Основні властивості кріогенних рідин
Назва роботи: Основні властивості кріогенних рідин
Предметна область: Виробництво і промислові технології
Опис: ОСНОВИ КОНСТРУЮВАННЯ КРІОГЕННИХ ПРИСТРОЇВ Лекція 1 Основні властивості кріогенних рідин 1.1. Види рідких холодоагентів Для отримання низьких температур можна використовувати різні криогенні рідини які перш за все характеризуються температурою кипіння.
Розмір файлу: 175 KB
Роботу скачали: 24 чол.
Основні властивості кріогенних рідин
1.1. Види рідких холодоагентів
Для отримання низьких температур можна використовувати різні криогенні рідини, які, перш за все, характеризуються температурою кипіння. Температури кипіння найбільш поширених холодоагентів (табл. 1.1) знаходяться в діапазоні від 4,2 К до 90,1 К.
Температури кипіння рідких холодоагентів (при нормальному тиску)
1.2. Основні властивості рідких холодоагентів
Всі речовини, що використовуються в якості холодоагентів, не мають кольору і запаху ні в рідкому, ні в газоподібному стані. Вони не володіють магнітними властивостями і при звичайних умовах не проводять електричний струм. У табл. 1.4 наведені основні характеристики найбільш поширених холодоагентів # 150; азоту і гелію.
Фізичні параметри рідкого і газоподібного азоту і гелію
Температура кипіння, К
Температура Т кр. До
Тиск р кр. МПа
Щільність кр. кг / м 3
Температура Т тр. До
Тиск р тр. кПа
Щільність . кг / м 3. пара
Уд. теплоємність пара
З р. кДж / (кг К): рідини
Теплота пароутворення r.
Ставлення різниці ентальпій газу при
Т = 300 К і Т = 4,2 К до теплоті пароутворення, i / r
Коеф. теплопровідності . мВт / (м К) пара
Діелектр. постійна рідини
Газ при нормальних умовах (t = 0 C, p = 101,325 кПа)
Щільність . кг / м 3
Уд. теплоємність С р. кДж / (кг К)
Коеф. теплопровідність. . мВт / (м К)
Обсяг газу з 1 л рідини:
Звернемо увагу на ряд важливих моментів:
- рідкий гелій набагато легше азоту (щільності розрізняються майже в 6,5 раз);
- рідкий гелій має дуже низьку питому теплоту пароутворення r = 20,2 Дж / г, в той час як для азоту r = 197,6 Дж / г. Це означає, що для випаровування 1 г азоту потрібно в 9,8 раз більше підводиться тепла. З огляду на велику різницю між щільністю рідкого гелію і рідкого азоту, теплоти пароутворення на літр розрізняються ще сильніше # 150; в 63,3 рази! Як наслідок, однакова потужність, що підводиться призведе до випаровування істотно різних обсягів рідкого гелію і рідкого азоту. Неважко переконатися, що при потужності, що підводиться в 1 Вт за одну годину випарується приблизно 1,4 л рідкого гелію і 0,02 л рідкого азоту;
- шляхом відкачування парів можна знизити температуру рідкого азоту до потрійної точки # 150; Т тр = 63,15 До при р кр = 12,53 кПа. При переході через потрійну точку рідкий азот замерзне # 150; перейде в твердий стан. При цьому можлива подальша відкачка парів азоту над кристалом і, як наслідок, зниження температури системи. У таблиці 1.5 наведені значення тиску насичених парів азоту в широкому діапазоні температур. Проте на практиці, як правило, для отримання більш низьких температур використовують або рідкий гелій, або пристрою під назвою "кріокулери".
Тиск насичених парів азоту [3]
Примітка: * потрійна точка; ** точка нормального кипіння; *** критична точка
Тиск насичених парів гелію
Примітка: * -точка; ** точка нормального кипіння; *** критична точка
Щільність рідких холодоагентів при різних температурах
Температуру рідкого гелію можна також знизити з допомогою відкачування, причому температура рідини однозначно відповідає тиску пари (таблиця 1.6). Наприклад, тиску p = = 16 Па відповідає температура Т = 1,0 К. Необхідно пам'ятати, що гелій має не потрійну, а -точку (при Т = 2,172 К) # 150; перехід в надплинну фазу. При наявності оптичного кріостату перехід через -точку неважко виявити візуально по припиненню об'ємного кипіння рідкого гелію. Це пов'язано з різким збільшенням теплопровідності рідини # 150; від 24 мВт / (м К) до 86 кВт / (м К).
