Kryocooler - Cryocooler

Chladnička určená k dosažení kryogenních teplot (pod 120 K / -153 ° C) se často nazývá kryocooler . Termín se nejčastěji používá pro menší systémy, obvykle stolní, se vstupními výkony menšími než asi 20 kW. Některé mohou mít vstupní výkon až 2–3 W. Velké systémy, například systémy používané k chlazení supravodivých magnetů v urychlovačích částic, se častěji nazývají kryogenní chladničky. Jejich příkon může být až 1 MW. Kryocoolery ve většině případů používají jako pracovní látku kryogenní tekutinu a využívají pohyblivé části k cirkulaci tekutiny kolem termodynamického cyklu. Tekutina je obvykle stlačována při pokojové teplotě, předchlazena ve výměníku tepla a poté expandována při nějaké nízké teplotě. Vracející se nízkotlaká kapalina prochází výměníkem tepla, aby vysokotlakou kapalinu před vstupem do sání kompresoru předchladila. Cyklus se poté opakuje.

Ideální výměníky a regenerátory tepla

Výměníky tepla jsou důležitou součástí všech kryocoolerů. Ideální výměníky tepla nemají žádný odpor proudění a teplota výstupního plynu je stejná jako (pevná) tělesná teplota T X výměníku tepla. Všimněte si, že ani dokonalý výměník tepla neovlivní vstupní teplotu T i plynu. To vede ke ztrátám.

Důležitou součástí chladniček pracujících s oscilačními proudy je regenerátor. Regenerátor se skládá z matrice z pevného porézního materiálu, jako jsou zrnité částice nebo kovová síta, přes který proudí plyn tam a zpět. Teplo je pravidelně skladováno a uvolňováno materiálem. Tepelný kontakt s plynem musí být dobrý a odpor toku matrice musí být nízký. To jsou protichůdné požadavky. Termodynamické a hydrodynamické vlastnosti regenerátorů jsou komplikované, takže se obvykle dělají zjednodušující modely. Ve své nejextrémnější formě má ideální regenerátor následující vlastnosti:

  • velká objemová tepelná kapacita materiálu;
  • perfektní tepelný kontakt mezi plynem a matricí;
  • nulový odpor odporu matice;
  • nulová pórovitost (to je objemový zlomek plynu);
  • nulová tepelná vodivost ve směru toku;
  • plyn je ideální.

Pokrok v oblasti kryocooleru v posledních desetiletích je z velké části způsoben vývojem nových materiálů s vysokou tepelnou kapacitou pod 10 K.

Stirling lednice

Komponenty

Obr.1 Schematický diagram Stirlingova chladiče. Systém má jeden píst při teplotě okolí T A a jeden píst za nízké teploty T L .

Základní typ chladiče Stirlingova typu je znázorněn na obr.1. Skládá se z (zleva doprava):

  • píst
  • kompresní prostor a výměník tepla (všechny při teplotě okolí T A )
  • regenerátor
  • výměník tepla
  • rozšiřující prostor
  • píst (vše při nízké teplotě T L ).

Levá a pravá tepelný kontakt s okolím při teplotách T a T L má být perfektní, takže komprese a expanze jsou izotermické . Práce prováděné během expanze slouží ke snížení celkového příkonu. Pracovní tekutinou je obvykle helium .

Cyklus chlazení

Viz také: Stirlingův cyklus
Obr.2 Čtyři stavy ve Stirlingově cyklu .

Cyklus chlazení je rozdělen na 4 kroky, jak je znázorněno na obr.2. Cyklus začíná, když jsou dva písty v nejvíce levých polohách:

  • Od a do b. Teplý píst se pohybuje doprava, zatímco studený píst je pevný. Teplota stlačeného plynu na horkém konci je izotermický (podle definice), takže teplo Q se uvolňuje do okolí při teplotě okolí T A .
  • Od b do c. Dva písty se přesunou doprava. Objem mezi dvěma písty je udržován konstantní. Horký plyn vstupuje do regenerátoru s teplotou T A a ponechává se teplota T L . Plyn vydává teplo regeneračnímu materiálu.
  • Od c do d. Studený píst se pohybuje doprava, zatímco teplý píst je pevný. Expanze je izotermická a odebírá se teplo Q L. Toto je užitečný chladicí výkon.
  • Od d do a. Dva písty se pohybují doleva, zatímco celkový objem zůstává konstantní. Plyn vstupuje do regenerátoru s nízkou teplotou T L a opouští ho s vysokou teplotou T a, takže je teplo odebíráno z regeneračního materiálu. Na konci tohoto kroku je stav chladiče stejný jako na začátku.
Obr.3 pV-diagram ideálního Stirlingova cyklu .

