Конструкция поршневого детандера

Одна из конструкций детандера показана на рис. 9.9. Длинный шток 3 выполнен в виде из тонкостенной трубы, из нержавеющей стали и он соединяет поршень 2, перемещающийся в цилиндре 1 с поршнем Крейцкопфа 12. Поршень набирается из парафинированных текстолитовых колец, которые надеваются на оправку и зажимаются гайкой. Диаметр поршня составляет 60 мм при его ходе 70 мм. Цилиндр выполнен из стали и его внутренняя поверхность специально обработана с целью повышения твердости и износостойкости. Такое сочетание материалов обеспечивает возможность работы поверхностей без задира зеркала внутренней поверхности цилиндра, заклинивания поршня и позволяет довести зазор между цилиндром и поршнем до нескольких мкм.на одну сторону. В качестве смазки поршня используется сам рабочий газ-гелий. Однако утечка газа по поршневому уплотнению составляет небольшую величину 6-8 % количества расширяемого газа.

Впуск и выпуск газа осуществляются периодически с помощью впускного 4 и выпускного 7 клапанов, которые приводятся в движение рычагами и тягами, связанными с кулачками на коленчатом валу.

Производительность детандера при частоте вращения 310 об/мин составляет 260 м³/ч и может плавно регулироваться. Адиабатический КПД не ниже

0,75 и может доходить до 0,9 – 0,95. Температура гелия перед детандером 24 – 28 К, а после расширения в нем 11 – 12,5 К.

9.2.3. Ожижитель с одним детандером

В конце 20 века у нас были разработаны и выпускались гелиевые ожижители различных типов и разной производительности

В качестве примера рассмотрим устройство ожижителя с одним детандером, который был рассмотрен выше в разделе 9.2.2. Ожижитель показан на рис. 9.10. Основу его составляет опорная плита 1, к которой вакуумноплотно крепится металлический сосуд Дьюара 2 с помощью крепежа. Собственная полость между стенками сосуда Дьюара откачивается с помощью вакуумного диффузионного насоса (на рисунке 9.10 не показан), который крепится на нем. В вакуумной полости сосуда поддерживается «жесткий» вакуум ( 10^-3 Па). Под сосудом располагаются радиационные экраны 3, которые защищают систему теплообменников от лучистого теплообмена с теплыми стенками сосуда Дьюара. Под такой вакуумной изоляцией располагается собственно ожижитель. В центре его по оси симметрии установлены детандер 4 с цилиндром и поршнем, а ниже него – сборник жидкого гелия 11, представляющий цилиндрическую емкость из меди со сферическими донышками. Над этой конструкцией также симметрично – азотная ванна 5 в виде тора. Снаружи, как видно из рисунка, располагаются трубчатые теплообменники 6 – 9, навитые на цилиндрическую поверхность с вертикальной осью симметрии различной конструкции, но типа "труба в трубе". Теплообменники выполнены из медных трубок и имеют различный коэффициент теплоотдачи и соответственно разный уровень температур – чем ниже расположены по вертикали, тем ниже температурный уровень. В центре располагаются дроссельный вентиль 10 с системой трубчатых коммуникаций, куда входят трубки слива жидкого гелия с вентилями 12 (в конструкции их два). Вся полость внутри сосуда Дьюара вакуумирована с целью снижения тепловых потерь не только в процессе ожижения, но и сбора жидкого гелия, т.к. емкость бачка составляет 40 литров.

Как было рассмотрено выше, на схеме рис. 9.7 сжатый газообразный гелий, пройдя предварительные теплообменники 1 охлаждается в ванне с жидким азотом 2. Эти теплообменники перекрестнопоточные витые из медных оребренных трубок. Затем гелий поступает в нижние теплообменники 3, 4. Это теплообменники типа «труба в трубе» с внутренней оребренной трубкой. Между теплообменниками установлен поршневой детандер 8. После детандера гелий проходит через дроссель 6, где он испытывает фазовый переход «пар-жидкость» и собирается в сборнике 5, откуда он периодически сливается в транспортные сосуды Дьюара.

9.3. Ожижение гелия - 3

Раньше мы отмечали, что понижение температуры от 4,2 К возможно откачкой паров ⁴Не. Однако на этом пути существуют ограничения и они связаны с очень низким давлением равновесного пара над поверхностью гелия и явлением сверхтекучести.

У более легкого изотопа ³Не давление паров существенно выше, например, при температуре 1 К в 35 раз, а при Т = 0,5 К в 10000 раз по сравнению с давлением паров ⁴Не. Попутно отметим, что изотоп ³Не при атмосферном давлении конденсируется при 3,195 К, его критическая температура 3,35 К, а рабочая 0,3 – 0,5 К, т.е. легко можно таким образом достичь этого температурного уровня. Трудность же связана с малыми количествами самого ³Не и, следовательно, его стоимостью. Мы отметили, что он в основном получается как продукт распада за счет атомных реакций. Однако и здесь он находится в смеси с ⁴Не, откуда он извлекается. Все это заставляет использовать только замкнутые системы в цикле ожижения ³Не.

Впервые ³Не был ожижен в 1948 году и в настоящее время довольно хорошо изучен. Рассмотрим одну из известных схем его ожижения, которая показана на рис. 9.11.

Газообразный гелий 3 для своего ожижения проходит последовательно две ванны с жидким ⁴Не. В каждой из них гелий находится под вакуумом, т.е. производится откачка паров, что позволяет поддерживать температуру в верхней части криостата на уровне 1,5 К, а в нижней – 1 К. Легкий изотоп гелия конденсируется и собирается в сборнике.

За счет перепада давлений паров в сборнике и сосуде Дьюара 2, созданного вакуумным насосом 8, который в этой ситуации выполняет роль компрессора с малым избыточным давлением. (На входе в компрессор в трубке 3 давление составляет 2 10^-3 Тор, а на выходе 10 Тор), ³Не продавливается через дроссельный вентиль 7 и тем самым температура его понижается, а при вакуумной откачке температура в сосуде Дьюара 2 становится равной  0,3 К. Так, достигается и поддерживается эта температура во время работы. После окончания ожижения существующая система коммуникаций с вентилями, позволяют через ловушку (Л) компрессором 8 контролируя давление с помощью жидкостных манометров 9 собрать в газообразном состоянии ³Не в баллоне внутри криостата.

Существуют и другие схемы ожижения ³Не, например, с использованием холода паров обратного потока или замены механических вакуумных насосов на адсорбционные с их накопительным принципом работы.