birmaga.ru
добавить свой файл

1
1. Постановка задачи и актуальность работы.

В современной криогенной технике гелий находит широкое применение. Он нейтрален, негорюч и, следовательно, безопасен в обращении. С его помощью могут быть достигнуты очень низкие температуры.

Большие количества жидкого гелия необходимы для создания имитаторов космического пространства, для работы крупных сверхпроводящих систем (ускорителей, токамаков и др.) и так далее. Небольшие количества – для обеспечения работы различных приборов и инструментов: томографов, квантовых интерферрометров, болометров и других, а также для получения низких температур в стационарном режиме для проведения различных научных исследований.

Однако верхняя температура инверсии гелия примерно 43 К, следовательно для его ожижения в процессе дросселирования необходимо осуществить его предварительное охлаждение ниже этой температуры. Впервые ожижил гелий Камерлинг-Оннес в 1908 г. в установке с предварительным охлаждением водородом. Однако в настоящее время такие установки имеют ограниченное применение, главным образом вследствие взрывоопасности водорода.

Ожижение гелия в цикле с детандером впервые было осуществлено П.Л. Капицей в 1934 г. и с тех пор основная масса ожижителей гелия строятся по следующей схеме: ступень предварительного охлаждения жидким азотом, 1 или несколько ступеней с поршневыми или турбодетандерами и дроссельная ступень. Однако создание высокоэффективного гелиевого детандера представляет собой достаточно сложную задачу, особенно это касается установок малой производительности. Кроме того, схема с использованием детандеров проигрывает по надежности безмашинной схеме.

В связи с этим имеет смысл обратить внимание на создание гелиевых ожижителей с использованием новых принципов охлаждения: например с использованием магнитокалорического эффекта, что должно позволить создать надёжную и компактную установку малой производительности.
2. Анализ гелиевых циклов с магнитокалорическими ступенями, расчет их термодинамической эффективности.

Действие подавляющего большинства современных низкотемпературных установок основано на термомеханических методах охлаждения.


Любой процесс внутренного охлаждения, как известно, характеризуется в общем случае величиной

, где Т – абсолютная температура; Р - обобщенная термодинамическая сила, вызывающая соответствующее понижение температуры в адиабатных условиях. В термомеханических системах используют два метода внутреннего охлаждения – дросселирование и детандирование. Первый характеризуется величиной , второй - ; в обоих методах роль обобщенной силы Р играет давление р.

Термодинамический анализ характеристик современных криогенных установок (рефрижераторы и ожижители), в которых используются эти методы, показывает, что период быстрого роста их КПД е, определяющего энергетические показатели, сейчас заканчивается. Это объясняется тем, что возможности принципиальных улучшений, связанных с устранением собственных потерь в пределах термомеханических методов, если учесть использование последних достижений криогеники, по существу исчерпаны.

Термодинамика показывает направление, в котором следует искать новые идеи для техники низких температур. Действительно, основное уравнение термодинамики

, (1)

где yi – обобщенная сила; xi – обобщенная координата соответствующего вида воздействия, напоминает о том, что температура системы и ее энтропия зависят не только от pdV – механического воздействия; есть и другие более сложные. Если развернуть уравнение (1), ограничиваясь только тремя членами суммы , то получим

, (2)


где Iхимический потенциал, Н и Е – соответственно напряженность магнитного и электрического полей, Ni – масса, М – намагниченность и Р – поляризация.

Если для упрощения анализа принять, что изменения давления и объема настолько малы, что ими можно пренебречь, то возможно термодмнамическое рассмотрение процесса магнитного охлажения.

Тогда можно записать

.

Магнитокалорический эффект характеризуется дифференциальным температурным коэффициентом размагничивания

,

где обобщенной силой Р служит напряженность Н магнитного поля. К охлаждению приводит уменьшение напряженности магнитного поля.

Рассмотрим термодинамические зависимости, определяющие характеристики магнитокалорического охлаждения.

