Ozhizhenie_gelia_2008_A5_11 (1)

УДК 621.56, 621.59

Составитель доц. С.В. Визгалов

Ожижение гелия : методические указания к лабораторным работам / С.В. Визгалов. − Казань: Изд-во Казан. гос. технол. ун-та, 2009. - 76 с.

Содержится описание части лабораторного курса по дисциплинам «Теплофизические процессы в криогенных системах» и «Криогенные системы», в рамках которых по тематике «Ожижение гелия» предусматривается проведение трех лабораторных занятий продолжительностью 4 часа каждое.

Каждая лабораторная работа предусматривает изучение теоретического материала, выполнение расчетов, также приводятся контрольные вопросы по соответствующей теме.

Предназначены для аудиторной и самостоятельной работы студентов специальностей 140401 «Техника и физика низких температур» и 140504 «Холодильная, криогенная техника и кондиционирование», изучающих дисциплины «Теплофизические процессы в криогенных системах» и «Криогенные системы» очной и заочной форм обучения.

Подготовлены на кафедре холодильной техники и технологии.

Печатаются по решению методической комиссии института химического и нефтяного машиностроения.

Рецензенты: нач. криогенного отдела КФТИ РАН, канд. физ.-мат.наук С.Я. Хлебников, доц. каф. ВТЭУ Д.И. Сагдеев

2

Лабораторная работа 1 Циклы ожижения гелия

Цель: ознакомиться с классическими циклами ожижения гелия, изучить устройство ожижителя установки ГС-2, построить и рассчитать цикл ожижения гелия с азотным охлаждением, двумя детандерными ступенями и концевой дроссельной ступенью с двукратным дросселированием.

1.1. Общая характеристика гелия как криовещества

Гелий имеет два стабильных изотопа: гелий-3 (Не3) и гелий-4 (Не4). Из них наиболее распространенным в природе является гелий-4. Он содержится исключительно в газообразном состоянии в земных недрах в составе природного газа (до 1 2 %), а также в значительно меньших количествах в атмосферном воздухе (5,24 10-4 %). Его образование связано с радиоактивным распадом в земле тяжелых химических элементов, таких как уран. Легкий изотоп гелия (Не3) существует в природе в значительно меньших количествах, его объемная доля в гелии составляет всего лишь 1,37 10-4 %. Это объясняется тем, что природный изотоп Не3 является продуктом значительно более медленного процесса радиоактивного распада сверхтяжелого водорода - трития.

Основным промышленным способом получения газообразного гелия является его выделение из природного газа. Другим способом получения гелия, менее распространенным и производительным, является выделение его из воздуха, но, учитывая его малое содержание это экономически целесообразно только на крупных воздухоразделительных установках (ВРУ) с расходом воздуха свыше 100 000 м3/ч (такие установки применяются на предприятиях химической и металлургической промышленности).

Гелий, по сравнению с другими криовеществами (азот, неон), имеет малую плотность, значительную теплоемкость и теплопроводность (по этим параметрам он уступает лишь водороду, обладающему вдобавок повышенной взрывоопасностью). Гелий является единственным веществом, которое существует в жидкой фазе при температурах вблизи абсолютного нуля, при давлении, менее 2,5 МПа. Твердым, гелий становится при температурах менее 5 К и давлении значительно большим атмосферного. Благодаря указанным свойствам и своей нейтральности он является хорошим теплоносителем − криоагентом

3

при температурах менее 15 К. Такие температуры необходимы для осуществления эффекта сверхпроводимости и создания сверхмощных магнитных полей, необходимых для проведения реакции термоядерного синтеза, изучения взаимодействия элементарных частиц в ускорителях (нуклотроне, коллаидере), для создания высокого и сверхвысокого вакуума (10-8…10-10 Па) с помощью криовакуумных насосов.

Линия

кипения

Рис. 1. Диаграммы фазовых состояний: а – большинства веществ; б – гелия.

Кроме этого гелий обладает рядом уникальных свойств, некоторые из которых заметны уже при рассмотрении фазовых диаграмм (рис. 1). Обычно, равновесные линии плавления, кипения и сублимации смыкаются в одной точке, в которой в равновесии существуют одновременно все три фазы вещества, это − тройная точка (точка А на рис. 1а). Но у гелия отсутствует равновесная кривая сублимации, т.е. твердая и газообразная фазы не могут существовать в равновесии. Твердым гелий может существовать в равновесии только с жидкостью (линия плавления) при температуре менее 5К и давлении более 2,5МПа. Жидкость также может существовать в равновесии с паром (линия кипения). Линии плавления и кипения не соприкасаются между собой, поэтому тройная точка у гелия отсутствует (рис. 1б). Область жидких состояний гелия разделена -линией. Справа от этой линии жидкий гелий находится в обычном для жидкости (вязком) состоянии

4

и обозначается НеI. Слева от -линии гелий, оставаясь жидким, приобретает ряд уникальных свойств, основное из которых - сверхтекучесть. В этой области вязкость становится настолько малой, что он способен течь через ультра малые щели, размером не более 0,5 мкм, непроницаемые даже для газа, это состояние гелия обозначается как НеII. При течении НеII в трубах полностью безвязкостные режимы не наблюдаются, однако закономерности течения и теплообмена сильно отличаются от обычных. Температура перехода HeI в HеII зависит от состояния и давления, так на равновесной линии кипения точка перехода - лежит при температуре Т=2,172К и р=0,005 МПа. На равновесной линии плавления переход происходит при Т=1,763К и р=3,013 МПа (точка ’). В области жидкости существует -линия, при увеличении давления температура перехода снижается.

