Криогенная техника

 

 

СОДЕРЖАНИЕ: 

Введение………………………………………………………………………..3

1. Физика низких температур………………………………………………...….4

1.1 Историческая справка…………………………………………..………..4

   1.2 Методы охлаждения газов……………………………………………....5

   1.3 Успехи в исследованиях…………………………………………………10

   1.4 Проблемы исследований…………………………………………………10

2. Газы и сжижение газов………………………………………...…………….13

2.1 Газы………………………………………………………………………..13

2.2 Сжижение газов…………………………………………………………..14

2.3 Детандер……………………………………………………..……………18

3. Адиабатный процесс…………………………………………………………20
4. Уравнение Ван-дер-Ваальса…………………………………...…………….21
5. Низкие температуры…………………………………………………………24
6. Измерение криогенных температур…………………………...……………26
7. Криогенная техника и установки………………………...………………….28
8. Применение низких температур………………………..…………...………29
9. Криогенное оборудование………………………………………...…………30

Заключение……………………………………………………..…………….33

Литература……………………………………………………………………34

 

    Введение

   Попытки получить в чистом виде каждую парциальную компоненту воздуха и изучить ее свойства привели к развитию физики низких температур. Аппаратура и технические устройства используемые для получения и хранения жидких и твердых СО2, N2, О2, Ar, Не и т. д, получили название - криогенная техника. В последствии это понятие было распространено на температуру.

      Криогенная температура - температура ниже 120 К. Криогенные температуры в диапазоне 80—0.3 К называют низкими температурами, ниже 0.3 К – сверхнизкими температурами. Для их поддержания в заданном объёме обычно используют сжиженные газы (криоагенты): кислород (температура кипения 90 К), азот (» 80 К), неон (21.1 К), водород (20.4 К), гелий (4.2 К). Для получения температур ниже 1 К применяют специальные методы, основанные на откачке из герметизированного объёма испаряющихся изотопов гелия, растворении одних изотопов гелия в других и т. д. Криогенные температуры широко используются в физике, медицине и биологии, электронике и других областях науки и техники.

      Основные  проблемы, решаемые криогенной техникой сжижение газов (азота, кислорода, гелия  и др.), их хранение и транспорт в жидком состоянии; разделение газовых смесей и изотопов низкотемпературными методами, конструирование холодильных машин, создающих и поддерживающих температуру ниже 120 К; охлаждение и термостатирование при криогенных температурах сверхпроводящих и электротехнических устройств, электронных приборов, биологических объектов; разработка аппаратуры и оборудования для проведения научных исследований при криогенных температурах.

     Изучение свойств различных веществ при гелиевых температурах привело к развитию специального раздела физики - физики низких температур 

 

      1 Физика низких температур

     1.1 Историческая справка

     Применение  низких температур сыграло решающую роль в изучении конденсированного  состояния. Особенно много новых  и принципиальных фактов и закономерностей было открыто при изучении свойств различных веществ при гелиевых температурах. Это привело к развитию специального раздела физики - физики низких температур. При понижении температуры в свойствах веществ начинают проявляться особенности, связанные с наличием взаимодействий, которые при обычных температурах подавляются сильным тепловым движением атомов. Новые закономерности, обнаруженные при низких температурах, могут быть последовательно объяснены только на основе квантовой механики.

      В частности, принцип неопределённости квантовой механики и вытекающее из него существование нулевых колебаний при абсолютном нуле температуры объясняют тот факт, что гелий остаётся в жидком состоянии вплоть до 0. Наиболее ярко квантовые закономерности проявляются при низких температурах в явлениях сверхтекучести и сверхпроводимости. Изучение этих явлений составляет важную часть физики низких температур.

      С 60-х гг. 20 в. открыт ряд интересных эффектов, в которых особое значение имеет пространственная когерентность волновых функций на макроскопических расстояниях (сверхпроводящее туннелирование, эффект Джозефсона).

