propriu de temperatura, astfel ca fiecare experiment trebuie sa desfasoare in conditii cat mai apropiate de cele reale, implicand existenta incintei cu heliu lichid si a tuturor instalatiilor aferente. Aceasta imprejurare, coroborata cu necesitatea aducerii sistemului de izolare de la temperatura ambianta pana la cea nominala de lucru si necesitatea de a se face observatii pe un timp suficient de indelungat pentru avea siguranta atingerii regimului stationar diminueaza posibilitatea realizarii intr-un timp scurt a masuratorilor. Totodata, trebuie reluat acest proces de racire si atingere a regimului stationar pentru fiecare varianta de geometrie, compozitie si structura de straturi ce urmeaza a fi testata, implicand un consum important de heliu lichid pierdut prin evaporare, ceea ce conduce la timpi si costuri de experimentare deosebit de ridicate. Pentru reducerea acestora, prezentul proiect propune unele solutii care vor fi prezentate in cele ce urmeaza.

O prima solutie pe care o intrevedem pentru accelerarea colectarii de date experimentale o constituie obtinerea acestora pe tot parcursul procesului si nu numai dupa atingerea starii de echilibru termic, cum se procedeaza in mod curent. Aceastea va necesita modificari in primul rand ale conditiilor experimentale, prin introducerea de senzori chiar in incinta izolatoare, in anumite puncte relevante pentru relieful curbei de distributie radiala a temperaturii. La ora actuala, metodele cele mai raspandite de determinare ale fluxurilor de caldura sunt cele bazate pe masuratori ale consumurilor energetice asociate mentinerii diferentelor de temperatura posibile doar in finalul procesului de atingere a echilibrului termic, care poate dura ore sau chiar zeci de ore. Pe langa astfel de teste finale, intentionam sa introducem metode care sa permita obtinerea dinamica de date experimentale in timpul perioadei tranzitorii, permitand o mai buna traseabilitate a schimbarilor de flux de caldura, precum si compararea dinamicilor caracteristicilor termice ale materialelor utilizate .

Consideram ca astfel de experimente pot fi realizate prin masurarea temperaturilor in mai multe puncte inca din etapa tranzitorie si interpretarea computerizata a curbei de variatie a temperaturii, ceea ce constituie un element de originalitate. Tinand cont ca ecuatiile clasice care descriu procesele de conductie (Fourier) si radiatie (Stephan Boltzman) implica marimi a caror variatie cu temperatura este cunoscuta in special la temperaturi medii si inalte, calculele trebuiesc conduse intr-un mod mai complet pentru temperaturi foarte joase. Astfel, se poate folosi ecuatia Green-Kubo bazata pe teoria fluctuatiilor si teorema limita centrala pentru estimarea coeficientilor de transport ai caldurii in conditii de neechilibru termic la orice temperatura, metode de acest tip fiind deja citate in literatura. Completarea legilor clasice cu teoriile moderne ale fluctuatiilor si corelatiilor termodinamice, desi conduce la dificultati sporite din punct de vedere analitic si numeric, aduce de asemenea elemente de originalitate in cunoasterea fenomenelor de conductie in conditii criogenice, ceea ce creaza posibilitatea publicarii de articole si obtineriii de brevete. Pentru studiul dinamic al procesului sunt de asemenea necesare solutii experimentale mai complexe decat cele bazate pe echilibru termic, astfel ca propunem utilizarea unui sistem computerizat de achizitie de date in timpul experimentelor, cu un numar suficient de canale de intrare. Tinand seama ca vitezele de variatie ale temperaturilor pot fi mult mai mari in prima parte a etapei tranzitorii decat in cele finale, se impune o scala de timp neliniara si o rata de esantionare corespunzator variabila, necesitand programe specializate, nestandard, de achizitie a datelor, ce urmeaza a fi elaborate in cadrul grantului, constituind de asemenea un element de originalitate.