Нормальная температура кипения Не4 составляет 4,224К (точка О на рис. 1б), Не3 – 3,191К. Откачкой паров над кипящей жидкостью можно понизить температуру кипения Не4 до 0,7К, Не3 − до 0,2К. Дальнейшее снижение температуры ограничено возможностями ваку- ум-насосов, из-за чрезвычайно низкой упругости паров Не. Гелий обладает самой низкой теплотой испарения из всех существующих жидкостей, которая составляет 20,8 кДж/кг для Не4 и 8,5 кДж/кг для Не3 (у азота 198,4 кДж/кг). Это обстоятельство обуславливает необходимость применения вакуума для теплоизоляции при ожижении, хранении и транспортировании жидкого гелия.

1.2.Ожижение гелия

Вциклах ожижения газообразных веществ, для понижения их температуры используется холодопроизводительность одного из следующих процессов:

- кипение при низких температурах какого-либо криовещества

–внешнего источника охлаждения (N2, H2 и др);

- расширение ожижаемого газа в детандере или дросселе. Расширение газа предполагает наличие у него потенциальной

энергии, которая сообщается ему в процессе сжатия в компрессорной машине, для гелия, водорода, как правило, объемного типа (поршневой или винтовой компрессор).

Температура инверсии для гелия составляет очень низкую величину 40К, критическая температура также очень низка – 5,2 К, поэтому процессу дросселирования должны предшествовать процессы охла-

5

ждения при постоянном давлении в теплообменниках или других устройствах до температуры ниже точки инверсии, близкой к критической.

Впервые получить жидкий гелий удалость в 1908 г. Г. Камер- линг-Оннесу в Лейденской лаборатории низкотемпературных исследований (Голландия). Для этого был использован метод постепенного охлаждения сжатого гелия за счет кипения различных криовеществ на

Дроссельный цикл с предварительным азотным и водородным охлаждением

Рис. 2. Схема ожижения гелия методом дросселирования

1 Описание этого содержится в книге В.М. Бродянского «От твердой воды до жидкого гелия (история холода)», М.: Энергоатомиздат, 1995г. – 336с.

6

Долгое время этот метод являлся основным методом ожижения гелия. Для достижения точки инверсии гелия в этом цикле применяются две ступени предварительного охлаждения газообразного гелия – с помощью кипящих жидкого азота, затем водорода и последующее его дросселирование в сборник жидкого гелия. Существуют различные формы осуществления этого цикла. Наиболее распространенной является схема, в которой жидкий азот кипит под атмосферным давлением (Т 77,4К), а водород под вакуумом (р 7,2 кПа) при Т=14 16К, обеспечивая наибольшую величину дроссель-эффекта гелия.

Рассмотрим схему такого цикла в ее простейшем варианте, когда жидкие N2 и Н2 доставляются со стороны (рис. 2). Газообразный гелий сжимается в поршневом компрессоре до давления 2,5…3 МПа и направляется в теплообменник ТО1, где охлаждается обратными газообразными потоками азота, водорода и гелия. Далее прямой поток гелия, т.е. поток высокого давления, следующий из компрессора на ожижение, охлаждается в азотной ванне В1, где теплота отводится от него к кипящему азоту. Затем следует вторая ступень охлаждения, включающая теплообменник регенерации теплоты ТО2 и водородную ванну В2, после которой гелий дополнительно охладившись в теплообменнике ТО3, дросселируется в регулирующем вентиле РВ в сборник жидкого гелия Сб. Образовавшаяся жидкость выводится из машины, а обратный поток (сухой пар), подогреваясь в теплообменниках ТО1, ТО2, ТО3, возвращается в компрессор. Кроме этого в линию всасывания компрессора добавляется газообразный гелий в количестве, равном отводимой в сборник жидкости. Пары азота и водорода также охлаждают прямой поток сжатого гелия и через теплообменники выводятся из ожижителя. Недостатком этой схемы являются зависимость от посторонних хладагентов и большие потери газообразного водорода, в связи с невозможностью сжижать его на месте.

Более сложный вариант этого цикла предусматривает получение жидкого водорода непосредственно в гелиевом ожижителе с помощью встроенного водородного цикла. Схема такой установки и ее цикл представлены на рис. 3. Она получила большее распространение в связи с ее универсальностью и независимостью от источника снабжения жидким Н2, недостатком является усложненность схемы.

Установка работает следующим образом. Газообразный гелий, сжатый в компрессоре К-Не от давления 0,11 МПа до 2,5÷2,8 МПа и газообразный водород, также сжатый в свою очередь в водородном

7

порядка 80÷85 К. Затем прямые потоки охлаждаются в теплообменни-

порядка 14 К при давлении 7,2 кПа.

Замыкает цикл концевая дроссельная ступень, в которой гелий охлаждается в теплообменнике ТО4 и дросселируется в регулирующем

9