Un refrigerador diseñado para alcanzar temperaturas criogénicas (por debajo de 120 ° K / -153 ° C) a menudo se denomina enfriador criogénico.. El término se usa con mayor frecuencia para sistemas más pequeños, generalmente de tamaño de mesa, con potencias de entrada inferiores a aproximadamente 20 kW. Algunos pueden tener potencias de entrada tan bajas como 2-3 W. Los sistemas grandes, como los que se utilizan para enfriar los imanes superconductores en los aceleradores de partículas, se denominan más a menudo refrigeradores criogénicos. Sus potencias de entrada pueden llegar a 1 MW. En la mayoría de los casos, los crioenfriadores utilizan un fluido criogénico como sustancia de trabajo y emplean piezas móviles para hacer circular el fluido alrededor de un ciclo termodinámico. El fluido generalmente se comprime a temperatura ambiente, se enfría previamente en un intercambiador de calor y luego se expande a una temperatura baja. El fluido de baja presión que regresa pasa a través del intercambiador de calor para preenfriar el fluido de alta presión antes de ingresar a la entrada del compresor. A continuación se repite el ciclo.
Intercambiadores y regeneradores de calor ideales
Los intercambiadores de calor son componentes importantes de todos los enfriadores criogénicos. Los intercambiadores de calor ideales no tienen resistencia al flujo y la temperatura del gas de salida es la misma que la temperatura corporal (fija) T X del intercambiador de calor. Tenga en cuenta que incluso un intercambiador de calor perfecto no afectará la temperatura de entrada T i del gas. Esto conduce a pérdidas.
Un componente importante de los refrigeradores, que funcionan con flujos oscilatorios, es el regenerador. Un regenerador consiste en una matriz de un material poroso sólido, como partículas granulares o tamices metálicos, a través del cual fluye el gas hacia adelante y hacia atrás. El material almacena y libera calor periódicamente. El contacto térmico con el gas debe ser bueno y la resistencia al flujo de la matriz debe ser baja. Estos son requisitos contradictorios. Las propiedades termodinámicas e hidrodinámicas de los regeneradores son complicadas, por lo que generalmente se hacen modelos simplificadores. En su forma más extrema, un regenerador ideal tiene las siguientes propiedades:
- gran capacidad calorífica volumétrica del material;
- perfecto contacto térmico entre el gas y la matriz;
- resistencia al flujo cero de la matriz;
- porosidad cero (esta es la fracción de volumen del gas);
- conductividad térmica cero en la dirección del flujo;
- el gas es ideal.
El progreso en el campo de los enfriadores criogénicos en las últimas décadas se debe en gran parte al desarrollo de nuevos materiales que tienen una alta capacidad calorífica por debajo de 10K. [1]
Frigoríficos Stirling
Componentes
El tipo básico de enfriador de tipo Stirling se muestra en la figura 1. Consiste en (de izquierda a derecha):
- un pistón
- un espacio de compresión e intercambiador de calor (todo a temperatura ambiente T a )
- un regenerador
- un intercambiador de calor
- un espacio de expansión
- un pistón (todo a baja temperatura T L ).
Izquierda y derecha, el contacto térmico con el entorno a las temperaturas T a y T L se supone que es perfecto para que la compresión y expansión sean isotérmicas . El trabajo, realizado durante la expansión, se utiliza para reducir la potencia total de entrada. Por lo general, el helio es el fluido de trabajo.
Ciclo de enfriamiento
El ciclo de enfriamiento se divide en 4 pasos como se muestra en la figura 2. El ciclo comienza cuando los dos pistones están en sus posiciones más a la izquierda:
- De A a B. El pistón caliente se mueve hacia la derecha mientras que el pistón frío está fijo. La temperatura del gas comprimido en el extremo caliente es isotérmica (por definición), por lo que el calor Q a se emite al entorno a la temperatura ambiente T a .
- De b a c. Los dos pistones se mueven hacia la derecha. El volumen entre los dos pistones se mantiene constante. El gas caliente entra en el regenerador con la temperatura T de una y lo deja con la temperatura T L . El gas emite calor al material regenerador.
- Desde c hasta d. El pistón frío se mueve hacia la derecha mientras que el pistón caliente está fijo. La expansión es isotérmica y se absorbe calor Q L. Esta es la potencia de enfriamiento útil.
