Криокулер - Cryocooler

Холодильник, предназначенный для достижения криогенных температур, часто называют криокулером. Этот термин чаще всего используется для небольших систем, обычно настольного размера, с входной мощностью менее 20 кВт. Некоторые из них могут иметь входную мощность всего 2-3 Вт. Большие системы, например те, которые используются для охлаждения сверхпроводящих магнитов в ускорителях частиц, чаще называют криогенными холодильниками. Их входная мощность может достигать 1 МВт. В большинстве случаев в криокулерах в качестве рабочего тела используется криогенная жидкость, а также движущиеся части, которые обеспечивают циркуляцию жидкости по термодинамическому циклу. Жидкость обычно сжимается при комнатной температуре, предварительно охлаждается в теплообменнике, а затем расширяется при некоторой низкой температуре. Возвращающаяся жидкость низкого давления проходит через теплообменник для предварительного охлаждения жидкости высокого давления перед поступлением на впуск компрессора. Затем цикл повторяется.

Идеальные теплообменники и регенераторы

Теплообменники являются важными компонентами всех криокулеров. Идеальные теплообменники не имеют гидравлического сопротивления, а температура выходящего газа такая же, как (фиксированная) температура тела ТИкс теплообменника. Учтите, что даже идеальный теплообменник не повлияет на температуру на входе. Тя газа. Это приводит к потерям.

Важным элементом холодильников, работающих с колебательными потоками, является регенератор. Регенератор состоит из матрицы из твердого пористого материала, такого как гранулированные частицы или металлические сита, через которые газ течет вперед и назад. Материал периодически сохраняет тепло и выделяет его. Тепловой контакт с газом должен быть хорошим, а гидравлическое сопротивление матрицы должно быть низким. Это противоречивые требования. Термодинамические и гидродинамические свойства регенераторов сложны, поэтому обычно строят упрощающие модели. В самой крайней форме идеальный регенератор обладает следующими свойствами:

  • большая объемная теплоемкость материала;
  • идеальный тепловой контакт между газом и матрицей;
  • нулевое гидравлическое сопротивление матрицы;
  • нулевая пористость (это объемная доля газа);
  • нулевая теплопроводность в направлении потока;
  • газ идеальный.

Прогресс в области криокулеров в последние десятилетия в значительной степени связан с разработкой новых материалов, имеющих высокую теплоемкость ниже 10 К.[1]

Холодильники Стирлинга

Составные части

Рис.1 Принципиальная схема охладителя Стирлинга. Система имеет один поршень при температуре окружающей среды Та и один поршень при низкой температуре ТL.

Основной тип кулера Стирлинга изображен на рис.1. Он состоит из (слева направо):

  • поршень
  • пространство сжатия и теплообменник (все при температуре окружающей среды Та)
  • а регенератор
  • теплообменник
  • пространство расширения
  • поршень (все при низкой температуре ТL).

Слева и справа тепловой контакт с окружающей средой при температурах Та и ТL должен быть идеальным, так что сжатие и расширение изотермический. Работа, выполняемая при расширении, используется для уменьшения общей подводимой мощности. Обычно гелий рабочая жидкость.

Цикл охлаждения

Смотрите также: Цикл Стирлинга
Рис.2 Четыре состояния в Цикл Стирлинга.

Цикл охлаждения разделен на 4 этапа, как показано на рисунке 2. Цикл начинается, когда два поршня находятся в крайнем левом положении:

  • От а до б. Горячий поршень перемещается вправо, а холодный поршень зафиксирован. Температура сжатого газа на горячем конце составляет изотермический (по определению), так тепло Qа выделяется в окружающую среду при температуре окружающей среды Та.
  • От б до в. Два поршня перемещаются вправо. Объем между двумя поршнями остается постоянным. Горячий газ поступает в регенератор с температурой Та и оставляет его с температурой ТL. Газ отдает тепло материалу регенератора.
  • От c до d. Холодный поршень перемещается вправо, а теплый поршень зафиксирован. Расширение изотермическое и тепловое. QL занято. Это полезная охлаждающая способность.
  • От д до а. Два поршня перемещаются влево, при этом общий объем остается постоянным. Газ поступает в регенератор с низкой температурой. ТL и оставляет его с высокой температурой Та поэтому тепло отбирается у материала регенератора. В конце этого шага состояние кулера такое же, как и в начале.
Рис.3 pV-диаграмма идеального Цикл Стирлинга.

