2 / UMKD_Rudnev_Osnovy_postroeniya_kriogennyh_ustrojstv_2008 / konspekt / lekciya1
Для получения низких температур можно использовать различные криогенные жидкости, которые, прежде всего, характеризуются температурой кипения. Температуры кипения наиболее распространенных хладагентов (табл. 1.1) находятся в диапазоне от 4,2 К до 90,1 К.
Температуры кипения жидких хладагентов (при нормальном давлении)
Температура кипения, К
Состав сухого атмосферного воздуха
Оксид углерода CO2
Интервалы температур, получаемые с помощью различных хладагентов
зот, кислород, аргон, неон, криптон, ксенон – это основные продукты разделения воздуха, извлекаемые из него в промышленных масштабах методами низкотемпературной ректификации и сорбции. В таблице 1.2 приведены объемные доли различных компонентов сухого воздуха у поверхности Земли. Несмотря на большое разнообразие возможных жидких хладагентов, в научной практике в основном применяются жидкий гелий и жидкий азот. Водород и кислород чрезвычайно взрывоопасны, а жидкие инертные газы не позволяют получать достаточно низкие температуры (таблица 1.3). В области температур около 70-100 К с успехом используется жидкий азот как безопасный и относительно дешевый хладагент (объемная доля в сухом атмосферном воздухе составляет 78 % ). Для получения температур ниже 70 К, как правило, используют гелий. Гелий имеет два устойчивых изотопа – 3 Не и 4 Не. Оба изотопа гелия инертны. Основным источником 4 Не является природный газ, в котором его содержание может достигать 1-2 %. Обычно промышленной переработке для извлечения 4 Не, заключающейся в последовательной очистке исходного сырья, подвергают природный газ с содержанием гелия более 0,2 %. Доля легкого изотопа 3 Не в 4 Не обычно составляет 10 -4 – 10 -5 %, поэтому 3 Не получают при радиоактивном распаде трития, образующегося в ядерных реакторах. Поэтому когда говорят о гелии или жидком гелии, подразумевают 3 Не, если это не оговорено особо. Жидкий гелий 3 Не используется в низкотемпературных устройствах, рассчитанных на работу при температуре ниже 1 К.
1.2. Основные свойства жидких хладагентов
Все вещества, используемые в качестве хладагентов, не имеют цвета и запаха ни в жидком, ни в газообразном состоянии. Они не обладают магнитными свойствами и при обычных условиях не проводят электрический ток. В табл. 1.4 приведены основные характеристики наиболее распространенных хладагентов – азота и гелия.
Физические параметры жидкого и газообразного азота и гелия
Температура кипения, К
Температура Ткр, К
Давление ркр, МПа
Плотность кр, кг/м 3
Температура Ттр, К
Давление ртр, кПа
Плотность , кг/м 3 : пара
Уд. Теплоёмкость пара
Ср, кДж/(кгК): жидкости
Теплота парообразования r,
Отношение разницы энтальпий газа при
Т=300 К и Т=4,2 К к теплоте парообразования, i/r
Коэф. теплопроводности , мВт/(мК) пара
Диэлектр. постоянная жидкости
Газ при нормальных условиях (t= 0 C, p=101,325 кПа)
Плотность , кг/м 3
Уд. теплоёмкость Ср, кДж/(кгК)
Коэф. теплопроводн. , мВт/(мК)
Объем газа из 1 л жидкости:
насыщенного пара, л
Молярная масса , кг/моль
Газовая постоянная R, Дж/(кгК)
Показатель адиабаты = Cp/C
Обратим внимание на ряд важных моментов:
— жидкий гелий намного легче азота (плотности различаются почти в 6,5 раз);
— жидкий гелий имеет очень низкую удельную теплоту парообразования r = 20,2 Дж/г, в то время как для азота r = 197,6 Дж/г. Это значит, что для испарения 1 г азота требуется в 9,8 раз больше подводимого тепла. Учитывая большую разницу между плотностями жидкого гелия и жидкого азота, теплоты парообразования на литр различаются еще сильнее – в 63,3 раза! Как следствие, одинаковая подводимая мощность приведет к испарению существенно разных объемов жидкого гелия и жидкого азота. Нетрудно убедиться, что при подводимой мощности в 1 Вт за один час испарится примерно 1,4 л жидкого гелия и 0,02 л жидкого азота;
— путем откачки паров можно понизить температуру жидкого азота до тройной точки – Ттр = 63,15 К при ркр = 12,53 кПа. При переходе через тройную точку жидкий азот замерзнет – перейдет в твердое состояние. При этом возможна дальнейшая откачка паров азота над кристаллом и, как следствие, понижение температуры системы. В таблице 1.5 приведены значения давления насыщенных паров азота в широком диапазоне температур. Тем не менее на практике, как правило, для получения более низких температур используют либо жидкий гелий, либо устройства под названием “криокулеры”.
