19154

Основные свойства криогенных жидкостей

Лекция

Производство и промышленные технологии

ОСНОВЫ КОНСТРУИРОВАНИЯ КРИОГЕННЫХ УСТРОЙСТВ Лекция 1 Основные свойства криогенных жидкостей 1.1. Виды жидких хладагентов Для получения низких температур можно использовать различные криогенные жидкости которые прежде всего характеризуются температурой кипения...

Русский

2013-07-11

175 KB

21 чел.

ОСНОВЫ КОНСТРУИРОВАНИЯ КРИОГЕННЫХ УСТРОЙСТВ

Лекция 1

Основные свойства криогенных жидкостей

1.1. Виды жидких хладагентов

Для получения низких температур можно использовать различные криогенные жидкости, которые, прежде всего, характеризуются температурой кипения. Температуры кипения наиболее распространенных хладагентов (табл. 1.1) находятся в диапазоне от 4,2 К до 90,1 К.

Таблица 1.1

Температуры кипения жидких хладагентов  (при нормальном давлении)

Жидкий

хладагент

Гелий

He

Водород

H2

Неон

Ne

Азот

N2

Аргон

Ar

Кислород

O2

Температура кипения, К

4,224

20,28

27,108

77.36

87,29

90,188

                                                                     Таблица 1.2

Состав сухого атмосферного воздуха

Компонент

Объемная доля

Азот N2

78,09

Кислород O2 

20,95

Аргон Ar

0,93

Оксид углерода CO2

0,03

Неон Ne

1810-4

Гелий He

5,2410-4

Углеводороды

2,0310-4

Метан СН4

1,510-4

Криптон Kr

1,1410-4

Водород H2

0,510-4

Оксид азота N2O

0,510-4

Ксенон Xe

0,0810-4

Озон O3

0,0110-4

Радон Rn

6,0 10-18

Азот, кислород, аргон, неон, криптон, ксенон – это основные продукты разделения воздуха, извлекаемые из него в промышленных масштабах методами низкотемпературной ректификации и сорбции. В таблице 1.2 приведены объемные доли различных компонентов сухого воздуха у поверхности Земли. Несмотря на большое разнообразие возможных жидких хладагентов, в научной практике в основном применяются жидкий гелий и жидкий азот. Водород и кислород чрезвычайно взрывоопасны, а жидкие инертные газы не позволяют получать достаточно низкие температуры (таблица 1.3). В области температур около 70-100 К с успехом используется жидкий азот как безопасный и относительно дешевый хладагент (объемная доля в сухом атмосферном воздухе составляет 78 % ). Для получения температур ниже 70 К, как правило, используют гелий. Гелий имеет два устойчивых изотопа – 3Не и 4Не. Оба изотопа гелия инертны. Основным источником 4Не является природный газ, в котором его содержание может достигать 1-2 %. Обычно промышленной переработке для извлечения 4Не, заключающейся в последовательной очистке исходного сырья, подвергают природный газ с содержанием гелия более 0,2 %. Доля легкого изотопа 3Не в 4Не обычно составляет 10-4 – 10-5 %, поэтому 3Не получают при радиоактивном распаде трития, образующегося в ядерных реакторах. Поэтому когда говорят о гелии или жидком гелии, подразумевают 3Не, если это не оговорено особо. Жидкий гелий 3Не используется в низкотемпературных устройствах, рассчитанных на работу при температуре ниже 1 К.

1.2. Основные свойства жидких хладагентов

Все вещества, используемые в качестве хладагентов, не имеют цвета и запаха ни в жидком, ни в газообразном состоянии. Они не обладают магнитными свойствами и при обычных условиях не проводят электрический ток. В табл. 1.4 приведены основные характеристики наиболее распространенных хладагентов – азота и гелия.


Таблица 1.4

Физические параметры жидкого и газообразного азота и гелия

Параметр, свойство

Азот

Гелий

Температура кипения, К

77,36

4,224

Критическая

точка

Температура Ткр, К

Давление ркр, МПа

Плотность кр, кг/м3

126,6

3,398

304

5,2014

0,228

69,0

Тройная

точка

Температура Ттр, К

Давление ртр, кПа

63,15

12,53

-точка 2,172

-точка 5,073

Плотность , кг/м3:         пара

                                         жидкости

4,54

808

16,38

124,8

Уд. Теплоёмкость           пара

Ср, кДж/(кгК):                жидкости

0,190

1,97

8,35

5,19

Теплота парообразования r,

кДж/кг

кДж/л

197,6

159,6

20,2

2,52

Отношение разницы энтальпий газа при

Т=300 К и Т=4,2 К к теплоте парообразования, i/r

1,2

70

Коэф. теплопроводности , мВт/(мК)       пара

                                                                       жидкости

7,62

136

6,48

27,1

Диэлектр. постоянная жидкости

1,434

1,049

Газ при нормальных условиях (t= 0 C, p=101,325 кПа)

