Общие сведения о теплообменных аппаратах микрокриогенных установок схемы микрокриогенных установок

Глава I

ОБЩИЕСВЕДЕНИЯ

ОТЕПЛООБМЕННЫХАППАРАТАХ

МИКРОКРИОГЕННЫХУСТАНОВОК

СХЕМЫМИКРОКРИОГЕННЫХУСТАНОВОК

Для охлаждения разного рода аппаратуры до температур 4—8 К созданы микрокриогенные установки, основанные на различных принципах получения холода: на принципе изо-энталыщческого расширения газа (дроссельные установки), изоэнтролического расширения газа (установки, исполь­зующие расширительные машины); использования теплоты испарения или плавления хладагента (установки с запасом жидкого или твердого хладагента) и, наконец, установки, основанные на различных сочетаниях указанных принципов. Описание схем, конструкций и характеристик установок можно найти в литературе [17, 20, 57, 71, 73, 88, 89, 96, 97, 109—112, 120, 122, 127, 128, 135].

В данном разделе приведены только краткие сведения, не­обходимые для пояснения роли теплообменных аппаратов.

Указанные выше принципы получения холода практически реализованы в микрокриогенных устройствах следующих ти­пов: машинах типа Джиффорда — Мак-Магона; газовых холо­дильных машинах (действующих по обратному циклу Стер­линга); системах на базе турбомашин; дроссельных системах с различным числом каскадов охлаждения.

Сферы использования указанных устройств определяются условиями их эксплуатации и конкретными требованиями, ос­новные из которых сводятся к обеспечению минимальных га­баритов, массы, энергопотребления, снижению собственных шумов и вибраций, повышению надежности.

Системы с расширительными машинами имеют более вы­сокие КПД, чем дроссельные, но -минимальный температурный уровень, который они обеспечивают, пока составляет 6—12 К. Для получения более низких температур, вплоть до 4,2 К, ис­пользуют либо дроссельные трехкаскадные системы (с исполь­зованием азота и водорода в ступенях предварительного ох­лаждения), либо комбинированные системы, состоящие из дроссельного гелиевого контура, в сочетании с расширительны­ми машинами на соответствующих уровнях предваритель­ного охлаждения.

V/

Рис. 1. Схема дроссельной однокаскадной микрокрио­генной.установки замкнутого типа:

I — компрессор; 2 — ресивер высокого давления; 3 — перепуск­ной клапан; 4 — блок контроля и регулирования температуры; 5 — микротеплообменник; 6 — ресивер низкого давления; 7 — баллон подпитки; 8 — редукционный клапан

Несмотря   на  то,  что  в   последние   годы  системы   на   базе •машин  находят    все  большее    применение,    микрокриогенные установки с дросселированием    хладагента    по-прежнему    ис­пользуются широко. Это объясняется их простотой,    надежно­стью,   удобством   компоновки  с  охлаждаемым     объектом,   от­сутствием  вибраций,  передаваемых     охлаждаемому     объекту, '.возможностью    удаления      теплообменника    с    охлаждаемым объектом  на  большие расстояния  от компрессора, относитель­ной   простотой   регулировки   температуры    охлаждения,   отсут­ствием движущихся деталей в холодной    части установки, от­носительно  длительным  ресурсом.   Они  применяются  в   самых различных условиях,  как в стационарных, так и нестационар­ных.  Эти  установки  охватывают    весь    диапазон    требуемых температур,    от 80    до 4,2 К, •что' достигается    применением необходимого числа    каскадов охлаждения.

Дроссельные однокаскад-тсые установки служат для получения температур порядка 77—90 К- Они могут быть вы­полнены по двум основным •схемам: замкнутой и разомкну­той. Типичные схемы устано-

вок представлены на рис. 1 и •2, из которых виден принцип -их действия, дополнительно поясняемый рис. 3, где показа-

Н'ием внешней работы имеет особенно большие преиму­щества в тех случаях, когда степень расширения газа высока или расширение производится от сравнительно высокой начальной температуры.

Изменение температуры идеального газа при изо-энтропическом расширении определяется выражением

_{ДГ = Тк} - Г_в = Т_и [(p_s/_Ps) (^k^'^k -I].(3-30)

где Т к, Т_н — конечная и начальная температура; р_к, рн — конечное и начальное давление; k = c_p/c_v — отно­шение теплоемкостей при постоянных давлении и объеме.

В некоторых устройствах для производства холо­да осуществляется процесс адиабатического расшире­ния газа без совершения полезной работы — процесс выхлопа газа из сосуда (цилиндра), где он находится под давлением, что сопровождается совершением ра­боты выталкивания, связанной с преодолением сил внешнего давления. Такой процесс, в отличие от изо-энтропического расширения в детандере, необратим, т. е. сопровождается возрастанием энтропии. Измене­ние температуры идеального газа при выхлопе проис­ходит согласно условию