- De d a a. Los dos pistones se mueven hacia la izquierda mientras el volumen total permanece constante. El gas entra en el regenerador de baja temperatura T L y la deja con alta temperatura T una para que el calor es absorbido a partir del material regenerador. Al final de este paso, el estado del enfriador es el mismo que al principio.
En el diagrama pV (figura 3), el ciclo correspondiente consta de dos isotermas y dos isocoros. El volumen V es el volumen entre los dos pistones. En la práctica, el ciclo no se divide en pasos discretos como se describe anteriormente. Por lo general, los movimientos de ambos pistones son impulsados por un eje giratorio común que hace que los movimientos sean armónicos. La diferencia de fase entre los movimientos de los dos pistones es de aproximadamente 90 °. En el caso ideal, el ciclo es reversible, por lo que el COP (la relación entre la potencia de enfriamiento y la potencia de entrada) es igual al COP de Carnot dado por T L / ( T a - T L ).
No es tan práctico tener un pistón frío, como se describió anteriormente, por lo que, en muchos casos, se usa un desplazador en lugar del pistón frío. Un desplazador es un cuerpo sólido que se mueve hacia adelante y hacia atrás en la cabeza fría impulsando el gas hacia adelante y hacia atrás entre el extremo cálido y frío de la cabeza fría a través del regenerador. No se requiere trabajo para mover el desplazador ya que, idealmente, no hay caída de presión sobre él. Normalmente, su movimiento está desfasado 90 grados con el pistón. En el caso ideal, el COP también equivale al COP de Carnot.
Otro tipo de enfriador Stirling es el tipo de par dividido (Figura 4), que consta de un compresor, una tubería dividida y un dedo frío. Por lo general, hay dos pistones que se mueven en direcciones opuestas impulsados por campos magnéticos de CA (como en los altavoces). Los pistones pueden suspenderse mediante los denominados cojinetes de flexión. Proporcionan rigidez en la dirección radial y flexibilidad en la dirección axial. Los pistones y la carcasa del compresor no se tocan, por lo que no se necesitan lubricantes y no hay desgaste. El regenerador en el dedo frío está suspendido por un resorte. El enfriador opera a una frecuencia cercana a la frecuencia de resonancia del sistema masa-resorte del dedo frío.
Refrigeradores GM
Los refrigeradores Gifford-McMahon (GM) [2] han encontrado una aplicación generalizada en muchos sistemas de baja temperatura, por ejemplo, en resonancias magnéticas y bombas criogénicas. La figura 5 es un diagrama esquemático. El helio a presiones en el rango de 10 a 30 bar es el fluido de trabajo. El cabezal frío contiene un espacio de compresión y expansión, un regenerador y un desplazador. Por lo general, el regenerador y el desplazador se combinan en un cuerpo. Las variaciones de presión en el cabezal frío se obtienen conectándolo periódicamente a los lados de alta y baja presión de un compresor mediante una válvula giratoria. Su posición está sincronizada con el movimiento del desplazador. Durante la apertura y cierre de las válvulas tienen lugar procesos irreversibles, por lo que los refrigeradores GM tienen pérdidas intrínsecas. Esta es una clara desventaja de este tipo de enfriadores. La ventaja es que las frecuencias de ciclo del compresor y el desplazador están desacopladas para que el compresor pueda funcionar a la frecuencia de la línea eléctrica (50 o 60 Hz) mientras que el ciclo de la cabeza fría es de 1 Hz. De esta forma, el volumen barrido del compresor puede ser 50 (60) veces menor que el del enfriador. Básicamente, se pueden usar compresores (baratos) de refrigeradores domésticos, pero se debe evitar el sobrecalentamiento del compresor, ya que no está diseñado para helio. También se debe evitar que el vapor de aceite ingrese al regenerador mediante trampas de purificación de alta calidad.
Ciclo de enfriamiento
El ciclo se puede dividir en cuatro pasos, con la figura 6, de la siguiente manera:
El ciclo comienza con la válvula de baja presión (lp) cerrada, la válvula de alta presión (hp) abierta y el desplazador completamente hacia la derecha (es decir, en la región fría). Todo el gas está a temperatura ambiente.
- De A a B. El desplazador se mueve hacia la izquierda mientras la cabeza fría está conectada al lado de hp del compresor. El gas pasa el regenerador que entra en el regenerador a la temperatura ambiente T una y dejándolo con la temperatura T L . El gas libera calor al material del regenerador.
