2.4.2. Регулювання температури вище 4,2 к

Опишемо деякі методи одержання і підтримки температур, що лежать поза областями, що перекриваються за допомогою рідких холодоагентів, наприклад між 4,2 і 5 К, якщо в розпорядженні є тільки рідкий гелій і азот.

Температуру рідкого гелію можна підняти приблизно на 1 К, підвищивши тиск парів вище від атмосферного. Скляна посудина Дьюара, міцно з'єднана з капкою, повинна витримувати надлишковий тиск близько 1 атм, при цьому можна одержати температуру близько 5 К. Критична температура гелію 5,2 К, а критичний тиск 1711 мм рт. ст. У цій області тиск швидко зростає з температурою, тому, якщо рідкий гелій нагрівають вище від нормальної точки кипіння, кріостат варто забезпечити яким-небудь запобіжним клапаном.

У найпростішому і самому грубому методі одержання широкого діапазону температур прилад поміщають у посудину Дьюара на деякій відстані над рівнем рідкого гелію, при цьому він одержує температуру, проміжну між кімнатною і 4,2 К. Цей метод прийнятний для грубих вимірювань і не дозволяє здійснювати точного регулювання температури, особливо тому, що часто градієнт температури в посудинах Дьюара дуже великий і зміна температури відбувається в досить обмеженій області.

Розділ 5. Зрідження газів з використанням ефекту Джоуля — Томсона (метод Лінде)

В історично першій машині для зрідження газів (повітря) в технічних масштабах (Лінде і Гемпсон, 1895 р.) для охолодження газів нижче критичної температури і наступного зрідження використовувався метод дроселювання. Тепер для цієї мети застосовують, переважно, машини з розширенням у детандерах. Наведемо схему машини Лінде, оскільки в ній поряд з використанням ефекту Джоуля — Томсона (явища зміни температури газу при його адіабатному розширенні дроселюванням від одного сталого тиску до іншого) було застосовано важливий конструктивний принцип протитечійного теплообміну, який в тій або іншій формі і тепер застосовують в усіх зріджувальних машинах.

Схему машини Лінде подано на рис.2.28.

Рис. 2.28. Схема машини Лінде

Повітря надходить у компресор К, в якому воно стискається до 200 атм. Після цього воно проходить через змійовик, що охолоджується проточною водою, де воно віддає тепло, яке виділилося при стисканні. Таким чином, в дальший шлях до зрідження йде стиснений газ з температурою, такою самою, як і до стискування. Цей газ проходить потім через змійовик ab до дросельного вентиля (крана) V₁ і розширюється через нього в приймач f до тиску в 1 атм. При цьому розширенні газ трохи охолоджується, але, звичайно, не настільки, щоб перетворитися в рідину.

Охолоджений, але не зріджений газ повертається потім назад через змійовик сd. Обидва змійовики — ab і сd — розміщені один відносно одного так, що між ними, а також між порціями газу, які проходять по них, існує тепловий контакт. Завдяки цьому газ, який зазнав розширення і охолодження, охолоджує порцію стисненого газу, що йде йому назустріч, яка ще розшириться через вентиль V₁. У цьому й полягає метод протитечійного обміну теплом. Зрозуміло, що друга порція газу підійде до розширювального вентиля V₁, маючи нижчу температуру, ніж перша, а після дроселювання вона ще більше знизиться. Проходячи в свою чергу через теплообмінник, цей вже двічі охолоджений газ знову поглине тепло від нової зустрічної порції стисненого газу і т. д. Таким способом до вентиля підходитиме дедалі холодніший газ. Через деякий час після початку роботи машини поступове охолодження газу холодними зустрічними потоками призведе до того, що газ при черговому дроселюванні почне частково зріджуватись і нагромаджуватись у приймачі f, звідки його можна буде злити через кран V₂ в посудину Дьюара.

Рис. 2.29. Схема машини Лінде

При усталеному процесі роботи машини в різних її місцях спостерігаються приблизно такі температури: біля входу в змійовик 293 К (кімнатна температура); на виході з цього змійовика — 170 К; після дроселювання — 80 К; біля входу в змійовик (в точці с) —80 К; на виході з нього — кімнатна температура. Тиск перед вентилем — 200 атм. після дроселювання — 1 атм.

Пристрій, з обома змійовиками аb і сd, в якому газ охолоджується зустрічним потоком охолодженого газу, називається теплообмінником. У машині Лінде теплообмінник виконаний у вигляді вставлених одна в одну трубок, яким разом надавали форми змійовика. Газ високого тиску надходить по внутрішній трубці (рис. 2.29). Зустрічний потік охолодженого газу низького тиску проходить по зовнішній трубці, яка обмиває внутрішню і охолоджує, таким чином, газ у ній.

Описаний принцип протитечії застосовують у всіх холодильних машинах, хоч конструкції теплообмінників зазнали значних змін. У сучасних установках вони забезпечують кращий теплообмін і, крім того, роблять можливим очищення зрідженого газу від домішок.

На схемах зображатимемо теплообмінники розміщеними поруч із змійовиками, причому жирними лініями позначатимемо трубки, по яких проходить газ під високим тиском, тонкими —трубки, в яких проходить газ низького тиску.

Як ми вже згадували, тепер машини типу Лінде для зрідження повітря застосовують рідко. Проте для зрідження водню і гелію машини цього типу, дія яких грунтується на використанні ефекту Джоуля — Томсона, застосовують і досі. Як приклад наведемо тут схему однієї з машин для зрідження гелію.

Оскільки температура інверсії ефекту Джоуля — Томсона Т_і для гелію дуже низька (близько 50 К), то він повинен бути спочатку охолоджений до температури нижче Т_і. В описуваній машині гелій охолоджується рідким воднем до температури 14,5 К. Роботу машини ілюструє схема, подана на рис. 2.30.

Гелій, стиснений компресором до тиску 30 атм, надходить у машину двома потоками по двох трубах, які з'єднані разом у точці О. Обидві ці труби є частинами двох теплообмінників— / і //. У теплообміннику / гелій охолоджується зустрічним потоком газоподібного гелію, що випаровується з приймача / і пройшов вже через теплообмінник IV.

Рис. 2.30. Схема машини для зрідження гелію.

У теплообміннику // друга частина стисненого газу охолоджується зустрічним потоком газоподібного водню, який випаровується з ванни з рідким воднем Н.

З'єднавшись у точці О, обидва потоки разом надходять у змійовик ///, що проходить крізь рідководневу ванну H, і набувають її температури (14,5 К). Пройшовши через цю ванну, гелій потрапляє в теплообмінник IV, де він додатково охолоджується до температури 5,8 К гелієм, що випаровується з приймача. При такій температурі гелій зазнає дроселювання через вентиль V і зріджується.

Весь апарат розміщують у вакуумному чохлі, що забезпечує надійну теплову ізоляцію.

Наведені вище цифри для температур в різних частинах установки стосуються, звичайно, усталеного режиму роботи. Під час розгону машини температура гелію перед дроселюванням вища, ніж 5,8 К (але, звичайно, не вища за 14,5 К), бо в цей час у приймачі ще немає рідкого гелію. Машина має продуктивність близько 10 л рідкого гелію за годину, що є порівняно дуже високою цифрою.