1.3. Циклы, основанные на использовании расширения с отдачей внешней работы и эффекта Джоуля – Томсона
К циклам, основанным на использовании расширения с отдачей внешней работы и эффекта Джоуля – Томсона, относят циклы среднего и высокого давления (Клода, Гейландта), цикл низкого давления с расширением в турбодетандере (Капицы), цикл газовых холодильных машин, метод Симона, сублимационные системы охлаждения.
Ожижитель Симона
Изменение температуры, обусловленное эффектом Джоуля, используется для получения внутреннего охлаждения. Если объединить оба вида эффекта Джоуля и периодически производить впуск и выпуск газа из сосуда, в нем будут поочередно происходить соответствующие процессы повышения температуры и внутреннего охлаждения газа. При отводе тепла в процессе впуска можно получить и использовать существенное охлаждение газа в сосуде.
Примером такого способа внутреннего охлаждения может служить так называемый экспансионный ожижитель Ф. Симона, предложенный и практически изготовленный им в 1932 году.
Рабочий
сосуд 2 помещается в жидкий или твердый
базовый криоагент (рис. 1.11), например
водород, предварительно охлажденный
до температуры
.
В него подается предварительно охлажденный
в змеевике 4 до той же температуры
газообразный гелий, при этом давление
его повышается с
до давления
.
В процессе впуска от гелия к базовому
криоагенту – водороду отводится тепло
в таком количестве, что температура
гелия в сосуде в процессе впуска –
сжатия устанавливается и поддерживается
постоянной на уровне
.
Процесс впуска на диаграмме T-s изобразится
изотермой 1–2 (процесс изображен
пунктирной линией, так как масса в сосуде
переменна, рис. 1.12).
Затем
сосуд изолируется от базового криоагента
путем вакуумирования рубашки 3, окружающей
рабочий сосуд. Далее производится
процесс выпуска гелия из сосуда 2 до
первоначального давления
.
В процессе адиабатного выпуска –
расширения температура гелия понижается
до температуры
=
4,2 К и часть гелия ожижается. Расширение
при выпуске на диаграмме Т-s
показано штриховой линией 2–3, количество
газа в сосуде 2 по мере охлаждения
уменьшается. В конце процесса сосуд
окажется частично заполненным жидким
гелием в состоянии точки 5 и равновесным
ему газом в состоянии точки 4. Жидкий
гелий, оставшийся в сосуде, может быть
использован для криостатирования
какого-либо объекта. Тепло
к
гелию может подводиться только при
температуре жидкого гелия.
Если
проводить процесс впуска, начиная с
более низкой температуры, например
,
или проводить впуск до более высокого
давления
,
то доля жидкости, а следовательно, и
будут выше
(точка
на Т-s
диаграмме).
-
Рис. 1.11. Схема ожижителя Симона
Рис. 1.12. Процессы в ожижителе
Симона на Т- диаграмме
Сублимационные системы охлаждения
Сублимационные
системы охлаждения основываются на
сублимации запаса твердого криоагента
при поглощении им теплоты от охлаждаемого
объекта. Преимущественно они применяются
в авиации и космических исследованиях
(охлаждение ИК - приемника). Используемые
давления над твердым криоагентом обычно
не ниже
Па. Сублимационные системы охлаждения
применяют для объектов с малыми
тепловыделениями (10–200 мВт), они
обеспечивают большой ресурс работы –
до
ч и более. Основные элементы сублимационной
системы охлаждения: теплоизолированный
криостат с твердым криоагентом, устройства
для поддержания постоянного давления
и отвода паров криоагента, хладопровод
для контакта с охлаждаемым объектом.
Важная и трудная задача – обеспечение
плотности контакта теплопроводящих
элементов (хладопровода) с твердым
криоагентом. Используют развитую
поверхность с перфорированными ребрами
и конфигурацией, обеспечивающей движение
пара сублимируемого вещества без
застойных зон. Важна возможность
осуществления принудительного контакта
теплопередающей поверхности с твердым
веществом. Получение в криостате твердого
криоагента осуществляют либо
вакуумированием парового пространства
над залитой жидкостью, либо замораживанием
жидкости посторонним криоагентом
(например, холодным гелием). Твердый
криоагент, полученный вторым способом,
более плотен и поэтому более эффективен
для целей криостатирования объекта.
Подробнее о циклах среднего и высокого давления (Клода, Гейландта), цикле низкого давления с расширением в турбодетандере (Капицы), цикле газовых холодильных машин вы можете узнать в [1, 3, 5].