Chłodnica kriogeniczna
Lodówka zaprojektowana do osiągania temperatur kriogenicznych (poniżej 120 K, -153 ° C) jest często nazywana chłodnicą kriogeniczną . Termin ten jest najczęściej używany w odniesieniu do mniejszych systemów, zwykle o rozmiarach stołowych, z mocą wejściową mniejszą niż około 20 kW. Niektóre mogą mieć moc wejściową tak niską, jak 2–3 W. Duże systemy, takie jak te używane do chłodzenia magnesów nadprzewodzących w akceleratorach cząstek, są częściej nazywane lodówkami kriogenicznymi. Ich moc wejściowa może sięgać nawet 1 MW. W większości przypadków chłodnice kriogeniczne wykorzystują płyn kriogeniczny jako substancję roboczą i wykorzystują ruchome części do obiegu płynu wokół cyklu termodynamicznego. Płyn jest zwykle sprężany w temperaturze pokojowej, wstępnie schładzany w wymienniku ciepła, a następnie rozprężany w pewnej niskiej temperaturze. Powracający płyn pod niskim ciśnieniem przechodzi przez wymiennik ciepła w celu wstępnego schłodzenia płynu pod wysokim ciśnieniem przed wejściem do wlotu sprężarki. Następnie cykl jest powtarzany.
Idealne wymienniki ciepła i regeneratory
Wymienniki ciepła są ważnymi elementami wszystkich chłodnic kriogenicznych. Idealne wymienniki ciepła nie mają oporów przepływu, a temperatura gazów wylotowych jest taka sama jak (stała) temperatura ciała T X wymiennika ciepła. Należy zauważyć, że nawet doskonały wymiennik ciepła nie wpłynie na temperaturę wejściową T i gazu. Prowadzi to do strat.
Ważnym elementem lodówek pracujących z przepływami oscylacyjnymi jest regenerator. Regenerator składa się z matrycy ze stałego porowatego materiału, takiego jak cząstki granulatu lub metalowe sita, przez które przepływa tam iz powrotem gaz. Okresowo ciepło jest magazynowane i uwalniane przez materiał. Kontakt cieplny z gazem musi być dobry, a opory przepływu matrycy muszą być niskie. To są sprzeczne wymagania. Własności termodynamiczne i hydrodynamiczne regeneratorów są skomplikowane, dlatego zwykle wykonuje się modele upraszczające. W swojej najbardziej ekstremalnej postaci idealny regenerator ma następujące właściwości:
- duża objętościowa pojemność cieplna materiału;
- doskonały kontakt cieplny między gazem a matrycą;
- zerowy opór przepływu matrycy;
- zerowa porowatość (jest to ułamek objętościowy gazu);
- zerowa przewodność cieplna w kierunku przepływu;
- gaz jest idealny.
Postęp w dziedzinie chłodnic kriogenicznych w ostatnich dziesięcioleciach jest w dużej mierze spowodowany rozwojem nowych materiałów o wysokiej pojemności cieplnej poniżej 10 K.
Lodówki Stirlinga
składniki
Podstawowy typ chłodnicy typu Stirlinga przedstawiono na rys.1. Składa się z (od lewej do prawej):
- tłok
- przestrzeń sprężania i wymiennik ciepła (wszystko w temperaturze otoczenia T a )
- regenerator _
- wymiennik ciepła
- przestrzeń ekspansji
- tłok (wszystko w niskiej temperaturze T L ).
Z lewej i prawej strony kontakt termiczny z otoczeniem w temperaturach T a i T L powinien być idealny, tak aby ściskanie i rozszerzanie były izotermiczne . Praca wykonywana podczas rozbudowy służy do zmniejszenia całkowitej mocy wejściowej. Zwykle płynem roboczym jest hel .
Cykl chłodzenia
Cykl chłodzenia jest podzielony na 4 etapy, jak pokazano na ryc. 2. Cykl rozpoczyna się, gdy dwa tłoki znajdują się w skrajnie lewej pozycji:
- Od A do B. Ciepły tłok przesuwa się w prawo, podczas gdy zimny tłok jest nieruchomy. Temperatura sprężonego gazu na gorącym końcu jest izotermiczna (z definicji), więc ciepło Q a jest oddawane do otoczenia w temperaturze otoczenia T a .
- od b do c. Dwa tłoki przesuwają się w prawo. Objętość między dwoma tłokami jest utrzymywana na stałym poziomie. Gorący gaz wpływa do regeneratora o temperaturze T a i opuszcza go o temperaturze T L . Gaz oddaje ciepło materiałowi regeneratora.
- od c do d. Zimny tłok przesuwa się w prawo, podczas gdy ciepły tłok jest nieruchomy. Rozszerzanie jest izotermiczne i ciepło Q L jest pobierane. Jest to użyteczna moc chłodzenia.