Давление насыщенных паров азота [3]
Примечание: * тройная точка; ** точка нормального кипения; *** критическая точка
Давление насыщенных паров гелия
Примечание: * -точка; ** точка нормального кипения; *** критическая точка
Плотность жидких хладагентов при различных температурах
Температуру жидкого гелия можно также понизить с помощью откачки, причем температура жидкости однозначно соответствует давлению пара (таблица 1.6). Например, давлению p = = 16 Па соответствует температура Т = 1,0 К. Необходимо помнить, что гелий имеет не тройную, а -точку (при Т = 2,172 К) – переход в сверхтекучую фазу. При наличии оптического криостата переход через -точку нетрудно обнаружить визуально по прекращению объемного кипения жидкого гелия. Это связано с резким увеличением теплопроводности жидкости – от 24 мВт/(мК) до 86 кВт/(мК).
При понижении температуры кипения хладагентов (с помощью откачки паров) увеличивается плотность жидкости (см. табл. 1.7). Этот эффект может быть существен для корректного термометрирования, так как холодный, а значит более тяжелый гелий или азот будут опускаться на дно сосуда.
Стоимость жидкого гелия в несколько раз превышает стоимость жидкого азота (примерное соотношение между рыночными ценами жидкого гелия и жидкого азота – 20:1). Поэтому при охлаждении криогенных устройств требуется разумное сочетание использования жидкого азота для предварительного охлаждения и жидкого гелия. Также существенную роль играет использование для охлаждения возвратного потока испарившегося газообразного гелия. На это указывает большая величина отношений энтальпий газа при Т = 300 К и Т = 4,2 К к теплоте парообразования 70. То есть на нагрев газообразного гелия от 4,2 К до 300 К потребуется в 70 раз больше теплоты, чем на испарение жидкого гелия!
Оценить количество жидкого гелия, необходимого для охлаждения низкотемпературного устройства, можно из следующих соображений.
Е 
сли охлаждение осуществляется только за счет использования теплоты парообразования, то потребуется объем жидкости:
Здесь С(Т) – удельная теплоемкость материала; m – масса охлаждаемого материала; r – удельная теплота парообразования.
Н 
о, как отмечалось выше, гораздо экономичнее использовать для охлаждения также газ, образующийся при испарении жидкости. При этом считается, что газ нагревается от гелиевой до комнатной температуры. В этом случае формула (1.1) преобразуется следующим образом:
где 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.
Для корректного расчета по формуле (1.2) необходимо знать массу и температурную зависимость теплоемкости C(T) охлаждаемого материала. В таблице 1.8 приведены удельные теплоемкости некоторых материалов, встречающихся в криогенной технике, а в таблице 1.9 представлены результаты расчетов расхода жидкого азота и жидкого гелия хладагентов на охлаждение различных металлов [4].
Криогенные жидкости
Криогенные жидкости используются в современной промышленности, в фармацевтике и для производства продуктов питания.
Получаются они путем разделения воздуха на составляющие компоненты путем глубокого охлаждения до криогенных температур, когда азот, кислород и аргон переходят в жидкое состояние.
Криогенные жидкости предъявляют очень высокие требования к безопасности производства и перевозки, а также требуют особых материалов для производства тары и упаковки.
Жидкий азот используется как хладагент, для криотерапии, в производстве пищевых напитков и в медицине. Он очень эффективно применяется для тушения пожаров, вытесняя при испарении кислород, который необходим для горения. При этом сам он быстро испаряется, не влияя на состояние окружающей среды, благодаря чему считается самым экологически чистым способом тушения пожара.
Транспортироваться он должен в специальных криогенных цистернах, которые защищают его от влияния климатических и атмосферных факторов.