На рис. 1 показаны качественно Т-S диаграммы парамагнетика, используемого в магнитокалорическом рефрижераторе на уровне температур 20К. По оси абсцисс диаграммы рис. 2а отложена полная энтропия S парамагнетика, а по оси абсцисс диаграммы рис. 2б отложена часть энтропии Sм, которая не включает вклад решетки Sр в общую величину энтропии парамагнетика. Это связано с тем, что на охлаждение «работает» только энтропия Sм парамагнитных токов, доля которой в общей величине энтропии тем больше, чем ниже температура. Линии постоянной напряженности магнитного поля Н проходят на обеих диаграммах аналогично изобарам в диаграмме T,S термомеханической системы.



Рис. 2а. Диаграмма Т,S – с нанесенными на нее обратными циклами Карно:

- по оси абсцисс отложена полная энтропия.

Цикл 1-2-3-4 на диаграмме рис.2а представляет обратный термомеханический цикл Карно, переносящий теплоту с уровня Т5 на уровень Т15. Изотермический процесс 1-2, при котором Н повышается с Н1 до Нмакс, сопровождается отводом тепла Q1=T1S1-2 к некоторому теплоприемнику с Т=Т1-Т. В изоэнтропном процессе 2-3 обобщенная сила Н понижается с Н2 до Н3 и соответственно температура парамагнетика уменьшается до Т5 (процесс внутреннего охлаждения). Изотермический подвод тепла Q5= T5S3-4 = -T5S1-2 (3) от источника теплоты осуществляется при Т5. Наконец при адиабатном намагничивании от Н4 до Н1 температура возрастает до Т1 и цикл замыкается. В интервале температур Т65, расположенном ниже, можно посредством аналогичного обратного цикла 4-5-6-7 в том же диапазоне изменений Н (от Н0 до Нмакс) отвести большую теплоту Q6=T6S6-7>Q5.


Применяя первый закон термодинамики к циклу в целом, находим затрачиваемую работу

W=Q1+Q5= (T1-T5)(S1-S2). (4)



Рис. 2б. Диаграмма Т-S с нанесенными на нее обратными циклами Карно:

- по оси абсцисс отложена магнитная энтропия.
Из уравнений (3) и (4) видно, что идеальный магнитный рефрижератор имеет КПД такой же, как и у рефрижератора Карно. Вследствие существующей необратимости на практике идеальная работа рефрижератора не достигается.

Несколько иначе выглядит цикл 1-2-3-4 на диаграмме рис. 2б, где показана только магнитная часть энтропии. Здесь процесс 2-3 протекает с увеличением энтропии (SМ3>SМ2), поскольку вследствие существенной теплоемкости решетки она отдает часть энергии при охлаждении магнитным ионам, что приводит к росту магнитной части энтропии. В процессе 4-1, напротив, решетка при нагреве отбирает энергию и магнитная энтропия уменьшается. В результате вместо цикла 1-2-3-4 получается болле «узкий» цикл 1-2-3-4 с меньшей холодопроизводительностью. На диаграмме рис 2а это отражается стягиванием линий Н=idem вправо по оси S; оно тем больше, чем выше температура и, следовательно, меньше для SM в общей величине S. Линии 2-3 и 4-1 здесь проходят вертикально, поскольку на каждом температурном интервале изменения решеточной и магнитной энтропии равны по абсолютной величине и противоположны по знаку. В интервале температур Т65, расположенном ниже, энтропия решетки настолько мала, что ею можно пренебречь; поэтому линии 5-6 и 7-4 на обоих диаграммах проходят вертикально. Выше Т1 линии Нмакс, соответствующие даже очень большим полям, почти сливаются с линией Н=0. Таким образом, чем выше температура, тем меньше при прочих равных условиях возможности магнитокалорического охлаждения на основе одного материала, что требует применения нескольких материалов, перекрывающих собой весь необходимый температурный диапазон (более подробно изложено в исследовательской части).


Специфические инженерные трудности, связанные с созданием эффективного рефрижератора:

1. Холодопроизводительность единицы массы материала определяется не только величиной S при постоянной температуре и приемлемых для практики изменениях поля, но и частотой циклов. Эта частота ограничена главным образом возможностями теплообмена – быстрого отвода и подвода тепла к рабочим элементам. Здесь возникает характерное противоречие – чем меньше Т, тем ниже потери от необратимости, но соответственно должна быть уменьшена и частота циклов, т.е. удельная холодопроизводительность.

2. При создании переменного магнитного поля высокий КПД установки может быть обеспечен только в том случае, если энергия поля, не использованная для охлаждения в каждом цикле, будет возвращена. При относительно малых частотах обеспечить это условие достаточно трудно.

