Промышленные методы ожижения водорода

В.М. Цуканов, студент гр. НТ-081, И.М. Шушлебин

Кафедра физики твердого тела

О

Рис. 1. Схема цикла двух давлений с детандером: К-компрессор; Д-детандер; I, III, IV, V-теплообменники, II-ванна с жидким азотом, VI-сборник жидкого водорода.

Рис. 2. Схема гелиево-водородного цикла: К-компрессор; Д-детандер; I,II,III-теплообменники гелиевого контура (1,2,3-теплообменники водородного контура, 4-сборник жидкого водорода)

бласть низких температур представляется важной областью исследования. Мы же рассмотрим в ней пути ожижения водорода. Одним из методов получения жидкого водорода является цикл с расширением в детандере см. рис. 1. Водород сжимается компрессором K и через теплообменник I поступает в азотную ванну II и теплообменник III охлаждаемый обратным потоком водорода, поступает частично в детандер Д, в количестве D, где расширяется, а оставшаяся часть (1- D) минуя детандер охлаждается в теплообменнике IV обратным потоком водорода, а также охлажденным в детандере прямым потоком водорода. Прямой поток водорода идет в теплообменник V , после поступает в дроссель, проходит через него, охлаждается и ожижается, собираясь в сборнике IV [2]. Цикл рекомендуется к использованию для крупных ожижителей, так как применение детандера существенно улучшает экономичность ожижителей, а также при выходе детандера из строя эта система может функционировать по схеме двух давлений с дросселированием. Таким образом, работоспособность установки сохраняется при несколько меньшей производительности. Цикл с детандером и цикл двух давлений имеют примерно одинаковые показатели [1].В другом методе ожижение водорода осуществляется в гелиево-водородном конденсационном цикле путем его конденсации см. рис. 2. Гелий прямого потока проходит через теплообменник I, ванну с жидким азотом II, теплообменник III и расширяется в детандере Д до температуры ниже температуры конденсации водорода, проходит через теплообменники своего контура обратным потоком в компрессор K₁. Водород, сжатый компрессором K₂в параллельном контуре проходит в прямом потоке через теплообменники 1, 2 и 3 и конденсатор охлаждается и наконец, расширяется в дросселе, а образующийся конденсат водорода собирается в сборнике 4. Испаряющийся же водород охлаждает прямой поток водорода в теплообменниках 3 и 1 [2]. Цикл рекомендуется к использованию там, где необходимо уменьшить взрывоопасность, связанную с наличием водорода, так как цикл осуществляется при низких давлениях обоих потоков[1].

Литература

1. Е. И. Микулин // Криогенная техника. М. ,”Машиностроение”, 1969, стр. 272.

2. Милошенко В. Е. Криофизика: учеб. Пособие/В. Е. Милошенко. 2-е изд. перераб. и доп. Воронеж: ГОУВПО “Воронежский государственный технический университет”, 2009. 207 с.

УДК 534.7

Исследование диэлектрических потерь при фазовом переходе в кристалле молибдата тербия

С.Е. Трухачев

Кафедра физики твердого тела

Изучена температурная зависимость низкочастотных диэлектрических потерь tgδ в несобственном сегнетоэлектрике молибдате тербия Tb₂(MoO₄)₃ в окрестности точки Кюри при различных скоростях нагрева dT/dt. Образец для измерений представлял собой прямоугольный брусок размером 4х3х2 мм³ с серебряными электродами, нанесенными перпендикулярно полярной оси Z. Измерения tgδ проводились мостовым методом на частотах от 25 до 1000 Гц при амплитуде измерительного напряжения 1 В с постоянными скоростями изменения температуры. Температура в измерительной ячейке, помещенной в печь, изменялась со скоростью от 0,5 до 6 К/мин.

На температурных зависимостях низкочастотных диэлектрических потерь tgδ, измеренных при различных скоростях нагревания dT/dt, вблизи Т_С =160 ⁰С обнаружен ярко выраженный пик. Установлено, что высота пика диэлектрических потерь увеличивается прямо пропорционально скорости нагревания, если частота электрического поля остается неизменной. При постоянной скорости нагревания высота пика tgδ(T) изменяется обратно пропорционально частоте. Для объяснения полученных закономерностей был использован механизм релаксации низкочастотных электрических колебаний при фазовых переходах 1-го рода, основанный на представлениях о размытых фазовых переходах и о флуктуационном характере зарождения новой фазы вещества [1]. Учитывая, что внешнее поле изменяется по гармоническому закону с периодом, гораздо меньшим времени изотермического фазового превращения, а амплитуда колебаний достаточно мала, получено следующее выражение для высоты пика tgδ

вблизи точки Кюри: , (1)

где Р_S – скачок спонтанной поляризации в точке Кюри;  - объем критического зародыша новой фазы, дающего основной вклад в диэлектрические потери; dT/dt – скорость изменения температуры;  - диэлектрическая проницаемость; ₀ = 8.85∙10^-12 Ф/м - электрическая постоянная;  - частота; Т – ширина пика tg на уровне 0,5. Согласно полученному выражению диэлектрические потери вблизи точки Кюри прямо пропорциональны скорости фазового превращения, то есть скорости изменения температуры dT/dt и обратно пропорциональны частоте измерительного поля f. Формула (1) предсказывает, что этот механизм перестает работать при скорости нагревания dT/dt = 0. Однако эксперимент свидетельствует о том, что при изотермических условиях измерения (dT/dt = 0) диэлектрические потери в T_С не обращаются в нуль, т.е_. имеются какие-то еще другие механизмы tg при фазовом переходе: релаксация параметра порядка, доменный механизм и др.

Литература

1. Gridnev S.A., Darinskii B.M., Postnikov V.S.: Mechanism of dielectric loss in single crystals BaTiO3 at temperatures of ferroelectric phase transition. In book: Mechanisms of relaxation phenomena in solids. Kaunas. 1974. 244-248.

2. Гриднев С.А. Механизмы внутреннего трения в сегнетоэлектриках и сегнетоэластиках // Дисс. д.ф. – м. н., Воронеж. – 1983. – 351 с.

УДК 537.62