A Cryocooler là một bộ làm mát độc lập, thường có kích thước trên bàn. Nó được sử dụng để làm mát một số ứng dụng cụ thể đối với nhiệt độ đông lạnh. Một đánh giá được đưa ra bởi Radebaugh. ^[1] Điều khoản hiện tại liên quan đến nhiều loại máy làm lạnh khác nhau và một phần dựa trên một bài báo của De Waele. ^[2]

Bộ trao đổi và tái sinh nhiệt lý tưởng [ chỉnh sửa 19659005] Bộ trao đổi nhiệt là thành phần quan trọng của tất cả các chất làm lạnh. Bộ trao đổi nhiệt lý tưởng không có khả năng chống chảy và nhiệt độ khí thoát giống như nhiệt độ cơ thể (cố định) T _X của bộ trao đổi nhiệt. Lưu ý rằng ngay cả một bộ trao đổi nhiệt hoàn hảo sẽ không ảnh hưởng đến nhiệt độ đầu vào T _i của khí. Điều này dẫn đến thua lỗ.

Một thành phần quan trọng của tủ lạnh, hoạt động với dòng chảy dao động, là bộ tái sinh. Một bộ tái sinh bao gồm một ma trận của một vật liệu xốp rắn, chẳng hạn như các hạt nhỏ hoặc sàng kim loại, qua đó khí chảy qua lại. Nhiệt định kỳ được lưu trữ và giải phóng bởi vật liệu. Tiếp xúc nhiệt với khí phải tốt và khả năng chống chảy của ma trận phải thấp. Đây là những yêu cầu mâu thuẫn. Các đặc tính nhiệt động và thủy động lực của các bộ tái sinh rất phức tạp, vì vậy người ta thường tạo ra các mô hình đơn giản hóa. Ở dạng cực đoan nhất, bộ tái sinh lý tưởng có các thuộc tính sau:

• công suất nhiệt thể tích lớn của vật liệu;
• tiếp xúc nhiệt hoàn hảo giữa khí và ma trận;
• khả năng chống chảy của ma trận;
• độ xốp bằng không (đây là phần thể tích của khí); [19659010] độ dẫn nhiệt bằng không theo hướng dòng chảy;
• khí là lý tưởng.

Sự tiến bộ gần đây trong lĩnh vực cryocooler là rất lớn do sự phát triển của vật liệu mới có công suất nhiệt cao dưới 10K. ^[3]

Tủ lạnh Stirling [ chỉnh sửa ]

Hình.1 Sơ đồ nguyên lý của máy làm mát Stirling. Hệ thống này có một pít-tông ở nhiệt độ môi trường T _a và một pít-tông ở nhiệt độ thấp T _L .

Loại cơ bản của máy làm mát kiểu Stirling được mô tả trong hình 1 Từ trái sang phải, nó bao gồm một pít-tông, không gian nén và bộ trao đổi nhiệt (tất cả ở nhiệt độ môi trường T _a ), bộ tái sinh và bộ trao đổi nhiệt, không gian giãn nở và pít-tông ( tất cả ở nhiệt độ thấp T _L ). Trái và phải tiếp xúc nhiệt với môi trường xung quanh ở nhiệt độ T _a và T _L được cho là hoàn hảo để quá trình nén và giãn nở là đẳng nhiệt. Công việc, được thực hiện trong quá trình mở rộng, được sử dụng để giảm tổng công suất đầu vào. Thông thường helium là chất lỏng làm việc.

Hình.2 Bốn trạng thái trong chu trình Stirling.

Chu trình làm mát được chia thành 4 bước như mô tả trong Hình.2. Chu kỳ bắt đầu khi hai piston ở vị trí bên trái nhất của chúng:

• Từ a đến b. Pít-tông ấm di chuyển sang phải trong khi pít-tông lạnh được cố định. Quá trình nén ở đầu nóng là đẳng nhiệt (theo định nghĩa), do đó nhiệt Q _a được cung cấp cho môi trường xung quanh ở nhiệt độ môi trường T _a . Từ b đến c. Hai piston di chuyển sang phải. Âm lượng giữa hai piston được giữ không đổi. Khí nóng đi vào thiết bị tái sinh với nhiệt độ T _a và để nó ở nhiệt độ T _L . Khí tỏa nhiệt cho vật liệu tái sinh.
• Từ c đến d. Pít-tông lạnh di chuyển sang phải trong khi pít-tông ấm được cố định. Sự giãn nở là đẳng nhiệt và nhiệt Q _L được đưa lên. Đây là công suất làm mát hữu ích.
• Từ d đến a. Hai piston di chuyển sang trái trong khi tổng khối lượng không đổi. Khí đi vào thiết bị tái sinh với nhiệt độ thấp T _L và để nó ở nhiệt độ cao T _a vì vậy nhiệt được lấy từ vật liệu tái sinh. Ở cuối bước này, trạng thái của bộ làm mát giống như lúc ban đầu.

Hình 3 sơ đồ pV của chu trình Stirling lý tưởng.

Trong sơ đồ pV (Hình 3) chu trình tương ứng bao gồm của hai đường đẳng nhiệt và hai đường đẳng. Âm lượng V là âm lượng giữa hai piston. Trong thực tế, chu trình không được chia thành các bước riêng biệt như mô tả ở trên. Thông thường các chuyển động của cả hai piston được điều khiển bởi một trục quay chung làm cho các chuyển động hài hòa. Độ lệch pha giữa các chuyển động của hai piston là khoảng 90 °. Trong trường hợp lý tưởng, chu trình có thể đảo ngược, do đó, COP (tỷ lệ giữa công suất làm mát và công suất đầu vào) bằng với Carnot COP được đưa ra bởi T _L / ( T [19659006] một – T _L ).

Thật không thực tế khi có một pít-tông lạnh, như được mô tả ở trên, vì vậy, trong nhiều trường hợp, một bộ chuyển động được sử dụng thay cho pít-tông lạnh. Một người thay thế là một cơ thể rắn di chuyển qua lại trong cái đầu lạnh điều khiển khí qua lại giữa đầu ấm và đầu lạnh của đầu lạnh thông qua bộ tái sinh. Không có công việc nào được yêu cầu để di chuyển bộ chuyển động kể từ đó, lý tưởng là không có áp lực giảm trên nó. Thông thường chuyển động của nó là 90 độ lệch pha với piston. Trong trường hợp lý tưởng, COP cũng bằng với Carnot COP.

Hình.4 Sơ đồ của tủ lạnh Stirling cặp đôi. Năng lượng làm mát được cung cấp cho bộ trao đổi nhiệt của ngón tay lạnh. Thông thường các dòng nhiệt nhỏ đến mức không cần bộ trao đổi nhiệt vật lý xung quanh đường ống chia.

Một loại máy làm mát khác là loại tách đôi (Hình.4), bao gồm máy nén, ống tách, và một ngón tay lạnh. Thông thường có hai piston di chuyển theo hướng ngược nhau được điều khiển bởi từ trường AC (như trong loa). Các piston có thể được treo bằng cái gọi là vòng bi uốn. Chúng cung cấp độ cứng theo hướng xuyên tâm và tính linh hoạt theo hướng dọc trục. Pít-tông và vỏ máy nén không chạm vào nên không cần chất bôi trơn và không có hao mòn. Bộ tái sinh trong ngón tay lạnh bị treo bởi một lò xo. Bộ làm mát hoạt động ở tần số gần tần số cộng hưởng của hệ thống lò xo khối của ngón tay lạnh.

Tủ lạnh GM [ chỉnh sửa ]

Hình.5 Sơ đồ nguyên lý của máy làm mát GM. V _l và V _h là khối lượng đệm của máy nén. Nhiệt nén được loại bỏ bằng nước làm mát của máy nén thông qua bộ trao đổi nhiệt. Các van quay xen kẽ kết nối bộ làm mát với các mặt áp suất cao và áp suất thấp của máy nén và chạy đồng bộ với bộ chuyển động.