      Большое значение имеет изучение свойств  жидкого ³He, который представляет собой пример нейтральной квантовой ферми-жидкости. Как теперь выяснено, при температурах около 3 мК и давлении около 34 бар ³He претерпевает фазовое превращение, сопровождающееся значительным уменьшением вязкости (переходит в сверхтекучее состояние).

      Развитие  физики низких температур в значительной степени способствовало созданию квантовой теории твёрдого тела, в частности общей теоретической схемы, согласно которой состояние вещества при низких температурах может рассматриваться как суперпозиция идеально упорядоченного состояния, соответствующего 0 К, и газа элементарных возбуждений - квазичастиц. Введение различных типов квазичастиц (фононы, дырки, магноны и др.) позволяет описать многообразие свойств веществ при низких температурах.

      Термодинамические свойства газа элементарных возбуждений  определяют наблюдаемые макроскопические равновесные свойства вещества. В свою очередь, методы статистической физики позволяют предсказать свойства газа возбуждений из характера связи энергии и импульса квазичастиц (закона дисперсии). Изучение теплоёмкости, теплопроводности и др. тепловых и кинетических свойств твёрдых тел при низких температурах даёт возможность установить закон дисперсии для фононов и др. квазичастиц. Температурная зависимость намагниченности ферро- и антиферромагнетиков объясняется в рамках закона дисперсии магнонов (спиновых волн). Изучение закона дисперсии электронов в металлах составляет ещё один важный раздел физики низких температур.

      Ослабление  тепловых колебаний решётки при  гелиевых температурах и применение чистых веществ позволили выяснить особенности поведения электронов в металлах. Применение низких температур играет большую роль при изучении различных видов магнитного резонанса.

      Охлаждение  до сверхнизких температур применяется  в ядерной физике для создания мишеней и источников с поляризованными  ядрами при изучении анизотропии рассеяния элементарных частиц. Такие источники позволили, в частности, поставить решающие эксперименты по проблеме несохранения чётности. Низкие температуры применяются при изучении полупроводников, оптических свойств молекулярных кристаллов и во многих др. случаях.

      1.2 Методы охлаждения газов

     Каскадный процесс был предложен швейцарским физиком Пикте и применен Ольшевским, Камерлинг-Оннесом и другими исследователями для достижения низких температур путем ожижения кислорода, азота и воздуха. Суть его в том, что температура понижается ступенями при помощи нескольких рефрижераторов компрессионного типа с разными рабочими веществами. Принцип действия одной ступени каскадного процесса поясняется схемой рис. 1. Сначала выбирается вещество (аммиак, диоксид серы, диоксид углерода или метилхлорид), которое можно ожижить при комнатной температуре (температуре водяной ванны на рис.1) только за счет сжатия. Особенности процесса таковы: 1) газ сжимается компрессором так, что превращается в жидкость в змеевике бака системы водяного охлаждения; 2) теплота сжатия отводится системой водяного охлаждения; 3) образовавшаяся жидкость пропускается через клапан в испаритель, где кипит при пониженном давлении (тепло, необходимое для испарения, отбирается у окружающей среды, и возможностями такого отбора тепла определяется холодопроизводительность машины); 4) испарившийся газ поступает на вход компрессора и снова сжимается.

Рис.1

     Рабочим веществом первой ступени трехступенчатого каскадного процесса, примененного Камерлинг-Оннесом, был метилхлорид, а второй ступени – этилен. Первый испаритель служил для охлаждения входного сжатого этилена второй ступени, который ожижался в змеевике, погруженном в жидкий метилхлорид (-90° С). Испаритель второй ступени поддерживался при температуре около -160° С. В нем ожижался сжатый воздух третьей ступени.

     Каскадный процесс, ныне устаревший, непригоден для ожижения водорода и гелия. Дело в том, что нет криогенной ванны, которая обеспечивала бы температуру  испарителя, необходимую для ожижения водорода или гелия только путем сжатия.

