Меню Рубрики

Установки для получения низких температур

Методы получения низких температур

Диапазоны низких температур, от комнатной температуры, условно подразделяют на область умеренно низких (область умеренного холода от +20 до – 120 0 С) и криогенных температур (область глубокого холода от –120 до –273 0 С). Область умеренного холода применяется в холодильной технике. Область температур от +10 до –40 0 С применяется в холодильной технологии при производстве продуктов питания. Область глубокого холода применяется в криогенной технике.

В зависимости от окружающих условий (давления и температуры), вещества могут находиться в одном из трех фазовых (агрегатных) состояний – твердом, жидком и газообразном.

При подводе или отводе теплоты вещества изменяют свое фазовое состояние (например, переходят из твердого в жидкое, из жидкого в газообразное). На рис.1.1 показана фазовая диаграмма воды, отражающая условия равновесия между различными фазами в диапазоне давлений 0 ¸ 0,1 МПа. Изменение внешнего давления приводит к изменению закономерностей, характеризующих фазовые переходы при атмосферных условиях. При общем давлении Р в системе более 6,17 · 10 2 Па (тройная точка воды) возможно сосуществование трех фаз – твердого, жидкого и

Рис. 1.1. Фазовая диаграмма воды.

парообразного (газообразного). При Р 2 Па возможно сосуществование только двух фаз – твердой и парообразной. t = 0,0098 0 С, Р = 6,17 ۰ 10 2 Па – тройная точка воды.

При атмосферном давлении (Р1) и соответствующих температурах могут существовать три фазы воды: твердая при t1 ≤ 0 0 C, жидкая при 100 0 C ≥ t ≥ 0 0 C, газообразная при t2 ≥ 100 0 C. Из трех агрегатных состояний наибольший интерес в холодильной технологии имеет твердое состояние, возникающее при понижении температуры системы до уровня, при котором создаются соответствующие условия для фазового перехода жидкость – твердое вещество.

Охлаждением называется процесс понижения температуры охлаждаемого тела. Различают естественное и искусственное охлаждение. Естественное охлаждение осуществляется вследствие самопроизвольной передачи теплоты окружающей среде (атмосферному воздуху, воде естественных водоемов и грунту, имеющих более низкую температуру, чем охлаждаемое тело).

Искусственный холод получают двумя способами. Первый основан на аккумулировании естественного холода, второй на существующей в природе закономерности, выражаемой вторым законом термодинамики. Первый способ, относящийся к области ледяного или льдосоляного охлаждения, основан на том, что колебания температуры окружающей среды в природных условиях создают возможность сохранять или аккумулировать естественный холод в сравнительно ограниченном пространстве. Наиболее распространенным телом, сохраняющим естественный холод, является водный лед. Его заготавливают зимой, чтобы в теплое время года использовать для охлаждения. Второй способ

составляет основу машинного охлаждения. Применение охлаждающих устройств, холодильных машин, составляют специализированную область техники, которая называется холодильной техникой.

К основным физическим процессам, при котором происходит фазовый переход вещества, относят: плавление, конденсация, испарение, сублимация, кипение. Именно эти процессы лежат в основе получения низких температур.

1) Плавление водного льда и растворов солей. Температура плавления (затвердевания) зависит от вида вещества и давления окружающей среды. При превращении 1 кг льда в воду при 0 0 С, можно отвести 335 кДж теплоты, при этом температуру охлаждаемого вещества теоретически можно понизить до 0 0 С. r = 335 кДж / кг является скрытой теплотой плавления или затвердевания. Изменение фазового состояния в любом направлении происходит при одной и той же температуре.

где М – масса, кг, r – скрытая (удельная) теплота плавления, кДж/кг.

На практике этот способ охлаждения давно применяется за счет заготовленного зимой льда (природный холод), либо замороженной воды в льдогенераторах.

Для достижения более низких температур применяют льдосоляные смеси – смесь льда с хлористым натрием или с хлористым кальцием. При содержании хлористого натрия в количестве 22, 4 мас. % в смеси со льдом, температура плавления понижается до –21,2 0 С, а скрытая теплота плавления составляет 236,1 кДж/кг. Применяя в смеси с водным льдом хлористый кальций (29,9 мас. %) можно понизить температуру плавления смеси до –55 0 С, в этом случае r = 214 кДж/кг.

