Основы конструирования криогенных устройств Автор курса

Основы
конструирования
криогенных устройств
Автор курса
к.ф.м.н. Руднев И.А.
Московский инженерно-физический институт
(государственный университет)
Кафедра сверхпроводимости и физики
наноструктур
ЛЕКЦИЯ 1
Основные свойства криогенных
жидкостей
Температуры кипения
жидких хладагентов
(при нормальном давлении)
Жидкий
хладагент
Температура
кипения, К
Гелий
He
4,224
Водород
H2
20,28
Неон
Ne
27,108
Азот
N2
77.36
Аргон Кислород
Ar
O2
87,29
90,188
Состав сухого атмосферного
воздуха
Компонент
Объемная доля
Азот N2
Кислород O2
Аргон Ar
Оксид углерода CO2
78,09
20,95
0,93
0,03
Неон Ne
Гелий He
Углеводороды
Метан СН4
Криптон Kr
Водород H2
Оксид азота N2O
Ксенон Xe
Озон O3
Радон Rn
1810-4
5,2410-4
2,0310-4
1,510-4
1,1410-4
0,510-4
0,510-4
0,0810-4
0,0110-4
6,0 10-18
Интервалы температур,
получаемые с помощью
различных хладагентов
Хладагент
Интервал
температур, К
Кислород
Азот
Неон
Водород
Гелий-4
Гелий-3
5590
6378
24,527
20,414
1,04,2
0,31
Физические параметры
жидкого и газообразного
азота и гелия
Параметр, свойство
Температура кипения, К
Критическая
точка
Тройная
точка
Плотность , кг/м3:
Уд. теплоёмкость
Ср, кДж/(кгК):
Температура Ткр, К
Давление ркр, МПа
Плотность кр, кг/м3
Температура Ттр, К
Давление ртр, кПа
пара
жидкости
пара
жидкости
Теплота парообразования r,
кДж/кг
кДж/л
Азот
77,36
Гелий
4,224
126,6
3,398
304
5,2014
0,228
69,0
-точка
63,15 2,172
12,53
-точка
5,073
4,54
16,38
808
124,8
0,190
1,97
8,35
5,19
197,6
159,6
20,2
2,52
Физические параметры
жидкого и газообразного
азота и гелия
Параметр, свойство
Азот
Газ при нормальных условиях (t= 0 C, p=101,325 кПа)
Плотность , кг/м3
1,252
Уд. теплоёмкость Ср, кДж/(кгК)
1,041
Коэф. теплопроводн. , мВт/(мК)
23,96
Объем газа из 1 л жидкости:
насыщенного пара, л
178
газа, л
646
Молярная масса , кг/моль
28,2
Газовая постоянная R, Дж/(кгК)
296,75
Показатель адиабаты  = Cp/C
1,4
Отношение разницы энтальпий газа при
Т=300 К и Т=4,2 К к теплоте парообразования, i/r
1,2
Коэф. теплопроводности
, мВт/(мК)
пара
жидкости
Диэлектр. постоянная жидкости
7,62
136
1,434
Гелий
0,1785
5,275
150,1
7,62
700
4,003
2079
1,66
70
6,48
27,1
1,049
Удельная теплоемкость
некоторых материалов, Дж/(гК)
Т, К
10
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
220
260
300
Алюминий
0,014
0,010
0,0775
0,214
0,357
0,481
0,580
0,654
0,718
0,760
0,797
0,826
0,869
0,902
Медь М1
0,00122
0,00669
0,0680
0,125
0,190
0,260
0,280
0,300
0,320
0,340
0,357
0,363
0,375
-
Латунь
0,0040
0,0201
0,0795
0,167
0,234
0,280
0,310
0,335
0,351
0,368
0,372
0,381
0,385
0,385
Нержавеющая сталь
12Х18Н10Т
0,0113
0,0560
0,105
0,202
0,262
0,305
0,348
0,378
0,397
0,417
0,432
0,465
-
Объем жидкости, требуемый
для охлаждения материалов
а) охлаждение осуществляется только
за счет использования теплоты парообразования
300
Vж 
 C (T )mdT
4.2
r
С(Т) – удельная теплоемкость материала;
m – масса охлаждаемого материала;
r – удельная теплота парообразования
Объем жидкости, требуемый
для охлаждения материалов
б) использование для охлаждения газа,
образующийся при испарении жидкости
300
Vж 
 C (T )mdT
4.2
ж
r
(i300  i4.2 )
Г
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
Расход хладагента на
охлаждение различных
металлов
Начальная
Расход хладагента, л на 1 кг металла
Хладагент
температура
Алюминий
Нержав.
Медь
металла, К
сталь
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