Проведенный анализ показывает, что несмотря на наличие ряда трудностей, работа в области создания магнитокалорических рефрижераторов весьма перспективна.

3. Описание конструкции установки и ее особенностей.
Данная установка состоит из поршневого компрессора, регенеративного и магнитокалорического теплообменников, ванны предварительного охлаждения с жидким азотом, сборника жидкого гелия, а также закачных компрессоров, блока очистки, гелиевых рамп, газгольдеров, ресиверов и запорной арматуры.

Конструктивно вся установка, за исключением блока очистки, нагнетателя, закачных компрессоров, гелиевых рамп, газгольдеров, ресиверов и привода магнита магнитокалорической ступени, размещена в одном криостате.

Установка работает следующим образом. Гелий после нагнетателя проходит регенеративный теплообменник, где охлаждается. Далее он охлаждается жидким азотом в ванне предварительного охлаждения и поступает в магнитокалорическую ступень, где также окончательно охлаждается и частично ожижается. Оставшаяся часть гелия проходит через другую секцию магнитокалорической ступени, снимая теплоту намагничивания, и затем поступает в регенеративный теплообменник, охлаждая его. Затем обратный поток гелия поступает на всасывание в нагнетатель. Жидкий гелий накапливается в сборнике, откуда затем выдаётся потребителю.

В качестве принципа построения магнитокалорической ступени используется предложение Стейерта и Барклая по использованию комбинированного рабочего тела, состоящего из нескольких магнитокалорических материалов, расположенных в порядке плавного возрастания их температуры Кюри (в интервале порядка 10 – 15 К) и так, что температурный интервал, где магнитокалорический эффект существенен, двух соседних материалов перекрывает друг друга, или точнее – при фиксированных Вmax и Bmin перекрываются температурные интервалы намагничивания и размагничивания, так называемый магнитокалорический интервал. Вторым главным условием для такого рабочего тела является магнитная осевая теплопроводность для недопущения выравнивания температурного профиля по оси, т.е. в любой момент времени температура любого материала в рабочем теле не должна лежать вне магнитокалорического интервала. Поэтому при намагничивании температурный профиль рабочего тела будет иметь возрастающий вид, так же как и теплоноситель, аналогично будет выглядеть линия размагничивания рабочего тела и теплоносителя, причем обе линии для рабочего тела лежат внутри магнитокалорического интервала. Рабочее тело в процессе своей работы выполняет роль активного регенератора, поэтому рабочие вещества используются в виде пористой структуры для обеспечения прокачки теплоносителя без существенных потерь давления и достаточно большой поверхности теплообмена. Таким образом, рабочее тело работает по принципу регенератора: теплое дутье (прямое) соответствует размагничиванию рабочего тела, когда охлаждается теплый поток гелия до наинизшей температуры на выходе из рабочего тела; холодное дутье (обратное), соответствует намагничиванию рабочего тела, когда нагревается холодный поток гелия. В отличие от обычного регенератора, где насадка выполняет роль только инерционного теплового звена, принимающего и отдающего теплоту, то здесь регенератор «активный» с внутренними источниками тепловыделений при намагничивании и размагничивании.


Используются две секции рабочего тела, на которые магнитное поле накладывается попеременно, и они работают, таким образом, в противофазе:

в то время, когда одна секция размагничивается и охлаждает прямой поток, на другую накладывается магнитное поле и идущий через нее обратный поток снимает теплоту намагничивания. Наложение и снятие магнитного поля на рабочие тела осуществляется магнитом, который периодически находится в крайних положениях, и двигается в сосуде с жидким гелием с помощью стержней, привод которых согласован с приводом нагнетателя : фазы движения поршня и магнита сдвинуты на друг относительно друга.

Для создания магнитного поля используется сверхпроводящий магнит, работающий при температуре жидкого гелия. Он имеет следующие преимущества перед резистивными электромагнитами: отсутствие Джоулевых тепловыделений, возможность работать без постоянной подпитки электроэнергией (в закороченном режиме через сверхпроводящий ключ).

Для реализации возвратно-поступательного движения гелия в нагнетателе использован поршень двойного действия. Регенеративный теплообменник Т1 также состоит из двух секций, каждая из которых попеременно нагревается прямым и охлаждается обратным потоками.