2) Сублимация – это переход вещества из твердого состояния в газообразное, минуя жидкую фазу при поглощении теплоты.

При атмосферном давлении сухой лед – это твердая двуокись углерода – переходит из твердого состояния в газообразное при температуре –78,9 0 С. Этот способ широко используют для охлаждения, замораживания, хранения и транспортировки в замороженном состоянии пищевых продуктов. Теплота сублимации составляет 571 кДж/кг.

При сушке белья зимой при атмосферном давлении происходит сублимация замороженной воды.

Читайте также:  Установка подвесных деревянных потолков

Процесс сублимации лежит в основе промышленного получения сублимированных продуктов.

Сублимационная сушка – это современный способ консервирования продук­тов питания, заключающийся в мгновен­ном удалении влаги из ягод, овощей, фруктов, мяса, масла, молочных изделий, рыбы, грибов и других продуктов питания в вакуум­ных установках.

Технология сублимационной сушки включает два основных этапа: заморажи­вание и собственно сушку. Во время вакуумно-сублимационной сушки из продукта удаляется влага путём возгонки (испаре­ния) льда. При этом минуется жидкая фа­за. При замачивании в воде сублимиро­ванные продукты быстро возвращаются к первозданной форме.

В процессе сублимации сохраняются питательные вещест­ва (до 95 %), витамины, микроэлементы, естественный запах, вкусовые качества и внешний вид исходного продукта, удобны для хранения и транспортировки, срок хранения при комнатной температуре составляет 12 – 36 месяцев в зависимости от вида сырья и упаковки. Одним из важнейших досто­инств сублимации является малая усадка исходного продукта, что позволяет избе­гать их разрушения и быстро восстанавли­вать сублимированные продукты, имею­щие пористую структуру, при обводнении.

Сейчас из-за недостатка производственных мощностей единственное российское предприятие по производству подобных товаров не может выпускать весь возможный ассортимент. В настоящее время акцент сделан на свёкле, капусте и моркови.

На рис. 1.2 показана принципиальная схема установки для исследования сублимационной сушки продуктов питания. Она состоит из камеры сублимации 1, холодильной машины 2, камеры десублимации 3, испарителя холодильной машины 4 и вакуум – насоса 5. Использован классический вариант конструкции, предназначенный для сушки материала в неподвижном слое. Установка содержит камеру сублимации, внутри которой расположены нагреватели
(кварцевые галогенные лампы) и поддон со слоем высушиваемого материала. Пары сублимированной влаги конденсировались при вымораживании в камере десублимации, в которой находится испаритель холодильной машины. Вакуум в системе поддерживали вакуум – насосом.

Рис. 1.2. Принципиальная схема установки для исследования сублимационной сушки

3) Кипение – процесс интенсивного парообразования на поверхности нагрева при подводе теплоты. При 100 0 С и Р = 1 атм вода кипит и поглощает 2257 кДж/кг. r = 2257 кДж / кг является скрытой теплотой парообразования. Кипение однородного вещества происходит при постоянной температуре, зависящей от давления. С изменением давления изменяется и температура кипения – с уменьшением давления, температура кипения уменьшается и наоборот.

Например, при атмосферном давлении Р = 0,1 МПа температура кипения фреона R22 равна t = – 40,5 0 С, а при Р = 1,2 МПа температура кипения составляет t ≈ 24 0 С.

Зависимость температуры кипения от давления изображают кривой называемой кривой упругости насыщенного пара (пар, который находится в равновесии с жидкостью). Кривые упругости для аммиака (жирная линия) и фреона R-22 (тонкая линия) представлены на рис.1.3.

Кипение жидкости при низкой температуре является одним из основных процессов в парокомпрессионных холодильных машинах. Кипящую жидкость называют хладагентом (например, аммиак), а аппарат, где он кипит, забирая тепло от охлаждаемого продукта – испарителем.

