ПОИСК Статьи Рисунки Таблицы Ожижение гелия из "Техника низких температур" У—ЖИДКИЙ гелий, 4.2 К, 1 ата 2— вариант соединения потоков 5 гелий к компрессору, 298° К, 1 ата, h , (1 — д ) —гелий из компрессора, 298 К, 20 ата, 5 —водород к вакуумному на-К, 55 мм рт. ст., Лб, расход т. [c.71] Более подробный анализ теплообмена в Е . В проделанном анализе рассматривался общий характер изменения энтальпий в каждом теплообменнике изменение полной энтальпии одного потока должно равняться изменению полной энтальпии другого потока. Это, вообще говоря, справедливо. Однако теплообмен двух потоков возможен лишь в том случае, если между ними существует разность температур. При рассмотрении данного теплообменника в целом у нас нет уверенности в том, что в каждом его сечении существует разность температур (температурный напор), необходимая для процесса теплообмена. Поэтому при полном расчете противотока следует определять температурные напоры по всей длине теплообменника. Это можно сделать путем применения уравнения (1.14), причем значения энтальпии могут быть получены из Т—5-диаграммы (см. гл. 8). [c.72] Индекс / относится к начальным значениям переменных в нижней части теплообменника. Из уравнения (1.14) следует, что й = —7,8 кал г. [c.73] Вычисленные температурные напоры приведены в табл. 1.8. Взаимосвязь температур и энтальпий, используемая при вычислениях, бралась по Т—5 диаграммам для водорода и гелия из гл. 8. Кривая А на фиг. 1.29 является кривой изменения температурных напоров (Т —Т ). [c.73] Эта трудность возникает при теплообмене между гелием и водородом вследствие того, что удельная теплоемкость водорода в данном интервале температур изменяется весьма значительно от величины, близкой к (5/2)/ , до величины, близкой к (7/2)/ (Я — универсальная газовая постоянная), тогда как удельная теплоемкость сжатого до 20 ата гелия лишь немного увеличивается при низких температурах и остается приблизительно постоянной. Если бы удельные теплоемкости обоих потоков не зависели от температуры, то в этом случае температурный напор уменьшался бы монотонно от холодного к теплому концу теплообменника. [c.74] Для того чтобы теплообмен водорода с гелием оказался возможным, необходимо увеличить температурный напор на холодном конце теплообменника до такого значения, при котором ни в одном сечении теплообменника разность температур Т—Т ) не была бы отрицательной. Так как минимальная (практически возможная) температура водорода ограничена температурой тройной точки 14° К, увеличение температурного напора на холодном конце возможно лишь за счет увеличения температуры гелия. Это, разумеется, приведет к увеличению количества жидкого водорода, испаряюшегося в 3, так как охлаждение гелия будет происходить в большей степени за счет испарения водорода (изменится т ). Поэтому непосредственное определение Т. невозможно. Температура может быть найдена методом последовательных приближений так, чтобы = = Т. при новом соответствующем значении т причем при этом значении Гз температурный напор Т — Т ) повсюду должен быть положительным. Может оказаться полезным некоторое изменение величины г/, однако в этом случае у не может быть вычислено однозначно. В результате расход жидкого водорода будет больше, чем ранее вычисленный, а часть холода будет теряться, так как пары водорода будут уходить из ожижителя при значительно более низкой температуре. [c.74] Т — температура гелия Г — температура водорода. Кривые Л и 5 представляют случай, когда теплообмен невозможен, так как температурный напор в некотором диапазоне температур отрицателен С— теплообмен осуществим. [c.74] Подставляя в эти уравнения известные величины, получим л- = 0,195, у = 0,800 = 0,0772 Лз = 54 кал г- = 41° К. [c.75] Следует отметить, что расход жидкого водорода для этого случая такой же, как и для предыдущего, но температура значительно выше, что весьма благоприятно сказывается на теплообмене в 3. Кривая В на фиг. 1.23 показывает ожидаемое распределение температурных напоров для этого случая. Видно, что теперь лишь в небольшом интервале температур температурный напор несколько ниже нуля. Кривая С относится к этому же случаю, но при Гз, увеличенной от 41 до 45° К. Минимальный температурный напор равен — 18° К. В хорошем теплообменнике этой величины более чем достаточно для процесса теплообмена. Расход жидкого водорода возрастает до 0,79 л на I л жидкого гелия. Это отношение должно соблюдаться в реальном ожижителе. На фиг. 1.29 показано, что характер изменения температурных напоров сильно зависит от начальной разности температур увеличение АТ на холодном конце всего на 4° К привело к резкому расхождению между кривыми В н С при более высоких температурах. [c.75] Таким образом, мы приходим к следующим выводам 1) наиболее целесообразно соединять два потока сжатого гелия после ванны предварительного охлаждения жидким водородом 2) вполне достижимым является расход жидкого водорода меньше 0,8 л на 1 л жидкого гелия 3) температура Тз входа гелия в теплообменник, где происходит охлаждение гелия жидким водородом, является очень важной величиной. Ее изменение всего на 4° К в нашем примере привело к изменению необходимого для теплообмена температурного напора болььче чем на 18° К в самом неблагоприятном интервале те.