Плотность , кг/м3

Уд. теплоёмкость Ср, кДж/(кгК)

Коэф. теплопроводн. , мВт/(мК)

Объем газа из 1 л жидкости:

                                    насыщенного пара, л

                                    газа, л    

1,252

1,041

23,96

178

646

0,1785

5,275

150,1

7,62

700

Молярная масса , кг/моль

Газовая постоянная R, Дж/(кгК)

Показатель адиабаты  = Cp/C  

28,2

296,75

1,4

4,003

2079

1,66

Обратим внимание на ряд важных моментов:

- жидкий гелий намного легче азота (плотности различаются почти в 6,5 раз);

- жидкий гелий имеет очень низкую удельную теплоту парообразования r = 20,2 Дж/г, в то время как для азота r = 197,6 Дж/г. Это значит, что для испарения 1 г азота требуется в 9,8 раз больше подводимого тепла. Учитывая большую разницу между плотностями жидкого гелия и жидкого азота, теплоты парообразования на литр различаются еще сильнее – в 63,3 раза! Как следствие, одинаковая подводимая мощность приведет к испарению существенно разных объемов жидкого гелия и жидкого азота. Нетрудно убедиться, что при подводимой мощности в 1 Вт за один час испарится примерно 1,4 л жидкого гелия и 0,02 л жидкого азота;

- путем откачки паров можно понизить температуру жидкого азота до тройной точки – Ттр = 63,15 К при ркр = 12,53 кПа. При переходе через тройную точку жидкий азот замерзнет – перейдет в твердое состояние. При этом возможна дальнейшая откачка паров азота над кристаллом и, как следствие, понижение температуры системы. В таблице 1.5 приведены значения давления насыщенных паров азота в широком диапазоне температур. Тем не менее на практике, как правило, для получения более низких температур используют либо жидкий гелий, либо устройства под названием “криокулеры”.


Таблица 1.5

Давление насыщенных паров азота [3] 

Т, К

p, гПа

Т, К

p, МПа

над кристаллом

над жидкостью

20,0

1,44×10-10

63,15 *

0,0125*

21,2

1,47×10-10

64

0,0146

21,6

3,06×10-10

66

0,0206

22,0

6,13×10-10

68

0,0285

22,5

1,59×10-9

70

0,0386

23,0

3,33×10-9

72

0,0513

24,0

1,73×10-8

74

0,0670

25,0

6,66×10-8

76

0,0762

26,0

2,53×10-7

77,36**

0,1013**

26,4

4,26×10-7

80

0,1371

30,0

3,94×10-5

82

0,1697

37,4

1,17×10-2

84

0,2079

40,0

6,39×10-2

86

0,2520

43,5

1,40×10-1

88

0,3028

49,6

3,49

90

0,3608

52,0

7,59

92

0,4265

54,0

13,59

94

0,5006

56,0

23,46

96

0,5836

58,0

39,19

98

0,6761

60,0

69,92

100

0,7788

62,0

98,11

102

0,8923

104

1,0172

106

1,1541

108

1,3038

110

1,4669

116

2,0442

120

2,5114

124

3,0564

126,2 ***

3,4000***

Примечание: * тройная точка; **  точка нормального кипения; ***  критическая точка

