El refrigerador de tubo de pulso (PTR) o crioenfriador de tubo de pulso es una tecnología en desarrollo que surgió en gran parte a principios de la década de 1980 con una serie de otras innovaciones en el campo más amplio de la termoacústica . A diferencia de otros enfriadores criogénicos (por ejemplo, enfriadores criogénicos Stirling y refrigeradores GM ), este enfriador criogénico se puede fabricar sin partes móviles en la parte de baja temperatura del dispositivo, lo que hace que el enfriador sea adecuado para una amplia variedad de aplicaciones.
Usos
Los crioenfriadores de tubo de impulsos se utilizan en aplicaciones industriales como la fabricación de semiconductores y en aplicaciones militares como la refrigeración de sensores infrarrojos . [1] También se están desarrollando tubos de pulso para enfriar detectores astronómicos donde se usan típicamente criógenos líquidos, como el Telescopio de Cosmología Atacama [2] o el experimento Qubic [3] (un interferómetro para estudios de cosmología). Los PTR se utilizan como preenfriadores de refrigeradores de dilución . Los tubos de pulso son particularmente útiles en telescopios espaciales como el telescopio espacial James Webb [4], donde no es posible reponer los criógenos a medida que se agotan. También se ha sugerido que los tubos de pulso podrían usarse para licuar el oxígeno en Marte . [5]
Principio de funcionamiento
La Figura 1 representa el Refrigerador de tubo de impulsos (PTR) de orificio único tipo Stirling, que se llena con un gas, típicamente helio a una presión que varía de 10 a 30 bar. De izquierda a derecha, los componentes son:
- un compresor, con un pistón moviéndose hacia adelante y hacia atrás a temperatura ambiente T H
- un intercambiador de calor X 1 donde se libera calor al entorno a temperatura ambiente
- un regenerador que consiste en un medio poroso con un gran calor específico (que puede ser malla de alambre de acero inoxidable, malla de alambre de cobre, malla de alambre de bronce fosforoso o bolas de plomo o perdigones de plomo o materiales de tierras raras para producir una temperatura muy baja) en el que fluye el gas de ida y vuelta
- un intercambiador de calor X 2 , enfriado por el gas, donde la potencia frigorífica útilse entrega a la temperatura baja T L , tomado del objeto a enfriar
- un tubo en el que se empuja y se tira del gas
- un intercambiador de calor X 3 a temperatura ambiente donde se libera calor al entorno
- una resistencia al flujo (a menudo llamado orificio)
- un volumen de tampón (un gran volumen cerrado a presión prácticamente constante)
La parte entre X 1 y X 3 está aislada térmicamente del entorno, generalmente por vacío. La presión varía gradualmente y las velocidades del gas son bajas. Por lo tanto, el nombre de enfriador de tubo de "pulso" es engañoso, ya que no hay pulsos en el sistema.
El pistón se mueve periódicamente de izquierda a derecha y hacia atrás. Como resultado, el gas también se mueve de izquierda a derecha y viceversa mientras la presión dentro del sistema aumenta y disminuye. Si el gas del espacio del compresor se mueve hacia la derecha, ingresa al regenerador con temperatura T H y sale del regenerador en el extremo frío con temperatura T L , por lo que el calor se transfiere al material del regenerador. A su regreso, el calor almacenado dentro del regenerador se transfiere de nuevo al gas.
En el tubo, el gas está térmicamente aislado (adiabático), por lo que la temperatura del gas en el tubo varía con la presión.
En el extremo frío del tubo, el gas ingresa al tubo a través de X 2 cuando la presión es alta con la temperatura T L y regresa cuando la presión es baja con una temperatura por debajo de T L , por lo tanto, toma calor de X 2 : esto da el efecto de enfriamiento deseado en X 2 .
Para comprender por qué el gas de baja presión regresa a una temperatura más baja, observe la figura 1 y considere las moléculas de gas cercanas a X 3 (en el extremo caliente) que entran y salen del tubo a través del orificio. Las moléculas fluyen hacia el tubo cuando la presión en el tubo es baja (se succiona al interior del tubo a través de X 3 procedente del orificio y el tampón). En el momento de entrar en el tubo que tiene la temperatura T H . Más adelante en el ciclo, la misma masa de gas se expulsa del tubo nuevamente cuando la presión dentro del tubo es alta. Como consecuencia de su temperatura será más alta que T H . En el intercambiador de calor X 3 , libera calor y se enfría hasta la temperatura ambiente T H . [6]
La Figura 3 muestra un tubo de pulso coaxial que es una configuración más útil en la que el regenerador rodea el tubo de pulso central. Esto es compacto y coloca el cabezal frío en un extremo para que sea fácil de integrar con lo que se va a enfriar. El desplazador se puede accionar de forma pasiva y esto recupera el trabajo que de otro modo se disiparía en el orificio.