4) Конденсация – процесс перехода из паровой в жидкую фазу при выделении теплоты. Используется также в парокомпрессионных машинах в конденсаторах.

Искусственное охлаждение может быть основано и на других способах, таких как расширение газа с совершением работы, дросселирование и термоэлектрический эффект.

5) Расширение газа с совершением внешней работы. Если на пути потока газа, двигающегося под воздействием разности давлений, поставить специальное устройство, где поток газа будет вращать колесо (или толкать поршень), то энергия потока будет совершать внешнюю, полезную работу. После этого устройства с понижением давления температура потока газа снижается. Этот способ охлаждения применяется в воздушных и газовых холодильных машинах для получения температур от –50 до –100 0 С. На рис.1.4 б) показан процесс расширения газа с совершением внешней работы, Р1 > Р2.

Рис. 1.4. а) процесс дросселирования; б) процесс расширения газа с совершением внешней работы

6) Дросселирование (эффект Джоуля – Томпсона). Заключается в падении давления и снижении температуры потока жидкости при его протекании через суженное сечение под воздействием разности давлений. Поток жидкости проходит очень быстро суженное пространство с большой скоростью, в результате чего внешняя работа не совершается, т.к. работа проталкивания переходит в теплоту трения между молекулами и не происходит теплообмена с окружающей средой. Это приводит к испарению части потока жидкости и снижению температуры всего потока. Процесс происходит в регулирующем вентиле или другом дроссельном механизме (капиллярной трубке) холодильной машины. Данный процесс используется в парокомпрессионных холодильных машинах. На рис.1.4 а) показан процесс дросселирования, где Рк — давление конденсации, Ри — давление кипения хладагента, Рк > Ри.

Читайте также:  Установка бактерицидных ламп и облучателей

7) Термоэлектрический эффект (эффект Пелетье). Заключается в том, что при пропускании постоянного тока через цепь, состоящую из различных полупроводников, один из контактов (спаев) нагревается, другой – охлаждается. На рис. 1.5. показан термоэлемент, состоящий из двух различных полупроводников. Они последовательно соединяются металлическими пластинами, образующими спаи. При прохождении постоянного электрического тока один из спаев охлаждается и имеет температуру Тх, а другой – нагревается и имеет температуру Тг. К первому спаю подводят теплоту из окружающей среды Q, а от второго — отводят Qг. Такой способ охлаждения применяют в охлаждаемых барах–холодильниках, транспортных холодильниках небольшой емкости, кондиционерах специального назначения.

Рис. 1.5. Термоэлемент, состоящий из различных полупроводников.

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском:

источник

Установка для получения низких температур

Использование: в криогенной технике для получения сверхнизких температур. Сущность изобретения: установка содержит сосуд 1 Дьюара, заполненный жидким 4 He в который погружен рефрижераторный модуль 3, состоящий из последовательно установленных конденсатора-испарителя 2 с ванной и откачной трубой 9, камеры 4 испарения, низкотемпературного теплообменника 5 и камеры 6 растворения, а также двух криосорбционных насосов 7 и 8, размещенных в паровом объеме сосуда 1 Дьюара, один из которых расположен на откачной трубе 9, а другой в паровом объеме ванны конденсатора-испарителя 2. Рефрижераторный модуль 3 помещен в вакуумную рубашку. На наружных поверхностях криосорбционных насосов 7 и 8 установлены змеевиковые теплообменники 10 и 11, входы которых соединены с жидкостным объемом сосуда Дьюара. Паровые объемы сосуда 1 Дьюара и ванны конденсатора-испарителя 2 соединены посредством вентиля 16. 1 ил.

Изобретение относится к криогенной технике, в частности к технике низких и сверхнизких температур. Область применения физика твердого тела, астрофизика и космическая техника.

Известна установка для получения низких температур растворением 3 Не в 4 Не (Михеев В.А. Майданов В.А. и Михин Н.П. Компактный рефрижератор растворения с криогенным циклом циркуляции 3 Не. Cryogenics, 1984, v. 24, N 4, р. 190) в которой откачка и циркуляция 3 Не осуществляется криосорбционными насосами.