Таблица 1.6

Давление насыщенных паров гелия

Гелий-4

Гелий-3

Т, К

p, гПа

Т, К

p, МПа

0,1

5,57×10-32

0,2

0,016×10-3

0,2

10,83×10-16

0,3

0,00250

0,3

4,51×10-10

0,4

0,03748

0,4

3,59×10-7

0,5

0,21225

0,5

21,8×10-6

0,6

0,72581

0,6

37,5×10-5

0,7

1,84118

0,7

30,38×10-4

0,8

3,85567

0,8

15,259×10-3

0,9

7,07140

0,9

55,437×10-3

1,0

11,788

1,0

0,1599

1,1

18,298

1,5

4,798

1,2

26,882

2,0

31,687

1,3

37,810

2,177*

50,36*

1,4

51,350

2,5

103,315

1,5

67,757

3,0

242,74

1,6

87,282

3,5

474,42

1,8

136,675

4,0

821,98

2,0

201,466

4,215**

1013,25**

2,2

283,540

4,5

1310,6

2,4

384,785

5,0

1971,2

2,6

507,134

5,2***

2274,7***

2,8

652,677

3,0

823,806

3,195**

1013,25**

3,3

1135,11

3,324

1165,22

Примечание: *  -точка; **  точка нормального кипения; ***  критическая точка


Таблица 1.7

Плотность жидких хладагентов при различных температурах

Гелий-4

Азот

Т, К

, кг/м3

Т, К

, кг/м3

1,2

145,47

63,15

868,1

1,4

145,50

70

839,6

1,6

145,57

77,35

807,8

1,8

145,72

80

795,5

2,0

145,99

90

746,3

2,177

146,2

100

690,6

2,2

146,1

110

622,7

2,4

145,3

120

524,1

2,6

144,2

126,25

295,2

2,8

142,8

3,0

141,1

3,2

139,3

3,4

137,2

3,6

134,8

3,8

132,1

4,0

129,0

4,215

125,4

4,4

121,3

4,6

116,3

4,8

110,1

5,0

101,1

5,201

69,64

Температуру жидкого гелия можно также понизить с помощью откачки, причем температура жидкости однозначно соответствует давлению пара (таблица 1.6). Например, давлению p = = 16 Па соответствует температура Т = 1,0 К. Необходимо помнить, что гелий имеет не тройную, а -точку (при Т = 2,172 К) – переход в сверхтекучую фазу. При наличии оптического криостата переход через -точку нетрудно обнаружить визуально по прекращению объемного кипения жидкого гелия. Это связано с резким увеличением теплопроводности жидкости – от 24 мВт/(мК) до 86 кВт/(мК).

При понижении температуры кипения хладагентов (с помощью откачки паров) увеличивается плотность жидкости (см. табл. 1.7). Этот эффект может быть существен для корректного термометрирования, так как холодный, а значит более тяжелый гелий или азот будут опускаться на дно сосуда.

Стоимость жидкого гелия в несколько раз превышает стоимость жидкого азота (примерное соотношение между рыночными ценами жидкого гелия и жидкого азота – 20:1). Поэтому при охлаждении криогенных устройств требуется разумное сочетание использования жидкого азота для предварительного охлаждения и жидкого гелия. Также существенную роль играет использование для охлаждения возвратного потока испарившегося газообразного гелия. На это указывает большая величина отношений энтальпий газа при Т = 300 К и Т = 4,2 К к теплоте парообразования 70. То есть на нагрев газообразного гелия от 4,2 К до 300 К потребуется в 70 раз больше теплоты, чем на испарение жидкого гелия!

Оценить количество жидкого гелия, необходимого для охлаждения низкотемпературного устройства, можно из следующих соображений.

Если охлаждение осуществляется только за счет использования теплоты парообразования, то потребуется объем жидкости:

Здесь С(Т) – удельная теплоемкость материала; m – масса охлаждаемого материала; r – удельная теплота парообразования.

Но, как отмечалось выше, гораздо экономичнее использовать для охлаждения также газ, образующийся при испарении жидкости. При этом считается, что газ нагревается от гелиевой до комнатной температуры. В этом случае формула (1.1) преобразуется следующим образом:

где Ж и Г – плотность жидкого и газообразного гелия; i300 - i4,2 – разность энтальпий единицы объема газообразного гелия при 4,2 К и 300 К. Величины, рассчитанные по этим формулам, различаются практически в 40 раз.

Для корректного расчета по формуле (1.2) необходимо знать массу и температурную зависимость теплоемкости C(T) охлаждаемого материала. В таблице 1.8 приведены удельные теплоемкости некоторых материалов, встречающихся в криогенной технике, а в таблице 1.9 представлены результаты расчетов расхода жидкого азота и жидкого гелия хладагентов на охлаждение различных металлов [4].

Таблица 1.8

Удельная теплоемкость некоторых материалов, Дж/(гК)