При зниженні температури кипіння холодоагентів (за допомогою відкачування парів) збільшується щільність рідини (див. Табл. 1.7). Цей ефект може бути суттєво для коректного термометрірованія, так як холодний, а значить більш важкий гелій або азот будуть опускатися на дно посудини.
Вартість рідкого гелію в кілька разів перевищує вартість рідкого азоту (зразкове співвідношення між ринковими цінами рідкого гелію і рідкого азоту # 150; 20: 1). Тому при охолодженні кріогенних пристроїв потрібно розумне поєднання використання рідкого азоту для попереднього охолодження і рідкого гелію. Також істотну роль грає використання для охолодження поворотного потоку випарувався газоподібного гелію. На це вказує велика величина відносин ентальпій газу при Т = 300 К і Т = 4,2 К до теплоті пароутворення 70. Тобто на нагрів газоподібного гелію від 4,2 К до 300 К буде потрібно в 70 разів більше теплоти, ніж на випаровування рідкого гелію!
Оцінити кількість рідкого гелію, необхідного для охолодження низькотемпературного пристрою, можна з таких міркувань.
Якщо охолодження здійснюється тільки за рахунок використання теплоти пароутворення, то буде потрібно обсяг рідини:
Тут С (Т) # 150; питома теплоємність матеріалу; m # 150; маса охолоджується матеріалу; r # 150; питома теплота пароутворення.
Але, як зазначалося вище, набагато економічніше використовувати для охолодження також газ, що утворюється при випаровуванні рідини. При цьому вважається, що газ нагрівається від гелієвої до кімнатної температури. У цьому випадку формула (1.1) перетворюється в такий спосіб:
де Ж і Г # 150; щільність рідкого і газоподібного гелію; i 300 - i 4,2 # 150; різницю ентальпій одиниці об'єму газоподібного гелію при 4,2 К і 300 К. Величини, розраховані за цими формулами, розрізняються практично в 40 разів.
Для коректного розрахунку за формулою (1.2) необхідно знати масу і температурну залежність теплоємності C (T) охолоджуваного матеріалу. У таблиці 1.8 наведені питомі теплоємності деяких матеріалів, що зустрічаються в кріогенної техніки, а в таблиці 1.9 представлені результати розрахунків витрати рідкого азоту і рідкого гелію хладагентов на охолодження різних металів [4].
Питома теплоємність деяких матеріалів, Дж / (г К)
На практиці виходить проміжний результат, причому він залежить як від конструкції кріостату, так і від майстерності експериментатора. Нарешті, якщо кріостат попередньо охолоджується рідким азотом, верхня межа інтегрування по теплоємності буде 77,3, а різниця ентальпій братиметься від 77 до 4,2 К. i = i 77 i 4.2. Істотно, що при цьому кількість гелію, необхідного для заливки кріостату, скорочується приблизно в 20 разів. Це пояснюється тим, що теплоємність твердих тіл в який нас діапазоні температур змінюється приблизно, як Т 3. Тому при попередньому охолодженні економиться велика кількість гелію. Хоча одночасно, звичайно ж, збільшується витрата рідкого азоту.
При використанні рідкого азоту для проміжного охолодження і, взагалі, при роботі з рідким азотом слід мати на увазі наступне. В процесі наповнення рідким азотом теплого судини спочатку має місце бурхливе кипіння, спостерігається розбризкування рідини (у відкритих посудинах) або швидке зростання тиску в закритих судинах. Потім, у міру охолодження судини або об'єкта, кипіння стає менш бурхливим. На цій стадії заповнення поверхню судини відокремлена від рідини шаром газу, теплопровідність якого в 4,5 рази менше теплопровідності рідини. Якщо продовжувати переливання рідини, шар газу і поверхню під ним будуть поступово охолоджуватися, поки газова плівка не зникне і основна маса рідини не прийде в зіткнення з поверхнею судини. При цьому починається другий період швидкого википання. І знову може мати місце розбризкування рідини і швидке підвищення тиску. Слід зазначити, що білі клуби пари, які часто можна бачити при переливанні рідкого азоту або гелію, являють собою Сконденсована з атмосфери вологу, а не газоподібні азот або гелій, так як останні безбарвні.
А також інші роботи, які можуть Вас зацікавити
Комп'ютерні об'єкти в криміналістиці. Використання інформаційних технологій у злочинній діяльності. Особливості механізму следообразования при скоєнні злочинів з використанням комп'ютерних об'єктів. Особливості виробництва слідчого огляду при розслідуванні злочинів, скоєних з використанням комп'ютерних об'єктів.