Máy làm mát Gifford-McMahon (GM) ^[4] đã tìm thấy ứng dụng rộng rãi trong nhiều hệ thống nhiệt độ thấp, ví dụ: trong MRI và cryopumps. Hình.5 là một sơ đồ. Helium ở áp suất trong phạm vi 10 đến 30 bar là chất lỏng làm việc. Đầu lạnh chứa không gian nén và giãn nở, bộ tái sinh và bộ chuyển đổi. Thông thường bộ tái sinh và bộ chuyển đổi được kết hợp trong một cơ thể. Sự thay đổi áp suất trong đầu lạnh có được bằng cách kết nối định kỳ với các mặt áp suất cao và áp suất thấp của máy nén bằng van xoay. Vị trí của nó được đồng bộ với chuyển động của bộ chuyển động. Trong quá trình mở và đóng van, các quá trình không thể đảo ngược diễn ra, do đó, bộ làm mát GM có tổn thất nội tại. Đây là một nhược điểm rõ ràng của loại máy làm mát này. Ưu điểm là tần số chu kỳ của máy nén và bộ chuyển đổi được tách rời để máy nén có thể chạy ở tần số dòng điện (50 hoặc 60 Hz) trong khi chu kỳ của đầu lạnh là 1 Hz. Theo cách này, thể tích quét của máy nén có thể nhỏ hơn 50 (60) lần so với máy làm mát. Về cơ bản (giá rẻ) máy nén của tủ lạnh nội địa có thể được sử dụng, nhưng người ta phải ngăn chặn quá nhiệt máy nén vì nó không được thiết kế cho helium. Người ta cũng phải ngăn hơi dầu xâm nhập vào thiết bị tái sinh bằng bẫy tinh lọc chất lượng cao.

Hình. 6 Bốn giai đoạn trong chu trình làm mát của bộ làm mát GM.

Chu trình có thể được chia thành bốn bước, với Hình.6, như sau:

Chu trình bắt đầu khi van áp suất thấp (lp) đóng, van áp suất cao (hp) mở và bộ chuyển động ở bên phải (vì vậy ở vùng lạnh). Tất cả các khí ở nhiệt độ phòng.

• Từ a đến b. Bộ chuyển động di chuyển sang trái trong khi đầu lạnh được kết nối với phía hp của máy nén. Khí đi qua thiết bị tái sinh đi vào thiết bị tái sinh ở nhiệt độ môi trường T _a và để nó ở nhiệt độ T _L . Nhiệt được giải phóng bởi khí đến vật liệu tái sinh.
• Từ b đến c. Van hp được đóng và van lp được mở với vị trí cố định của bộ chuyển động. Một phần của khí chảy qua bộ tái sinh đến phía lp của máy nén. Khí mở rộng. Sự giãn nở là đẳng nhiệt nên nhiệt được lấy từ ứng dụng. Đây là năng lượng làm mát hữu ích được sản xuất.
• Từ c đến d. Bộ chuyển động di chuyển sang phải với đầu lạnh được nối với phía lp của máy nén buộc khí lạnh đi qua bộ tái sinh, trong khi lấy nhiệt từ bộ tái sinh.
• Từ d đến a. Van lp được đóng và van hp được mở với vị trí cố định của bộ chuyển động. Khí, bây giờ ở đầu nóng của đầu lạnh, bị nén và nhiệt được giải phóng ra xung quanh. Cuối bước này, chúng tôi trở lại vị trí a.

Tủ lạnh ống xung [ chỉnh sửa ]

Hình.7 Sơ đồ sơ đồ của PTR một lỗ kiểu khuấy.

Tủ lạnh ống xung được xử lý trong một bài viết riêng. Để hoàn thiện, cái gọi là PTR dạng lỗ đơn kiểu Stirling được thể hiện dưới dạng sơ đồ trong Hình 7. Từ trái sang phải nó bao gồm: một pít-tông di chuyển qua lại; bộ trao đổi nhiệt X₁ (sau khi làm mát) trong đó nhiệt được giải phóng ở nhiệt độ phòng ( T _a ) để làm mát nước hoặc ra môi trường xung quanh; một máy tái sinh; bộ trao đổi nhiệt X _L ở nhiệt độ thấp ( T _L ) trong đó nhiệt được hấp thụ từ ứng dụng; một ống, thường được gọi là ống xung; một bộ trao đổi nhiệt X₃ đến nhiệt độ phòng ( T _a ); một dòng chảy (lỗ); một khối lượng đệm, trong đó áp suất p _B thực tế không đổi.