Недостатками этой установки являются повышенная сложность конструкции и трудоемкость изготовления, связанная с необходимостью применения механических клапанов или тепловых труб для переключения насосов.

Более простой по конструкции и близкой по техническому решению к предлагаемой является установка (Эдельман В.С. Приборы и техника эксперимента, N 4, 1971, с. 229), содержащая гелиевый сосуд и размещенный в нем рефрижераторный модуль, состоящий из камеры испарения, камеры растворения, низкотемпературного теплообменника и конденсатора-испарителя, окруженный общей вакуумной рубашкой, а также криосорбционный насос, соединенный с ванной конденсатора-испарителя. Трубки сообщают объемы ванны конденсатора-испарителя и камеру испарения с внешней газовой системой для ввода и откачки 3 Не и смеси 3 Не- 4 Не, ванны конденсатора-испарителя и сосуда соответственно.

Однако продолжительность работы установки, работающей циклически, чрезмерно ограничена количеством дорогостоящего и дефицитного изотопа гелия ( 3 Не), содержащегося в ванне конденсатора-испарителя. Даже при наличии в ванне почти одного моля жидкого гелия 3 Не длительностью рабочего цикла не превышает 8-10 ч, что является основным недостатком этой установки. Другим недостатком установки является использование больших количеств дефицитного 3 Не.

Целью изобретения является увеличение длительности работы установки и экономия 3 Не, используемого в ней.

Поставленная цель достигается тем, что в установке для получения низких температур растворением 3 Не в 4 Не, содержащей гелиевый сосуд и размещенный в нем рефрижераторный модуль, имеющий общую вакуумную рубашку и состоящий из камер испарения и растворения, низкотемпературного теплообменника и конденсатора-испарителя, а также криосорбционного насоса для откачки ванны конденсатора-испарителя, криосорбционный насос выполнен в виде двух адсорбционных ступеней, одна из которых размещена внутри паровой полости откачиваемой ванны, а вторая на откачной трубе в паровом объеме гелиевого сосуда, на их наружную поверхность навиты холодильники, сообщенные общим трубопроводом с жидкостным объемом гелиевого сосуда, а паровые объемы гелиевого сосуда и ванны конденсатора-испарителя, заполненной 4Не, соединены через вентиль.

На чертеже представлена схема установки.

Установка содержит гелиевый сосуд 1, конденсатор-испаритель 2, рефрижераторный модуль 3, состоящий из размещенных в общей с конденсатором-испарителем 2 вакуумной рубашке камеры 4 испарения, низкотемпературного теплообменника 5 и камеры 6 растворения, криосорбционные насосы 7 и 8, один из которых (7) расположен внутри парового объема ванны конденсатора-испарителя 2, а другой (8) установлен на откачной трубе 9 ванны, теплообменники 10 и 11 насосов, выполненные, например, из трубок, навитых на корпус насосов, причем нижние концы трубок сообщены общим трубопроводом 12 с жидкостным объемом гелиевого сосуда 1, а верхние через вентили 13 и 14 с атмосферой (или газгольдером). Откачная труба 9 соединена вентилем 15 с вакуумным насосом (не показан). В установку входят также вентили 16 и 17 и экраны 18 и 19.

Читайте также:  Установка кнопки птф на логан

Установка работает следующим образом.

В исходном состоянии гелиевый сосуд 1 частично заполнен жидким гелием, все вентили закрыты за исключением вентиля 17, который открыт не полностью настолько, чтобы обеспечить некоторое избыточное давление паров гелия в сосуде 1, а рефрижераторный модуль 3 с содержащейся в нем под давлением 1 МПа газообразной смесью 3 Не- 4 Не охлажден до температуры 4,2 К.