На диаграмме pV (рис. 3) соответствующий цикл состоит из двух изотерм и двух изохор. Громкость V это объем между двумя поршнями. На практике цикл не делится на отдельные шаги, как описано выше. Обычно движения обоих поршней приводятся в действие общими поворотными осями, что делает движения гармоничными. Разница фаз между движениями двух поршней составляет около 90 °. В идеальном случае цикл является обратимым, поэтому COP (соотношение охлаждающей мощности и входной мощности) равно Карно COP, предоставленный ТL/(Та − ТL).

Иметь холодный поршень, как описано выше, не так практично, поэтому во многих случаях вместо холодного поршня используется вытеснитель. Вытеснитель - это твердое тело, которое движется вперед и назад в холодной головке, перемещая газ назад и вперед между теплым и холодным концом холодной головки через регенератор. Для перемещения буйка не требуется никаких действий, поскольку в идеале на нем не должно быть падения давления. Обычно его движение сдвинуто по фазе с поршнем на 90 градусов. В идеальном случае COP также равен COP Карно.

Рис.4 Принципиальная схема холодильника Стирлинга с разделенной парой. Охлаждающая сила поступает в теплообменник холодного пальца. Обычно тепловые потоки настолько малы, что нет необходимости в физических теплообменниках вокруг разъемной трубы.

Другой тип охладителя Стирлинга - это парный охладитель (рис. 4), состоящий из компрессора, разъемной трубы и холодного пальца. Обычно это два поршня, движущиеся в противоположных направлениях, приводимые в действие магнитными полями переменного тока (как в громкоговорителях). Поршни могут быть подвешены на так называемых изогнутых подшипниках. Они обеспечивают жесткость в радиальном направлении и гибкость в осевом направлении. Поршни и корпус компрессора не соприкасаются, поэтому смазочные материалы не требуются и износ отсутствует. Регенератор в холодном пальце подвешен на пружине. Охладитель работает на частоте, близкой к резонансной частоте системы масса-пружина холодного пальца.

GM-холодильники

Рис.5 Принципиальная схема GM-кулера. Vл и Vчас - буферные объемы компрессора. Теплота сжатия отводится охлаждающей водой компрессора через теплообменник. Поворотные клапаны попеременно подключают охладитель к сторонам высокого и низкого давления компрессора и работают синхронно с поплавком.

Кулеры Gifford-McMahon (GM)[2] нашли широкое применение во многих низкотемпературных системах, например в МРТ и крионасосах. Фиг.5 - схематическая диаграмма. Рабочей жидкостью является гелий при давлении от 10 до 30 бар. Холодная головка содержит пространство сжатия и расширения, регенератор и вытеснитель. Обычно регенератор и вытеснитель объединены в один корпус. Изменения давления в холодной головке достигаются путем периодического подключения ее к сторонам высокого и низкого давления компрессора с помощью поворотного клапана. Его положение синхронизировано с движением буйка. При открытии и закрытии клапанов происходят необратимые процессы, поэтому у GM-охладителей есть собственные потери. Это явный недостаток кулера данного типа. Преимущество состоит в том, что тактовые частоты компрессора и вытеснителя не связаны, так что компрессор может работать на частоте сети (50 или 60 Гц), в то время как цикл холодной головки составляет 1 Гц. Таким образом, рабочий объем компрессора может быть в 50 (60) раз меньше, чем охладитель. В принципе, можно использовать (дешевые) компрессоры бытовых холодильников, но необходимо предотвратить перегрев компрессора, так как он не рассчитан на гелий. Также необходимо предотвратить попадание паров масла в регенератор с помощью качественных очистных ловушек.

Цикл охлаждения

Рис. 6 Четыре стадии цикла охлаждения кулера GM.

Цикл можно разделить на четыре этапа, как показано на рисунке 6:

Цикл начинается с закрытого клапана низкого давления (lp), открытого клапана высокого давления (hp) и перемещения буйка полностью вправо (то есть в холодных регионах). Весь газ комнатной температуры.