Máy làm mát Joule-Thomson [ chỉnh sửa ]

Hình. 8 Sơ đồ nguyên lý của một hóa lỏng JT. Một phần x của khí nén được loại bỏ dưới dạng lỏng. Ở nhiệt độ phòng, nó được cung cấp dưới dạng khí ở 1 bar, do đó hệ thống ở trạng thái ổn định.

Máy làm mát Joule-Thomson (JT) được phát minh bởi Carl von Linde và William Hampson nên nó còn được gọi là Linde- Hampson mát. Về cơ bản nó là một loại máy làm mát rất đơn giản được áp dụng rộng rãi như là chất làm lạnh hoặc là (giai đoạn cuối) của chất hóa lỏng. Nó có thể dễ dàng được thu nhỏ, nhưng nó cũng được sử dụng trên quy mô rất lớn trong việc hóa lỏng khí tự nhiên. Một sơ đồ nguyên lý của một hóa lỏng JT, được đưa ra trong hình.8. Nó bao gồm một máy nén, bộ trao đổi nhiệt dòng ngược, van JT và bình chứa. Trong hình.8, áp suất và nhiệt độ đề cập đến trường hợp của máy hóa lỏng nitơ. Ở đầu vào của máy nén, khí ở nhiệt độ phòng (300 K) và áp suất 1 bar (điểm a). Nhiệt nén được loại bỏ bằng nước làm mát. Sau khi nén, nhiệt độ khí là nhiệt độ môi trường (300 K) và áp suất là 200 bar (điểm b). Tiếp theo, nó đi vào phía ấm (áp suất cao) của bộ trao đổi nhiệt dòng ngược, nơi nó được lọc sẵn. Nó rời khỏi bộ trao đổi tại điểm c. Sau khi mở rộng JT, điểm d, nó có nhiệt độ 77,36 K và áp suất 1 bar. Phần lỏng là x . Chất lỏng rời khỏi hệ thống ở đáy bể chứa (điểm e) và khí (phần 1- x ) chảy vào phía lạnh (áp suất thấp) của bộ trao đổi nhiệt dòng ngược (điểm f). Nó rời khỏi bộ trao đổi nhiệt ở nhiệt độ phòng (điểm a). Để giữ cho hệ thống ở trạng thái ổn định, khí được cung cấp để bù cho phần lỏng x đã bị loại bỏ.

Khi được sử dụng làm chất làm lạnh, nên sử dụng hỗn hợp khí thay vì nitơ tinh khiết. Bằng cách này, hiệu quả được cải thiện và áp suất cao thấp hơn nhiều so với 200 bar.

Có thể tìm thấy mô tả chi tiết hơn về máy làm mát Joule-Thomson và tủ lạnh Joule-Thomson trong ^[5].

1. ^ R. Radebaugh, J. Phys.: Ngưng tụ. Vật chất, Tập 21, 164219 (2009)
2. ^ A.T.A.M. de Waele, Hoạt động cơ bản của máy làm lạnh và máy nhiệt liên quan, Bài viết đánh giá, Tạp chí Vật lý nhiệt độ thấp, Vol.164, trang 179-236, (2011), DOI: 10.1007 / s10909-011-0373-x.
3. ^ T. Kuriyama, R. Hakamada, H. Nakagome, Y. Tokai, M. Sahashi, R. Li, O. Yoshida, K. Matsumoto, và T. Hashimoto, Những tiến bộ trong Kỹ thuật tạo lạnh 35B, 1261 (1990)
4. ^ [19659077] CHÚNG TÔI Gifford và R.C. Longsworth, Những tiến bộ trong Kỹ thuật tạo lạnh 11, 171 (1966)
5. ^ A.T.A.M. de Waele Khái niệm cơ bản về Joule hạ Thomson Hóa lỏng và Tạp chí làm mát JT của Vật lý nhiệt độ thấp, Vol.186 (2017) Trang.385-403, DOI 10.1007 / s10909-016-1733-3, https://link.springer.com/ bài viết / 10.1007 / s10909-016-1733-3

Xem thêm [ chỉnh sửa ]