     Принцип, положенный в основу методов Гемпсона и Линде, был подсказан открытием, сделанным Дж.Джоулем и У.Томсоном (Кельвином). В 1852 Джоуль и Томсон обнаружили, что при истечении сжатого газа, находящегося при комнатной температуре, через сужение трубопровода, например через полузакрытый клапан или пористую пробку, изменяется температура газа – большинство газов охлаждается, а некоторые (водород) слегка нагреваются. Позднее было уточнено: охлаждаются все газы, если достаточно низка их температура перед сужением. Температура, при которой эффект меняется на обратный (нагревание вместо охлаждения), получила название температуры инверсии. Она равна приблизительно 620° С для кислорода, 460° С для азота, -85,5° С для водорода и -222,7° С для гелия.

     Схема ожижителя, предложенного Гемпсоном, представлена на рис.2. Воздух сжимается компрессором до давления 20 МПа и при комнатной температуре подается в теплообменник. Последний представляет собой герметичный металлический резервуар цилиндрической формы (теплоизолированный снаружи) со змеевиком внутри. Сжатый воздух, пройдя по змеевику, истекает через дроссельный клапан и при этом расширяется. Поскольку температура инверсии кислорода и азота намного выше комнатной, газ при расширении охлаждается. Охладившийся газ возвращается к компрессору уже через рубашку теплообменника, где, омывая змеевик, охлаждает сжатый воздух, идущий от компрессора. Благодаря наличию теплообменника обеспечивается регенерация (использование холода, производимого в самом процессе), и, непрерывно циркулируя, газ, истекающий из дросселя, в конце концов охлаждается настолько, что ожижается. В описанной простой машине при начальном давлении на клапане, равном 20 МПа, ожижается ок. 8% газа, циркулирующего в установке.

Рис.2

     Метод ожижения воздуха, разработанный Линде, отличается от метода Гемпсона лишь конструкцией теплообменника. Теплообменник установки  Линде состоял из двух стальных труб диаметром 4 и 10 см и длиной 100 м, вставленных  одна в другую и свернутых в  спираль. Вся система была теплоизолирована овечьей шерстью. Сжатый воздух проходил сначала по внутренней трубе, а затем шел обратно по кольцевому зазору между трубами.

     По  тому же принципу, что и воздушные  ожижители Гемпсона и Линде, действовали  ожижитель водорода, созданный Дьюаром, и ожижитель гелия, сконструированный Камерлинг-Оннесом. Из-за низкой температуры инверсии приходилось охлаждать газ высокого давления на входе в теплообменник. Для водорода наиболее эффективным оказалось предварительное охлаждение газа, поступающего под давлением 15 МПа, жидким воздухом, кипящим при пониженном давлении (температура ниже -200° С). В случае гелия максимальная эффективность достигалась при давлении 3 МПа, а температура предварительного охлаждения, равная -259° С, поддерживалась за счет кипения жидкого водорода, тоже при пониженном давлении. Схема ожижителя Дьюара представлена на рис.3.

Риз 3

     В методе, разработанном  Клодом и Гейландтом, для охлаждения была применена поршневая машина, в которой сжатый газ расширяется, совершая работу против внешних сил. Если такое расширение происходит в адиабатических условиях (т.е. без теплообмена с окружающей средой, что приблизительно выполняется при быстром расширении), то газ совершает работу за счет своей внутренней энергии. Уменьшение внутренней энергии газа проявляется в понижении его температуры. Схема установки представлена на рис.4. Воздух, поступающий под высоким давлением из компрессора, проходит через первый теплообменник E1, после чего его поток разделяется. Около 20% идет на теплообменник E2, а остальная часть подается на расширительную машину, или детандер, где воздух охлаждается. С выхода детандера охлажденный воздух отводится на сторону низкого давления теплообменника E2, где он регенеративно охлаждает поступающий газ высокого давления. Охлажденный газ с температурой ок. -140° С, выходящий из E2, поступает на вход теплообменника E3, а затем проходит через дроссельный клапан и ожижается, как и в установках Гемпсона и Линде. Последняя стадия процесса, на которой используется эффект Джоуля – Томсона, введена для предотвращения ожижения в детандере, так как последнее вызвало бы трудности со смазкой.