O a doua metoda pentru eficientizarea globala a cercetarilor o constituie utilizarea intensiva a metodelor de modelara analitica si computerizata a proceselor, pentru restrangerea apriori a ariei de experimente, incercandu-se sa se dea prioritate acelora care dau cele mai bune rezultate pe model. Datele experimentale culese cu sistemul de achizitie de la senzori dispusi radial in materialul izolant investigant vor furniza informatii pentru determinarea conductibilitatii termice in intervalele de temperatura 300-77K si 77k-4K. Astfel de caracteristici se gasesc in numar foarte mic in literatura, laboratoarele proprii ale producatorilor industriali de solutii integrate formandu-si propriile baze de date de uz intern. De aceea, aceasta etapa este obligatorie inaintea calculelor de conductie termica in gama de temperaturi de interes, in care este necesara curba complexa de variatie cu temperatura a marimilor termice.
De asemenea, se vor efectua cercetari si se vor obtine rezultate originale pentru radiatia termica care apare intre ecranul termic exterior si incinta criostatului. Pentru aceasta, se vor efectua calcule analitice si numerice pentru radiatia electromagnetica cu lungimi de unda cuprinse intre 0,1 si 100 microni, care se propaga prin straturile izolante si foliile de separare catre incinta criogenica. Se vor determina mai intai pe model si apoi experimental coeficienti de transmisie a radiatiei termice pentru diverse configuratii ale sistemului izolator multistrat. Ca si in cazul conductiei termice, se vor prelua experimental o serie de date prin achizitie de la senzori de radiatie in infrarosu, care vor fi apoi utilizate in calculele pe model, urmand apoi etape de rafinare a modelului pana la obtinerea consistentei. Nivelul de izolare depinde de o serie de parametri cum ar fi: natura materialelor folosite, numarul si pozitionarea straturilor izolatoare, densitatea lor, nivelul de vid si densitatea gazului rezidual. Dupa validarea modelelor vom urmari sa proiectam diverse configuratii optimizate de izolatie si sa comparam rezultatele numerice obtinute in fiecare caz cu noi date experimentale.
Tratarea exacta a radiatiei termice intre succesiunea de suprafete cilindrice coaxiale , care implica un mare numar de conditii pe frontiera, este o problema dificila, in care gradul de dificultate este sporit de faptul ca marimile de camp ale undei transmise au valori mici fata de cele ale undei reflectate, motiv pentru care aproximatiile sunt pretentioase. Pe de alta parte, chiar daca densitatea de energie a campului electromagnetic este mica, aportul ei la caldura transferata catre incinta criogenica este semnificativ si poate sa provoace cresteri necontrolate ale temperaturii.

Un obiectiv important al proiectului este modelarea cu buna precizie a densitatii de energie a radiatiei termice in incinta criogenica, precum si a fluxului de energie electromagnetica (a radiatiei termice) prin peretii incintei. Modelele matematice vor urmari obtinerea de efecte optime de izolatie considerand diferite conditii, atat liniare cat si neliniare la frontiera.

Se vor realiza coduri numerice bazate pe modelele elaborate care sa furnizeze cu precizie buna fluxul de caldura din interiorul criostatului in functie de temperaturile ecranelor interior si exterior, de numarul de straturi, precum si de presiunea gazului rezidual dintre foliile separatoare. Avand in vedere ca pierderile prin conductie scad cu marirea dimensiunilor izolatiei iar cele prin radiatie cresc cu marirea dimensiunilor ansamblului, se va determina pentru diverse materiale si geometrii densitatea optima de straturi de izolare.

Deoarece in coloctivul de cercetare se afla si specialisti in fizica polimerilor, se vor produce si testa esantioane de probe de izolatie prin polimerizare in plasma, prin tehnici sol-gel si GLAD.

Un alt set de experimente va fi dedicat solutiilor noi de izolare prin metode active in legatura cu care se desfasoara de asemenea numeroase cercetari pe plan international, in special pentru aplicatii comerciale directe cum ar fi magnetii cu supraconductori [9,12]. Deoarece se apreciaza ca principala contributie la pierderile de caldura prin conductie se datoreza pieselor de sustinere a incintei cu heliu in interiorul celei vidate [4,7], propunem ca solutiile active sa fie concentrate asupra acestor elemente. In literatura nu se dau solutii practice in acest sens, astfel ca vor trebui efectuate mai multe experimente legate de astfel de metode. Solutia originala propusa de noi consta in utilizarea unor piese de sustinere ceramice in care sa se afle inserate cate un element Peltier standard (diferentele de temperatura create de cele disponibile comercial sunt intre 68 si 72 grade centigrade) si care sa mentina temperatura pe aproape toata lungimea piesei a unei temperaturi sub 7 grade Kelvin. Daca s-ar inveli intreaga incinta vidata intr-un container cu azot lichid (la 77 grade Kelvin), solutie deja existenta in literatura de specialitate [12,etc] si in practica industriala, piesa de fixare ar avea la capete o diferenta de temperatura de aproximativ 73 grade Kelvin. Intercaland un element Peltier cu suprafata “calda” in contact cu azotul lichid, acesta ar crea pe suprafata opusa aproximativ 7 grade Kelvin, iar intre capatele barei de sustinere ar exista o temperatura de aproximativ 3 grade Kelvin, si deci un flux de caldura incomparabil mai mic. Evident, scurgerile de caldura din heliu lichid s-ar micsora pe baza unor pierderi de caldura in azotul lichid, dar deoarece costul de productie al acestuia din urma este mult mai mic se poate astepta un bilant energetic global imbunatatit. Aceste experimentel trebuiesc conduse in directia determinarii regimului electric cel mai avantajos al elementelor Peltier, pentru optimizarea bilantului energetic global, studiu care nu pare sa fi fost raportat in literatura de specialitate si care ar putea de asemenea sa permita publicarea de lucrari, si eventual obtinerea unui brevet de inventie. Cel mai sigur procedeu il constituie raglajul in bucla cu un microcontroler avand atasate convertoare analog-numerice si numeric-analogice, cu senzori si amplificatori de intrare si iesire adcvati, functionand pe baza unui program cu caracteristica de reglaj PID. Realizarea acestuia, perfect acceibila colectivului (sunt prezenti specialisti in electronica, microcontrolere si automatizari), va constitui de asemenea un element de originalitate.