  • От а до б. Буек перемещается влево, а холодная головка подсоединяется к компрессору со стороны высокого давления. Газ проходит через регенератор и попадает в регенератор при температуре окружающей среды. Та и оставив его с температурой ТL. Тепло передается газом материалу регенератора.
  • От б до в. Клапан высокого давления закрыт, а клапан низкого давления открыт при фиксированном положении буйка. Часть газа проходит через регенератор на сторону низкого давления компрессора. Газ расширяется. Расширение является изотермическим, поэтому тепло отводится от приложения. Именно здесь вырабатывается полезная охлаждающая способность.
  • От c до d. Вытеснитель перемещается вправо, при этом холодная головка подсоединяется к стороне низкого давления компрессора, заставляя холодный газ проходить через регенератор, забирая тепло от регенератора.
  • От д до а. Клапан низкого давления закрыт, а клапан высокого давления открыт при фиксированном положении буйка. Теперь газ, находящийся в горячем конце холодной головки, сжимается, и тепло передается в окружающую среду. В конце этого шага мы вернулись в положение а.

Импульсные холодильники

Рис.7 Принципиальная схема однорежимного PTR типа Стирлинга.

В холодильник с импульсной трубкой рассматривается в отдельной статье. Для полноты картины на фиг.7 схематически изображен так называемый одноходовой ПТР типа Стирлинга. Слева направо он состоит из: поршня, который движется вперед и назад; теплообменник X₁ (после охладителя), в котором тепло выделяется при комнатной температуре (Та) к охлаждающей воде или к окружающей среде; регенератор; теплообменник XL при низкой температуре (ТL) где тепло поглощается от приложения; трубка, часто называемая пульсовой трубкой; теплообменник X₃ до комнатной температуры (Та); гидравлическое сопротивление (отверстие); буферный объем, в котором давление пB практически постоянный.

Кулер Джоуля-Томсона

Рис. 8 Принципиальная схема ожижителя JT. Фракция Икс сжатого газа удаляется как жидкость. При комнатной температуре он подается в виде газа под давлением 1 бар, так что система находится в установившемся режиме.

Кулер Джоуля-Томсона (JT) был изобретен Карлом фон Линде и Уильямом Хэмпсоном, поэтому его также называют кулером Линде-Хэмпсона. Это простой тип охладителя, который широко применяется в качестве криохладителя или (заключительной стадии) охлаждающей жидкости. Его можно легко уменьшить, но он также широко используется при сжижении природного газа. Принципиальная схема ожижителя JT представлена ​​на рисунке 8. Он состоит из компрессора, противоточного теплообменника, клапана JT и резервуара.

Цикл охлаждения

На рисунке 8 значения давления и температуры относятся к разжижителю азота. На входе в компрессор газ имеет комнатную температуру (300 К) и давление 1 бар (точка а). Теплота сжатия удаляется охлаждающей водой. После сжатия температура газа равна температуре окружающей среды (300 K), а давление составляет 200 бар (точка b). Затем он поступает на теплую сторону (высокого давления) противоточного теплообменника, где предварительно охлаждается. Он покидает теплообменник в точке c. После расширения JT, точка d, он имеет температуру 77,36 К и давление 1 бар. Жидкая фракция Икс. Жидкость покидает систему на дне резервуара (точка е), а газ (фракция 1-Икс) течет на холодную сторону (низкого давления) противоточного теплообменника (точка f). Он покидает теплообменник при комнатной температуре (точка а). Чтобы поддерживать систему в устойчивом состоянии, подается газ для компенсации жидкой фракции. Икс это было удалено.

При использовании в качестве криокулера предпочтительнее использовать газовые смеси вместо чистого азота. Таким образом, эффективность повышается, а высокое давление намного ниже 200 бар.

Более подробное описание кулеров Джоуля-Томсона и холодильников Джоуля-Томсона можно найти в.[3]

Рекомендации

  1. ^ Т. Курияма, Р. Хакамада, Х. Накагоме, Ю. Токай, М. Сахаши, Р. Ли, О. Йошида, К. Мацумото и Т. Хашимото, Достижения в области криогенной инженерии 35B, 1261 (1990)
  2. ^ МЫ. Гиффорд и Р. Лонгсворт, Достижения в области криогенной инженерии 11, 171 (1966)
  3. ^ A.T.A.M. de Waele Основы сжижения Джоуля – Томсона и JT Cooling Journal of Low Temperature Physics, Vol.186 (2017) pp.385-403, DOI 10.1007 / s10909-016-1733-3, https://link.springer.com/article/10.1007/s10909-016-1733-3

Смотрите также

Эта статья включаетматериалы общественного достояния от Национальный институт стандартов и технологий интернет сайт https://www.nist.gov.