мператур. [c.75] Оптимальное давление в дроссельном ожижителе гелия. В проделанном выше расчете было взято давление гелия, равное 20 атм. Однако по Т—5-диаграмме гелия можно видеть, что кривые постоянной энтальпии при температурах — 14° К имеют максимум приблизительно при 30 атм. Поэтому можно было бы ожидать, что оптимальное рабочее давление будет равно 30, а не 20 атм. Тем не менее из опыта работы нескольких ожижителей известно, что коэффициент ожижения максимален при давлении сжатого гелия от 17 до 20 атм. Эта аномалия была объяснена Зельмановым [24]. Он указал, что температурный напор в нижней части дроссельного теплообменника ( 4, фиг. 1.28 непосредственно перед дроссельным вентилем) между сжатым до 30 атм гелием и гелием с давлением, равным 1 атм, и температурой 4,2° К весьма мал. Это можно видеть и по Т—5-диаграмме гелия, приведенной в гл. 8 (стр. 348—351). [c.76] Зельманов [27] предложил несколько модифицировать схему ожижителя, что позволило бы использовать более высокие давления. [c.77] Гелиевый ожижитель криогенной лаборатории НБС. На фиг. 1.30 изображена схема гелиевого ожижителя, в которой использованы некоторые из рассмотренных выше способов улучшения работы ожижителей гелия. Этот ожижитель, сконструированный Манном, Бьерклундом и Масинко [26], в основных узлах сходен с изображенным на фиг. 1.27 водородным ожижителем. [c.77] При разработке этого ожижителя стремились к уменьшению расхода жидкого водорода, поэтому в качестве охлаждающей среды использован и жидкий азот. Во время работы внутренние части ожижителя перед заливкой жидким водородом охлаждаются до температуры жидкого азота. В течение большей части остального времени охлаждения поступающий гелий охлаждается парами водорода в противоточном теплообменнике, что также приводит к уменьшению расхода жидкого водорода. Чтобы получить возможно более низкое давление (и температуру) твердого водорода, последующая стадия откачки производится при открытом вентиле, расположенном в верхней части ожижителя. При открытом вентиле теплообменник байпассиру-ется и его гидравлическое сопротивление не препятствует откачке. [c.80] Почти весь жидкий гелий из этого ожижителя может быть слит в криостат для экспериментов. Жидкий гелий почти не расходуется на охлаждение содержимого криостата, так как оно происходит в основном за счет очень холодных паров, которые идут по сливной трубке до начала слива жидкого гелия и охлаждают аппаратуру почти до температуры жидкого гелия. Это весьма важно, так как теплота испарения жидкого гелия крайне мала. Количество тепла, необходимое для испарения 1 г жидкого гелия, приблизительно равно количеству тепла, необходимому для подогрева газообразного гелия всего на 4° К. Теоретически коэффициент ожижения этого аппарата несколько выше, чем в первом ожижителе Симона (см. фиг. 1.32), так как за счет дросселирования жидкость в криостате появляется раньше достижения атмосферного давления в расширительной камере. При каждом расширении ожижается около 1,5 л гелия при общем расходе водорода, равном 3 л. [c.81] Гелиевый ожижитель с детандерами. Для охлаждения гелия в процессе ожижения вместо дросселирования можно использовать значительно большее количество холода, образующееся ггрн совершении расширяющимся гелием работы в детандере, который отводит энергию из ожижителя (принцип Клода). Одним из преимуществ гелиевых ожижителей с детандерами является возможность обойтись без предварительного охлаждения жидким водородом, который дорог и взрывоопасен. При использовании детандеров единственным холодильным агентом, необходимым для ожижения гелия, является сам гелий. [c.81] Из практических соображений (простоты и экономичности) в гелиевых ожижителях с детандером для предварительного охлаждения обычно используется жидкий воздух (или жидкий азот). Эти жидкости дешевы и безопасны. В то же время их применение позволяет увеличить производительность детандерного ожижителя более чем в 2 раза. [c.81] Первый гелиевый ожижитель с детандером был осуществлен Капицей [32]. Впоследствии Коллинз разработал промышленный образец гелиевого ожижителя-криостата с детандерами. [c.81] Сравнительно недавно Коллинзом [33] был построен ожижитель улучшенной конструкции с гораздо большей производительностью. Ниже приводится описание этого ожижителя, которое должно проиллюстрировать основные принципы и практическое применение современной криогенной техники. [c.81] Вернуться к основной статье