- od d do a. Dwa tłoki poruszają się w lewo, podczas gdy całkowita objętość pozostaje stała. Gaz wchodzi do regeneratora z niską temperaturą T L i opuszcza go z wysoką temperaturą T a , więc ciepło jest odbierane z materiału regeneratora. Pod koniec tego kroku stan chłodnicy jest taki sam jak na początku.
Na wykresie pV (rys. 3) odpowiedni cykl składa się z dwóch izoterm i dwóch izochorów. Objętość V to objętość między dwoma tłokami. W praktyce cykl nie jest podzielony na dyskretne etapy, jak opisano powyżej. Zwykle ruchy obu tłoków napędzane są przez wspólne osie obrotowe, co powoduje, że ruchy te są harmonijne. Różnica faz między ruchami dwóch tłoków wynosi około 90°. W idealnym przypadku cykl jest odwracalny, więc COP (stosunek mocy chłodzenia do mocy wejściowej) jest równy COP Carnota danemu przez T L /( T a − T L ).
Posiadanie zimnego tłoka, jak opisano powyżej, nie jest tak praktyczne, dlatego w wielu przypadkach zamiast zimnego tłoka stosuje się wypornik. Pływak to ciało stałe, które porusza się tam iz powrotem w zimnej głowicy, napędzając gaz tam iz powrotem między ciepłym a zimnym końcem zimnej głowicy przez regenerator. Do przesunięcia wypornika nie jest wymagana żadna praca, ponieważ w idealnym przypadku nie ma na nim spadku ciśnienia. Zwykle jego ruch jest przesunięty w fazie o 90 stopni względem tłoka. W idealnym przypadku COP jest również równe COP Carnota.
Innym typem chłodnicy Stirlinga jest chłodnica z dzieloną parą (ryc. 4), składająca się ze sprężarki, dzielonej rury i zimnego palca. Zwykle są to dwa tłoki poruszające się w przeciwnych kierunkach napędzane przez zmienne pola magnetyczne (jak w głośnikach). Tłoki mogą być zawieszone na tak zwanych łożyskach giętkich. Zapewniają sztywność w kierunku promieniowym i elastyczność w kierunku osiowym. Tłoki i obudowa sprężarki nie stykają się, więc smary nie są potrzebne i nie dochodzi do zużycia. Regenerator w zimnym palcu jest zawieszony na sprężynie. Chłodnica działa z częstotliwością zbliżoną do częstotliwości rezonansowej układu masa-sprężyna zimnego palca.
Lodówki GM
Chłodnice Gifford-McMahon (GM) znalazły szerokie zastosowanie w wielu systemach niskotemperaturowych, np. w MRI i pompach kriogenicznych. Ryc. 5 to schematyczny diagram. Płynem roboczym jest hel pod ciśnieniem w zakresie 10–30 barów (150–440 psi). Zimna głowica zawiera przestrzeń kompresji i rozprężania, regenerator i wypornik. Zwykle regenerator i wypornik są połączone w jednym korpusie. Wahania ciśnienia w głowicy zimnej są uzyskiwane poprzez okresowe podłączanie jej do strony wysokiego i niskiego ciśnienia sprężarki za pomocą obrotowego zaworu. Jego pozycja jest zsynchronizowana z ruchem wypornika. Podczas otwierania i zamykania zaworów zachodzą nieodwracalne procesy, dlatego chłodnice GM mają straty wewnętrzne. To wyraźna wada tego typu chłodnicy. Zaletą jest to, że częstotliwości cykli sprężarki i wypornika są odłączone, dzięki czemu sprężarka może pracować z częstotliwością sieci energetycznej (50 lub 60 Hz), podczas gdy cykl zimnej głowicy wynosi 1 Hz. W ten sposób objętość skokowa sprężarki może być 50 lub 60 razy mniejsza niż chłodnicy. Zasadniczo można zastosować (tanie) sprężarki domowych lodówek, ale należy zapobiegać przegrzaniu sprężarki, ponieważ nie jest ona przystosowana do helu. Należy również zapobiegać przedostawaniu się oparów oleju do regeneratora za pomocą wysokiej jakości syfonów oczyszczających.
Cykl chłodzenia
Cykl można podzielić na cztery etapy, z rys. 6, w następujący sposób:
Cykl rozpoczyna się przy zamkniętym zaworze niskiego ciśnienia (LP), otwartym zaworze wysokiego ciśnienia (HP) i wyporniku maksymalnie przesuniętym w prawo (a więc w zimnym regionie). Cały gaz ma temperaturę pokojową.
- Od A do B. Pływak przesuwa się w lewo, gdy głowica zimna jest podłączona do strony wysokiego ciśnienia sprężarki. Gaz przechodzi przez regenerator, wchodząc do regeneratora w temperaturze otoczenia Ta i opuszczając go w temperaturze T L . Ciepło jest uwalniane przez gaz do materiału regeneratora.