Actuación
El rendimiento del enfriador está determinado principalmente por la calidad del regenerador. Debe satisfacer requisitos contradictorios: debe tener una baja resistencia al flujo (por lo que debe ser corto con canales anchos), pero el intercambio de calor también debe ser bueno (por lo que debe ser largo con canales estrechos). El material debe tener una gran capacidad calorífica. A temperaturas superiores a 50 K prácticamente todos los materiales son adecuados. A menudo se utiliza bronce o acero inoxidable. Para temperaturas entre 10 y 50 K, el plomo es el más adecuado. Por debajo de 10 K se utilizan materiales magnéticos especialmente desarrollados para esta aplicación.
El llamado coeficiente de rendimiento (COP) de enfriadores se define como la relación entre la potencia de enfriamiento y la potencia del compresor P . En fórmula:. Para una hielera perfectamente reversible,viene dado por el teorema de Carnot :
( 1 )
Sin embargo, un refrigerador de tubo de pulso no es perfectamente reversible debido a la presencia del orificio, que tiene resistencia al flujo. En cambio, el COP de un PTR ideal viene dado por
( 2 )
que es más bajo que el de los refrigeradores ideales.
Comparación con otros refrigeradores
En la mayoría de los refrigeradores, el gas se comprime y expande periódicamente. Los enfriadores conocidos, como los enfriadores de motor Stirling y los populares enfriadores Gifford-McMahon, tienen un desplazador que asegura que el enfriamiento (debido a la expansión) tenga lugar en una región de la máquina diferente a la del calentamiento (debido a la compresión). Debido a su ingenioso diseño, el PTR no tiene dicho desplazador. Esto significa que la construcción de un PTR es más simple, más barata y más confiable. Además, no hay vibraciones mecánicas ni interferencias electromagnéticas. De Waele describe el funcionamiento básico de los crioenfriadores y las máquinas térmicas relacionadas [7].
Historia
Joseph Waldo, en la década de 1960, inventó el llamado Refrigerador de tubo de pulso básico. El PTR moderno fue inventado por Mikulin al introducir un orificio en el tubo de pulso básico en 1984. [8] Alcanzó una temperatura de 105 K. Poco después, los PTR mejoraron debido a la invención de nuevas variaciones. [9] [10] [11] [12] [13] Esto se muestra en la figura 4, donde la temperatura más baja para los PTR se representa como una función del tiempo.
Por el momento, la temperatura más baja está por debajo del punto de ebullición del helio (4,2 K). Originalmente esto se consideró imposible. Durante algún tiempo pareció imposible enfriar por debajo del punto lambda de 4 He (2,17 K), pero el grupo de Baja Temperatura de la Universidad Tecnológica de Eindhoven logró enfriar a una temperatura de 1,73 K reemplazando el habitual 4 He como refrigerante por su raro isótopo 3 He. Posteriormente este récord lo batió el Grupo Giessen que logró llegar incluso por debajo de 1,3 K. En una colaboración entre los grupos de Giessen y Eindhoven se alcanzó una temperatura de 1,2 K combinando un PTR con un enfriador de vórtice superfluido. [14]
Tipos de refrigeradores de tubo de pulso
Para conseguir el enfriamiento, la fuente de las variaciones de presión no es importante. Los PTR para temperaturas inferiores a 20 K suelen funcionar a frecuencias de 1 a 2 Hz y con variaciones de presión de 10 a 25 bar. El volumen barrido del compresor sería muy alto (hasta un litro y más). Por lo tanto, el compresor está desacoplado del enfriador. Un sistema de válvulas (generalmente una válvula giratoria) conecta alternativamente el lado de alta presión y el lado de baja presión del compresor con el extremo caliente del regenerador. Como la parte de alta temperatura de este tipo de PTR es la misma que la de los refrigeradores GM, este tipo de PTR se denomina PTR de tipo GM. Los flujos de gas a través de las válvulas van acompañados de pérdidas que están ausentes en el PTR tipo Stirling.