Для запуска установки вначале заполняют ванну конденсатора-испарителя 2 жидким гелием. С этой целью охлаждают одну из ступеней, например ступень 8 криосорбционного насоса, подачей через ее холодильник 11 жидкого гелия с отводом паров гелия через вентиль 13, открывают вентиль 16 и ведут откачку 4 Не насосом В из парового объема гелиевого сосуда 1 до полного насыщения адсорбционной насадки насоса. Затем подачу 4 Не прекращают, включают электрический нагреватель насоса 8 (не показан) и, повышая температуру насоса до 25-30 К, полностью десорбируют 4 Не. Выделяющийся в процессе десорбции 4 Не, охлаждаясь на насадке экрана 18, конденсируется и заполняет ванну конденсатора-испарителя 2.

После заполнения ванны жидким гелием 4 Не выключают электронагреватель криосорбционного насоса 8, открывают вентиль 15 и откачивают ванну конденсатора-испарителя 2 внешним вакуумным насосом (не показан) до получения в ней температуры 1,0-1,2 К. Затем вновь охлаждают криосорбционный насос 8, закрывают вентиль 15 и ведут им откачку 4 Не из ванны конденсатора-испарителя 2 до установления в ванне температуры 0,6 К, после чего включают насос 7, охлаждая его адсорбционную насадку жидким гелием, подаваемым в теплообменник 10, и продолжают откачку ванны конденсатора-испарителя 2, понижая ее температуру до предельной величины 0,45-0,50 К. В процессе охлаждения сжатая газообразная смесь 3 Не- 4 Не, содержащаяся в камерах 4 и 6 и теплообменнике 5, конденсируется и затем расслаивается на две фазы 3 Не и 4 Не. Включая электрический нагреватель камеры 4 испарения (не показан), осуществляют вышеописанным способом процесс получения холода растворением 3 Не в 4 Не.

Полезный эффект, получаемый реализацией предлагаемого технического решения, достигается тем, что использование достаточно дешевого и доступного жидкого 4 Не вместо 3 Не в ванне конденсатора-испарителя позволяет существенно увеличить продолжительность работы установки, а применение последовательно включаемых ступеней криосорбционного насоса, одна из которых размещена непосредственно в откачиваемом объеме, дает возможность значительно повысить эффективность откачки паров гелия при давлениях меньше 10 -3 Па и тем самым обеспечить охлаждение ванны до температур 0,5 К, необходимых для конденсации 3 Не, циркулирующего в низкотемпературной ступени.

Как показывают расчеты, откачка ванны насосом, содержащим 100 г активированного угля СКТ-4, размещенного внутри парового объема ванны конденсатора- испарителя, позволяет в течение 5-6 сут вести непрерывную откачку ванны, вмещающей 150 см 3 жидкого гелия, и компенсировать при температуре 0,5 К тепловую мощность 0,3 мВт, выделяемую при конденсации 3 Не, поступающего в конденсатор-испаритель из камеры испарения. При этом скорость циркуляции 3 Не в низкотемпературной ступени составит 10 -5 моль/с, а холодопроизводительность 10 мкВт при температуре 0,1 К.

Таким образом в предлагаемой установке по сравнению с прототипом существенно увеличивается длительность работы установки и экономится дорогостоящий и дефицитный изотоп гелия 3 Не.

УСТАНОВКА ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ НИЗКИХ ТЕМПЕРАТУР растворением 3 He- 4 He содержащая сосуд Дьюара, имеющий паровой и жидкостный объемы, в последнем размещен рефрижераторный модуль, состоящий из последовательно установленных конденсатора-испарителя с ванной и откачной трубой, камеры испарения, низкотемпературного теплообменника и камеры растворения, помещенных в вакуумную рубашку, а также криосорбционного насоса, расположенного на откачной трубе, отличающаяся тем, что, с целью повышения экономичности и увеличения продолжительности цикла работы, она снабжена дополнительным криосорбционным насосом, установленным в паровом объеме ванны конденсатора-испарителя, и двумя змеевиковыми теплообменниками, размещенными на наружной поверхности криосорбционных насосов, входы которых сообщены с жидкостным объемом сосуда Дьюара, а выходы с газгольдером, при этом оба криосорбционных насоса расположены в паровом объеме сосуда Дьюара, который соединен посредством вентиля с паровым объемом ванны конденсатора-испарителя.

источник