- od b do c. Zawór HP jest zamknięty, a zawór LP otwarty przy ustalonej pozycji pływaka. Część gazu przepływa przez regenerator do strony LP sprężarki. Gaz rozszerza się. Rozszerzanie jest izotermiczne, więc ciepło jest odbierane z aplikacji. To tam wytwarzana jest użyteczna moc chłodzenia.
- od c do d. Pływak przesuwa się w prawo z zimną głowicą podłączoną do strony LP sprężarki, zmuszając zimny gaz do przejścia przez regenerator, jednocześnie odbierając ciepło z regeneratora.
- od d do a. Zawór LP jest zamknięty, a zawór HP otwarty przy ustalonej pozycji pływaka. Gaz znajdujący się teraz w gorącym końcu zimnej głowicy jest sprężany i ciepło jest uwalniane do otoczenia. Pod koniec tego kroku jesteśmy z powrotem w pozycji a.
Lodówki z lampą pulsacyjną
Tak zwany jednootworowy PTR typu Stirlinga jest przedstawiony schematycznie na ryc. 7. Od lewej do prawej składa się z: tłoka, który porusza się tam iz powrotem; wymiennik ciepła X1 ( za chłodnicą), w którym ciepło jest uwalniane do otoczenia w temperaturze pokojowej ( Ta ) ; regenerator; wymiennik ciepła X L w niskiej temperaturze ( T L ), gdzie ciepło jest odbierane z aplikacji; rurka, często nazywana rurką tętna; wymiennik ciepła X3 do temperatury pokojowej ( Ta ) ; opór przepływu (otwór); objętość buforowa, w której ciśnienie p B jest praktycznie stałe.
Chłodnica Joule'a-Thomsona
Chłodnica Joule-Thomsona (JT) została wynaleziona przez Carla von Linde i Williama Hampsona, dlatego jest również nazywana chłodnicą Linde-Hampson. Jest to prosty typ chłodnicy, który jest szeroko stosowany jako chłodnica kriogeniczna lub jako (końcowy etap) chłodziw. Można go łatwo zminiaturyzować, ale jest również stosowany na bardzo dużą skalę w skraplaniu gazu ziemnego. Schemat ideowy skraplacza JT przedstawiono na rys.8. Składa się ze sprężarki, przeciwprądowego wymiennika ciepła, zaworu JT oraz zbiornika.
Cykl chłodzenia
Na rys. 8 ciśnienia i temperatury odnoszą się do skraplacza azotu. Na wlocie sprężarki gaz ma temperaturę pokojową (300 K) i ciśnienie 1 bar (punkt a). Ciepło sprężania jest usuwane przez wodę chłodzącą. Po sprężeniu temperatura gazu jest równa temperaturze otoczenia (300 K), a ciśnienie wynosi 200 barów (2900 psi) (punkt b). Następnie trafia do ciepłej (wysokociśnieniowej) strony przeciwprądowego wymiennika ciepła, gdzie jest wstępnie schładzany. Opuszcza wymiennik w punkcie c. Po rozszerzeniu JT, punkt d, ma temperaturę 77,36 K (-195,79 ° C; -320,42 ° F) i ciśnienie 1 bar. Frakcja płynna to x . Ciecz opuszcza układ na dnie zbiornika (punkt e), a gaz (ułamek 1 − x ) wpływa na zimną (niskociśnieniową) stronę przeciwprądowego wymiennika ciepła (punkt f). Opuszcza wymiennik ciepła w temperaturze pokojowej (punkt a). Aby utrzymać system w stanie ustalonym, dostarczany jest gaz w celu skompensowania usuniętej frakcji ciekłej x .
W przypadku stosowania jako chłodnica kriogeniczna preferowane jest stosowanie mieszanin gazowych zamiast czystego azotu. W ten sposób poprawia się wydajność, a wysokie ciśnienie jest znacznie niższe niż 200 barów.
Bardziej szczegółowy opis lodówek Joule-Thomson i lodówek Joule-Thomson można znaleźć w.
Najnowsze osiągnięcia i zastosowania
Chłodnice kriogeniczne są kluczową technologią umożliwiającą zastosowanie wykrywania podczerwieni i stosowanego nadprzewodnictwa . Zastosowania obejmują elektronikę nadprzewodzącą i obliczenia kwantowe . Kompaktowe chłodnice kriogeniczne zostały opracowane dla nadprzewodzących detektorów fotonów .
Zobacz też
- Procesor kriogeniczny
- Lodówka z demagnetyzacją adiabatyczną
- Lodówka do rozcieńczania
- Cykl Hampsona-Lindego
- Lodówka z rurką pulsacyjną
- Silnik Stirlinga (chłodnica kriogeniczna Stirlinga)
- Produkcja entropii
Ten artykuł zawiera materiały należące do domeny publicznej z Narodowego Instytutu Standardów i Technologii .
| Kontrola władz : Biblioteki narodowe |
|---|