Los PTR se pueden clasificar según su forma. Si el regenerador y el tubo están en línea (como en la fig. 1) hablamos de un PTR lineal. La desventaja del PTR lineal es que el punto frío está en el medio del enfriador. Para muchas aplicaciones es preferible que el enfriamiento se produzca al final del enfriador. Al doblar el PTR obtenemos un enfriador en forma de U. Ambos extremos calientes se pueden montar en la brida de la cámara de vacío a temperatura ambiente. Esta es la forma más común de PTR. Para algunas aplicaciones, es preferible tener una geometría cilíndrica. En ese caso, el PTR se puede construir de forma coaxial para que el regenerador se convierta en un espacio en forma de anillo que rodea el tubo.
La temperatura más baja alcanzada con los PTR de una sola etapa es apenas superior a 10 K. [15] Sin embargo, un PTR se puede utilizar para preenfriar el otro. El extremo caliente del segundo tubo está conectado a temperatura ambiente y no al extremo frío de la primera etapa. De esta manera inteligente se evita que el calor, liberado en el extremo caliente del segundo tubo, sea una carga en la primera etapa. En las aplicaciones, la primera etapa también funciona como una plataforma de anclaje de temperatura para, por ejemplo, el enfriamiento del escudo de criostatos de imanes superconductores. Matsubara y Gao fueron los primeros en enfriarse por debajo de 4K con un PTR de tres etapas. [16] Con PTR de dos etapas, se han obtenido temperaturas de 2,1 K, justo por encima del punto λ del helio. Con un PTR de tres etapas se ha alcanzado 1,73 K utilizando 3 He como fluido de trabajo. [17]
Prospectos
El coeficiente de rendimiento de los PTR a temperatura ambiente es bajo, por lo que no es probable que desempeñen un papel en la refrigeración doméstica. Sin embargo, por debajo de aproximadamente 80 K, el coeficiente de rendimiento es comparable con otros refrigeradores (compare las ecuaciones ( 1 ) y ( 2 )) y en la región de baja temperatura las ventajas se imponen. Para las regiones de temperatura de 70K y 4K, los PTR están disponibles comercialmente. Se aplican en sistemas de detección de infrarrojos, para la reducción de ruido térmico en dispositivos basados en (alta-T c ) superconductividad tales como calamares, y filtros para las telecomunicaciones. Los PTR también son adecuados para enfriar sistemas de resonancia magnética y sistemas relacionados con la energía que utilizan imanes superconductores. En los denominados imanes secos, los refrigeradores se utilizan para que no se necesite ningún criolíquido o para la recondensación del helio evaporado. También la combinación de refrigeración criogénicos con 3 He- 4 Él refrigeradores de dilución para la región reducida la temperatura a 2 m · K es atractivo ya que de esta manera todo el rango de temperatura desde la temperatura ambiente a 2 MK es de más fácil acceso.
Ver también
- Refrigerador criogénico
- Refrigeración regenerativa
- Cronología de la tecnología de baja temperatura
Referencias
- ^ Radebough, Ray (1999). Desarrollo del refrigerador de tubos de pulsos como un refrigerador criogénico eficiente y confiable (PDF) . Actas del Instituto de Refrigeración (Londres) 1999-2000. Instituto de Refrigeración.
- ^ Acerca de ACT (sitio oficial)
- ^ Interferometría bolométrica QUBIC: el concepto (sitio oficial)
- ^ El crioenfriador del telescopio espacial James Webb (JWST / NASA)
- ^ Marquardt, ED; Radebaugh, Ray (2000). Licuador de oxígeno de tubo de pulso (PDF) . Avances en Ingeniería Criogénica . 45A . Montreal, Quebec, Canadá. págs. 457–464. ISBN 978-0-306-46443-0. Archivado desde el original (PDF) el 18 de noviembre de 2017. Parámetro desconocido
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enlaces externos
- Una breve historia de los refrigeradores de tubo de pulso (NASA)
- Página principal del grupo de criogenia SHI
- Inicio Cryomech
- Animación de tubo de pulso (Thales Cryogenics)
- El crioenfriador del telescopio espacial James Webb (JWST / NASA)