Холодильник, предназначенный для работы при криогенных температурах, 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 криогенные охладители используют криогенную жидкость в качестве рабочего тела и используют движущиеся части для цикла жидкости по термодинамическому циклу. Жидкость обычно сжимается при комнатной температуре, предварительно охлаждается в теплообменнике, а затем расширяется при некоторой низкой температуре. Возвращаемая жидкость низкого давления проходит через теплообменник для предварительного охлаждения жидкости высокого давления перед поступлением на впуск компрессора. Затем цикл повторяется.
Теплообменники являются важными компонентами всех криокулеров. Идеальные теплообменники не имеют гидравлического сопротивления, а температура выходящего газа такая же, как (фиксированная) температура корпуса T X теплообменника. Обратите внимание, что даже идеальный теплообменник не повлияет на входную температуру T i 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 наиболее экстремальной форме идеальный регенератор обладает следующими свойствами:
Прогресс в область криоохладителей в последние десятилетия в значительной степени связана с разработкой новых материалов с высокой теплоемкостью ниже 10 К.
. Базовый тип охладителя типа Стирлинга изображен на рисунке 1. Он состоит из (слева направо):
Слева и справа тепловой контакт с окружающей средой при температурах T a и T L составляет должен быть идеальным, чтобы сжатие и расширение были изотермическими. Работа, выполняемая во время расширения, используется для уменьшения общей подводимой мощности. Обычно гелий является рабочим телом.
Цикл охлаждения разделен на 4 этапа, как показано на рисунке 2. Цикл начинается, когда два поршня находятся в своих крайнее левое положение:
На pV-диаграмме (Рис.3) соответствующая цикл состоит из двух изотерм и двух изохор. Объем 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 осями вращения, 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) равен Carnot COP, определяемому T L / (T а - Т Л).
Не так практично иметь холодный поршень, как описано выше, поэтому во многих случаях вместо холодного поршня используется вытеснитель. Вытеснитель - это твердое тело, которое движется вперед и назад в холодной головке, перемещая газ вперед и назад между теплым и холодным концом холодной головки через регенератор. Для перемещения буйка не требуется никаких работ, 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 парного холодильника Стирлинга. Охлаждающая сила поступает в теплообменник холодного пальца. Обычно тепловые потоки настолько малы, что нет необходимости в физических теплообменниках вокруг разделенной трубы.Другим типом охладителей Стирлинга является парный охладитель (рис.4), состоящий из компрессора, разделенной трубы, и холодный палец. Обычно это два поршня, движущихся 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.
Охладители Gifford-McMahon (GM) нашли широкое применение во многих низкотемпературных системах, например, во многих низкотемпературных системах. 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 вращающегося 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 можно разделить на четыре этапа, как показано на рисунке 6, следующим образом:
Цикл начинается с низкого давления (lp) клапан закрыт, клапан высокого давления (л.с.) открыт, а буйковый уровнемер полностью вправо (так в холодных регионах). Весь газ комнатной температуры.
Холодильник с пульсирующей трубкой рассматривается в отдельной статье. Для полноты картины на рисунке 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 (T a) в охлаждающую воду или в окружающую среду; регенератор; теплообменник X L при низкой температуре (T L), где тепло поглощается из приложения; трубка, часто называемая пульсовой трубкой; теплообменник X₃ до комнатной температуры (T a); гидравлическое сопротивление (отверстие); буферный объем, в котором давление p B практически постоянно.
Охладитель Джоуля-Томсона (JT) был изобретен Карлом фон Линде и Уильямом Хэмпсоном, поэтому его также называют Linde- Хэмпсон круче. 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.
На рисунке 8 значения давления и температуры относятся к случаю сжижителя 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 - x. Жидкость покидает систему на дне резервуара (точка e), а газ (фракция 1-x) течет в холодную (низкое давление) сторону противоточного теплообменника (точка f). Он покидает теплообменник при комнатной температуре (точка а). Чтобы поддерживать систему в устойчивом состоянии, подается газ для компенсации жидкой фракции x, которая была удалена.
При использовании в качестве криохладителя предпочтительно использовать газовые смеси вместо чистого азота. Таким образом, эффективность повышается, и высокое давление намного ниже 200 бар.
Более подробное описание кулеров Джоуля-Томсона и холодильников Джоуля-Томсона можно найти в.
В этой статье использованы материалы, являющиеся общественным достоянием с сайта Национального института стандартов и технологий https://www.nist.gov.