V diagramu pV (obr. 3) se odpovídající cyklus skládá ze dvou izoterm a dvou izochor. Objem V je objem mezi dvěma písty. V praxi není cyklus rozdělen na jednotlivé kroky, jak je popsáno výše. Pohyby obou pístů jsou obvykle poháněny společnými rotačními osami, díky nimž jsou pohyby harmonické. Fázový rozdíl mezi pohyby obou pístů je asi 90 °. V ideálním případě, že cyklus je reverzibilní, takže COP (poměr chladicího výkonu a příkonu), je rovna Carnot COP daný T L / ( T - T L ).

Mít studený píst, jak je popsáno výše, není tak praktické, takže v mnoha případech je místo studeného pístu použit přemisťovač. Vytěsňovač je pevné těleso, které se pohybuje tam a zpět ve studené hlavě a pohání plyn tam a zpět mezi teplým a studeným koncem studené hlavy prostřednictvím regenerátoru. Při přemísťování přemísťovače není nutná žádná práce, protože v ideálním případě nad ním není žádný pokles tlaku. Obvykle je jeho pohyb o 90 stupňů mimo fázi s pístem. V ideálním případě se COP také rovná Carnot COP.

Obr.4 Schematický diagram dělené dvojice Stirlingovy chladničky. Chladicí výkon je dodáván do výměníku tepla studeného prstu. Tepelné toky jsou obvykle tak malé, že kolem dělené trubky není potřeba fyzických výměníků tepla.

Dalším typem chladiče Stirling je typ s děleným párem (obr.4), který se skládá z kompresoru, dělené trubky a studeného prstu. Obvykle existují dva písty pohybující se v opačných směrech poháněné střídavým magnetickým polem (jako v reproduktorech). Písty lze zavěsit pomocí takzvaných ohybových ložisek. Poskytují tuhost v radiálním směru a pružnost v axiálním směru. Písty a skříň kompresoru se nedotýkají, takže nejsou potřeba žádná maziva a nedochází k opotřebení. Regenerátor v chladném prstu je zavěšen pružinou. Chladič pracuje na frekvenci blízké rezonanční frekvenci systému hmotné pružiny chladného prstu.

GM chladničky

Obr.5 Schematický diagram GM chladiče. V l a V h jsou objemy vyrovnávací paměti kompresoru. Stlačené teplo je odváděno chladicí vodou kompresoru přes výměník tepla. Rotační ventily střídavě připojují chladič k vysokotlaké a nízkotlaké straně kompresoru a běží synchronně s výtlakem.

Chladiče Gifford-McMahon (GM) našly široké uplatnění v mnoha nízkoteplotních systémech, např. V MRI a kryopumpech. Obr.5 je schematický diagram. Pracovní tekutinou je helium při tlacích v rozmezí 10–30 barů (150–440 psi). Studená hlava obsahuje kompresní a expanzní prostor, regenerátor a vytěsňovač. Obvykle jsou regenerátor a vytěsňovač kombinovány v jednom těle. Změny tlaku ve studené hlavě jsou získány jejím pravidelným připojením na vysokotlaké a nízkotlaké strany kompresoru otočným ventilem. Jeho poloha je synchronizována s pohybem přemísťovače. Během otevírání a zavírání ventilů dochází k nevratným procesům, takže GM chladiče mají vlastní ztráty. To je jasná nevýhoda tohoto typu chladiče. Výhodou je, že frekvence cyklu kompresoru a vychylovače jsou odpojeny, takže kompresor může běžet na frekvenci elektrického vedení (50 nebo 60 Hz), zatímco cyklus studené hlavy je 1 Hz. Tímto způsobem může být zdvihový objem kompresoru 50 (60) krát menší než v chladiči. V zásadě lze použít (levné) kompresory domácích chladniček, ale je třeba zabránit přehřátí kompresoru, protože není určen pro helium. Je také třeba zabránit vniknutí olejových par do regenerátoru vysoce kvalitními čisticími lapači.

Cyklus chlazení

Obr. 6 Čtyři fáze chladicího cyklu GM chladiče.

Cyklus lze rozdělit do čtyř kroků s obr.6 následovně:

Cyklus začíná uzavřením nízkotlakého (lp) ventilu, otevřeného vysokotlakého (hp) ventilu a přemístěním zcela doprava (tedy v chladné oblasti). Veškerý plyn má pokojovou teplotu.