Перед пуском установки необходимо вакуумировать систему и затем наполнить ее сухим гелием для очистки всех трактов. Затем в два этапа производится захолаживание ожижителя. Сначала от 300 К до 90 К газообразным гелием за счет его охлаждения только жидким азотом, без включения магнитокалорической ступени, затем от 90 К до 4,2 К газообразным и затем жидким гелием, подаваемым извне. В номинальном режиме работы установка производит 10 литров жидкого гелия в час, накапливая его в сборнике с последующим переливом во внешнюю емкость.

По окончании работы гелий удаляется из емкости и установка отогревается пропусканием теплого гелия при не работающих ванне предварительного охлаждения и магнитокалорической ступени.

9. Описание процессов захолаживания и отогрева установки.

Обозначения вентилей, клапанов и аппаратов, используемые в данном разделе соответствуют обозначениям на листе «Схема установки».

Рассматривается работа установки с использованием гелия, запасенного в ресивере чистого гелия Г (то есть вентиль 1 постоянно закрыт, а вентиль 2 постоянно открыт в время всех описываемых действий).

Перед началом работы все тракты ожижителя вакуумируются при помощи вакуум-насоса ВН. При этом открыт вентиль 6, а вентили 5, 7, 8,9,12 – закрыты. При достижении остаточного давления 1 Па вентиль 6 закрывается, вакуум-насос выключается. Далее производится «полоскание» системы гелием для очистки от возможных примесей. Чистый гелий из ресивера через вентиль 9 подается в систему и заполняет все аппараты, магистрали и внутреннюю полость криостата. Включается нагнетатель и после 3-4 оборотов выключается. Вентиль 9 закрывается, открывается вентиль 12 и гелий из системы сбрасывается в газгольдер грязного гелия Г1.Описанная процедура повторяется 2-3 раза. После последнего «полоскания» вентиль 12 закрывается.

Далее производится захолаживание системы. Для этого открываются вентили 8 (на магистрали подачи жидкого азота из резервуара) и 5 (дренажа паров из ванны ПО) и жидкий аэот заполняет ванну предварительного охлаждения. Уровень азота контролируется уровнемером и регулируется открытием и закрытием вентиля 8. Одновременно включается нагнетатель и из ресивера ему на всасывание подается гелий. Постоянство давления всасывания обеспечивается газгольдером чистого гелия Г2, куда гелий подается через регулирующий вентиль 9. Таким образом циркуляцией гелия через азотную ванну обеспечивается захолаживание аппаратов, находящихся в криостате, до температуры порядка 80К. Затем открывается вентиль 11 и из внешнего резервуара в сборник криостата подается жидкий гелий. Для обеспечения возможности работы сверхпроводящих магнитов необходимо наличие в криостате 11 литров гелия. При достижении нижнего предела уровня жидкого гелия в сборнике включается система поддержания в заданных пределах уровней жидкости в сборнике гелия и в полостях сверхпроводящих магнитов при помощи вентиля 7, регулирующего давление в полости криостата. После того, как оба уровнемера просигнализируют о том, что уровень жидкого гелия в сборнике и полости магнитов несколько выше минимально допустимого, подача жидкого гелия из внешнего резервуара прекращается и вентиль 11 закрывается. Включаются сверхпроводящие магниты и ожижитель начинает работать самостоятельно.


Для завершения работы установки следует выключить нагнетатель, закрыть вентиль 9 и разомкнуть сверхпроводящий ключ соленоида включением соответствующего нагревателя. Сброс паров гелия в газгольдер прекращается путем закрытия вентиля 7. Открывается вентиль 11 и осуществляется перелив жидкого гелия из криостата во внешнюю емкость.

Отогрев установки производится при помощи нагнетателя, прокачивающего гелий через криостат при отсутствии жидкого азота в азотной ванне. Вентили 7,9,11,12 при этом закрыты. Сброс гелия, находящегося в криостате под избыточным давлением осуществляется либо через вентиль 7 в газгольдер чистого гелия (если предстоит небольшой перерыв в работе), либо через вентиль 12 в газгольдер Г1, откуда он закачивается в баллон (если перерыв в работе предусматривается длительным).