- De b a c. La válvula hp se cierra y la válvula lp se abre con la posición fija del desplazador. Parte del gas fluye a través del regenerador hacia el lado lp del compresor. El gas se expande. La expansión es isotérmica, por lo que se absorbe calor de la aplicación. Aquí es donde se produce la potencia frigorífica útil.
- Desde c hasta d. El desplazador se mueve hacia la derecha con la cabeza fría conectada al lado lp del compresor, lo que obliga al gas frío a pasar por el regenerador, mientras toma calor del regenerador.
- De d a a. La válvula lp se cierra y la válvula hp se abre con la posición fija del desplazador. El gas, ahora en el extremo caliente de la cabeza fría, se comprime y se libera calor a los alrededores. Al final de este paso, volvemos a la posición a.
Refrigeradores de tubo de impulsos
El refrigerador de tubo de pulso se trata en un artículo separado. Para completar, un PTR de un solo orificio de tipo Stirling se representa esquemáticamente en la figura 7. De izquierda a derecha consta de: un pistón que se mueve hacia adelante y hacia atrás; un intercambiador de calor X₁ (posenfriador) en el que se libera calor a temperatura ambiente ( T a ) al agua de refrigeración o al entorno; un regenerador; un intercambiador de calor X L a baja temperatura ( T L ) donde se absorbe el calor de la aplicación; un tubo, a menudo llamado tubo de pulso; un intercambiador de calor X₃ a temperatura ambiente ( T a ); una resistencia al flujo (orificio); un volumen tampón, en el que la presión p B es prácticamente constante.
Nevera Joule-Thomson
El enfriador Joule-Thomson (JT) fue inventado por Carl von Linde y William Hampson, por lo que también se le llama enfriador Linde-Hampson. Es un tipo simple de enfriador que se aplica ampliamente como enfriador criogénico o como la (etapa final) de refrigerantes. Se puede miniaturizar fácilmente, pero también se utiliza a gran escala en la licuefacción de gas natural. En la figura 8 se muestra un diagrama esquemático de un licuador JT. Consiste en un compresor, un intercambiador de calor a contracorriente, una válvula JT y un depósito.
Ciclo de enfriamiento
En la figura 8, las presiones y temperaturas se refieren al caso de un licuador de nitrógeno. En la entrada del compresor el gas está a temperatura ambiente (300 K) y una presión de 1 bar (punto a). El calor de compresión se elimina con agua de refrigeración. Después de la compresión, la temperatura del gas es la temperatura ambiente (300 K) y la presión es de 200 bar (punto b). Luego ingresa al lado caliente (alta presión) del intercambiador de calor de contraflujo donde se enfría previamente. Deja el intercambiador en el punto c. Después de la expansión JT, punto d, tiene una temperatura de 77,36 K y una presión de 1 bar. La fracción líquida es x . El líquido sale del sistema por el fondo del depósito (punto e) y el gas (fracción 1- x ) fluye hacia el lado frío (baja presión) del intercambiador de calor a contracorriente (punto f). Sale del intercambiador de calor a temperatura ambiente (punto a). Para mantener el sistema en estado estable, se suministra gas para compensar la fracción líquida x que se ha eliminado.
Cuando se usa como un enfriador criogénico, es preferible usar mezclas de gases en lugar de nitrógeno puro. De esta forma se mejora la eficiencia y la alta presión es mucho menor que 200 bar.
Puede encontrar una descripción más detallada de los refrigeradores Joule-Thomson y los refrigeradores Joule-Thomson en. [3]
Referencias
- ^ T. Kuriyama, R. Hakamada, H. Nakagome, Y. Tokai, M. Sahashi, R. Li, O. Yoshida, K. Matsumoto y T. Hashimoto, Avances en ingeniería criogénica 35B, 1261 (1990)
- ^ WE Gifford y RC Longsworth, Avances en ingeniería criogénica 11, 171 (1966)
- ^ ATAM de Waele Basics of Joule-Thomson Liquefaction and JT Cooling Journal of Low Temperature Physics, Vol.186 (2017) pp.385-403, DOI 10.1007 / s10909-016-1733-3, https: //link.springer. com / article / 10.1007 / s10909-016-1733-3
Ver también
- Procesador criogénico
- Refrigerador de desmagnetización adiabática
- Refrigerador de dilución
- Ciclo de Hampson-Linde
- Refrigerador de tubo de pulso
- Motor Stirling (refrigerador criogénico Stirling)
- Producción de entropía
Este artículo incorpora material de dominio público del sitio web del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología https://www.nist.gov .