Т, К

Алюминий

Медь М1

Латунь

Нержавеющая сталь

12Х18Н10Т

10

0,014

0,00122

0,0040

-

20

0,010

0,00669

0,0201

0,0113

40

0,0775

0,0680

0,0795

0,0560

60

0,214

0,125

0,167

0,105

80

0,357

0,190

0,234

0,202

100

0,481

0,260

0,280

0,262

120

0,580

0,280

0,310

0,305

140

0,654

0,300

0,335

0,348

160

0,718

0,320

0,351

0,378

180

0,760

0,340

0,368

0,397

200

0,797

0,357

0,372

0,417

220

0,826

0,363

0,381

0,432

260

0,869

0,375

0,385

0,465

300

0,902

-

0,385

-

Таблица 1.9

Расход хладагента на охлаждение различных металлов

Хладагент

Начальная температура металла, К

Расход хладагента, л на 1 кг металла

Алюминий

Нержавеющая сталь

Медь

При использовании теплоты парообразования

Не

300

64,0

30,4

28,0

77

3,2

1,44

2,16

N2

300

1,0

0,53

0,46

При использовании теплоты парообразования и холода пара

Не

300

1,60

0,80

0,80

77

0,24

0,11

0,16

N2

300

0,64

0,34

0,29

На практике получается промежуточный результат, причем он зависит как от конструкции криостата, так и от мастерства экспериментатора. Наконец, если криостат предварительно охлаждается жидким азотом, верхний предел интегрирования по теплоемкости будет 77,3, а разность энтальпий будет браться от 77 до 4,2 К : i = i77  i4.2 . Существенно, что при этом количество гелия, необходимого для заливки криостата, сокращается примерно в 20 раз. Это объясняется тем, что теплоемкость твердых тел в интересующем нас диапазоне температур изменяется приблизительно, как Т3. Поэтому при предварительном охлаждении экономится большое количество гелия. Хотя одновременно, конечно же, увеличивается расход жидкого азота.

При использовании жидкого азота для промежуточного охлаждения и ,вообще, при работе с жидким азотом следует иметь в виду следующее. В процессе наполнения жидким азотом теплого сосуда сначала имеет место бурное кипение, наблюдается разбрызгивание жидкости (в открытых сосудах) или быстрый рост давления в закрытых сосудах. Затем, по мере охлаждения сосуда или объекта, кипение становится менее бурным. На этой стадии заполнения поверхность сосуда отделена от жидкости слоем газа, теплопроводность которого в 4,5 раза меньше теплопроводности жидкости. Если продолжать переливание жидкости, слой газа и поверхность под ним будут постепенно охлаждаться, пока газовая пленка не исчезнет и основная масса жидкости не придет в соприкосновение с поверхностью сосуда. При этом начинается второй период быстрого выкипания. И снова может иметь место разбрызгивание жидкости и быстрое повышение давления. Следует отметить, что белые клубы пара, которые часто можно видеть при переливании жидкого азота или гелия, представляют собой сконденсировавшуюся из атмосферы влагу, а не газообразные азот или гелий, так как последние бесцветны.

PAGE  10


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

69828. Освоение Новороссийского края в период Елизаветы Петровны и Екатерины II. Присоединение Крыма. Политика царизма в Крыму 28 KB
  Екатерина II издает приказ селиться на территории Новороссии и создает специальную канцелярию. По мирному договору к России отходили Керчь Еникали Кинбурн Кабарда на Сев. Но турецкие власти продолжали настраивать крымскую власть против ставленников России ив 1776 г. он отрекся от Крыма в пользу России.
69832. ОСНОВНЫЕ ПРОБЛЕМЫ И ПОДХОДЫ К ПРЕПОДАВАНИЮ ПРАВА В СОВРЕМЕННОЙ ШКОЛЕ 31 KB
  Однако если в начале 90-х годов школа испытывала трудности из-за нехватки учебных пособий педагогических кадров профессионально подготовленных в области юриспруденции наглядных средств обучения и прочее то к настоящему времени ситуация кардинально изменилась.
69833. Основы национальной политики РФ (по Конституции 1993 года) 29.5 KB
  Федеративное устройство Российской Федерации основано на ее государственной целостности единстве системы государственной власти разграничении предметов ведения и полномочий между органами государственной власти Российской Федерации и органами государственной власти субъектов...
69834. Особенности искусства Средневековья 33 KB
  Кроме того церковь была главным заказчиком искусства. Церковь понимая огромную силу искусства по воздействию на людей использовала его для наставления в вере. Другой особенностью средневекового искусства была близость его к народному творчеству так как в отличие от античного искусства...
69835. Особенности национального вопроса в РФ 32.5 KB
  После распада СССР начался процесс переноса «демократических», антитоталитарных подходов в чувствительную сферу национальной политики. Раздавались требования предоставить любому народу право на самоопределение вплоть до отделения.
69836. Особенности управления Сибирью в XVI-XVIII вв 37 KB
  Региональные факторы формирования особенностей управления Сибирью Важную роль в формировании административной системы Сибири сыграли политико-географические факторы. Правительство приняло решение учредить в Сибири особый параллельный столице государства административный центр...