  • Od a do b. Posuvník se pohybuje doleva, zatímco studená hlava je připojena k hp straně kompresoru. Plyn prochází regenerátoru vstupující do regenerátoru při okolní teplotě T A a opouští ji s teplotou T L . Teplo se uvolňuje plynem do regeneračního materiálu.
  • Od b do c. Ventil hp se zavře a ventil lp se otevře s pevnou polohou přemísťovače. Část plynu proudí regenerátorem na lp stranu kompresoru. Plyn se rozpíná. Expanze je izotermická, takže teplo je odebíráno z aplikace. Zde se vyrábí užitečný chladicí výkon.
  • Od c do d. Vyměňovač se pohybuje doprava se studenou hlavou připojenou k lp straně kompresoru a nutí chladný plyn procházet regenerátorem, přičemž odebírá teplo z regenerátoru.
  • Od d do a. Ventil lp je uzavřen a ventil hp otevřen s pevnou polohou přemísťovače. Plyn, nyní v horkém konci studené hlavy, je stlačen a teplo se uvolňuje do okolí. Na konci tohoto kroku jsme zpět v poloze a.

Pulzní lednice

Obr.7 Schematický diagram jednootvorového PTR Stirlingova typu.

Pulzní trubice chladničky (PTR) se zpracuje v samostatném článku. Pro úplnost je na obr. 7 schematicky znázorněn takzvaný PTR s jednoduchým otvorem Stirlingova typu. Zleva doprava se skládá z: pístu, který se pohybuje tam a zpět; tepelný výměník Xi (po chladiče), kde se teplo uvolňované při pokojové teplotě ( T s ), aby se chladicí vody nebo do okolního prostředí; regenerátor; výměník tepla X L při nízké teplotě ( T L ), kde je teplo absorbováno z aplikace; trubice, často nazývaná pulzní trubice; tepelný výměník X₃ na pokojovou teplotu ( T s ); odpor toku (clona); vyrovnávací objem, ve kterém je tlak p B prakticky konstantní.

Chladič Joule-Thomson

Obr. 8 Schematický diagram zkapalňovače JT. Frakce x stlačeného plynu se odstraní jako kapalina. Při pokojové teplotě je dodáván jako plyn při tlaku 1 bar, takže je systém v ustáleném stavu.

Chladič Joule-Thomson (JT) vynalezli Carl von Linde a William Hampson, proto se mu také říká chladič Linde-Hampson. Jedná se o jednoduchý typ chladiče, který je široce používán jako kryocooler nebo jako (konečná fáze) chladicích kapalin. Lze jej snadno miniaturizovat, ale také se ve velmi velkém měřítku používá při zkapalňování zemního plynu. Schematický diagram zkapalňovače JT je uveden na obr.8. Skládá se z kompresoru, protiproudého výměníku tepla, ventilu JT a zásobníku.

Cyklus chlazení

Na obr. 8 se tlaky a teploty vztahují k případu zkapalňovače dusíku. Na vstupu do kompresoru je plyn při pokojové teplotě (300 K) a tlaku 1 bar (bod a). Stlačené teplo je odváděno chladicí vodou. Po stlačení je teplota plynu teplota okolí (300 K) a tlak je 200 barů (2900 psi) (bod b). Poté vstupuje na teplou (vysokotlakou) stranu protiproudého výměníku tepla, kde je předchlazen. Opouští výměník v bodě c. Po expanzi JT, bod d, má teplotu 77,36 K (-195,79 ° C; -320,42 ° F) a tlak 1 bar. Kapalná frakce je x . Kapalina opouští systém na dně zásobníku (bod e) a plyn (frakce 1- x ) proudí do studené (nízkotlaké) strany protiproudého výměníku tepla (bod f). Odchází z výměníku tepla při pokojové teplotě (bod a). Aby byl systém v ustáleném stavu, je dodáván plyn ke kompenzaci kapalné frakce x , která byla odstraněna.

Pokud se používá jako kryocooler, je vhodnější použít směsi plynů místo čistého dusíku. Tímto způsobem se zlepší účinnost a vysoký tlak je mnohem nižší než 200 barů.

Podrobnější popis chladičů Joule-Thomson a chladniček Joule-Thomson najdete v.

Reference

Viz také

Veřejná doména Tento článek včlení  materiál veřejně dostupný z webu Národního institutu pro standardy a technologie https://www.nist.gov .