Жидкий аргон представляет собой опасную жидкость, которая предъявляет высокие требования к безопасности хранения и транспортировки. Он начинает кипеть при очень низких температурах, поэтому перевозится в специальных баллонах в сжиженном виде.
Жидкий кислород – сильный парамагнетик, который используется в промышленности и производстве, медицине и космичекой отрасли.
Жидкий гелий – транспортируется в специальной таре, исключающей влияние климатических факторов. Используется в медицине, промышленности, для создания и поддержания низких температур.
Жидкая углекислота – используется в пищевой промышленности и медицине.
Если ваше производство или решение ваших задач предусматривает использование криогенных жидкостей, то наша компания обеспечит вас наилучшим товаров по самой выгодной цене. Мы всегда готовы предоставить вам высококачественные газы и жидкости в удобной и безопасной таре.
Криогенные (жидкие) газы
Криогенные жидкости — это обычные фракции атмосферного воздуха, переведенные в жидкое состояние сверхнизким охлаждением. Получить криогенные жидкости можно, используя криогенные температурные параметры в отношении обычного атмосферного воздуха. Он представлен смесью таких газов как азот, кислород, водород и широкого спектра иных газов в виде примесей. В специальных криогенных установках воздух сжижают и за счет разных температур сжижения делят на фракции.
Криогенными считаются температуры ниже 120 К (-153 °С). Сначала воздух сжимается компрессором, затем, после прохождения теплообменников, расширяется в машине-детандере или дроссельном вентиле, в результате чего охлаждается до температуры 93 K и превращается в жидкость. Дальнейшее разделение жидкого воздуха, состоящего в основном из жидкого азота и жидкого кислорода, основано на различии температуры кипения его компонентов: кислорода — 90,18 K, азота — 77,36 K.
Основными техническими преимуществами криогенного способа являются гарантированная высокая чистота продукта при неизменном расходе, а также низкое удельное энергопотребление в течение всего срока эксплуатации.
Минимизация вращающихся и движущихся механизмов обеспечивает долгий ресурс работы криогенных установок.
Главным в работе с криогенными жидкостями является неизменность их составов. Температура их хранения часто изменяет физико-механические свойства материалов, из которых сделаны контейнеры. Так у многих металлических материалов помимо увеличения предела текучести, усталости и сопротивления увеличивается хладноломкость, то есть снижается пластичность и ударная прочность. Поэтому криогенные жидкости хранят в специальных сосудах с уникальной порошково-вакуумной и экранно-вакуумной теплоизолирующей способностью.
Криогенные жидкости с доставкой от «М-Транс»
Криогенные жидкости – это не что иное, как одна из физических форм (состояний) атмосферного воздуха, но охлажденный до сверх низких температур. При снижении температуры в криогенных установках начинается процесс разделения воздуха на фракции за счет разной температуры сжижения составляющих элементов воздуха. Криогенными стоит называть только газы после 153 градусов по Цельсию.
Именно при этой температуре они приобретают свойства жидкости и имеют особое воздействие на окружающую среду и живые существа. Возможно, именно это влияние исследовано не в полном объеме, но уже сейчас можно говорить о том, что в дальнейшем достаточно успешно можно будет использовать эти жидкости не только в промышленности и экологии, но и в медицине. Это станет огромным толчком для науки вперед. В частности в процессах реанимации и восстановления жизнедеятельности органов.
Но пока, зачастую, практикуется применение криогенных жидкостей в промышленных целях, для различных видов работ, проведение которых возможно исключительно при максимально низких температурах.
Как мы транспортируем криогенные жидкости
Для транспортировки таких грузов используются специальные машины, прошедшие ряд подготовительных этапов и проверок. Транспортируются они исключительно как опасный груз, в соответствии со всеми нормами и предписаниями. Баллоны для транспортировки жидкостей всегда герметичны, изолированы защитным вакуумным слоем или поверхностной изоляцией. Только правильные условия хранения позволяют в дальнейшем полноценное использование криогенных жидкостей. При некачественном хранении или нарушении целостности упаковки они попросту теряю все свои качественные свойства, что приводит к их бесполезности.
Важным является то, что мы имеем лицензию на международные перевозки. А это значит, что мы можем доставить груз не только в любой город России, но и в страны СНГ.
Что мы готовы предложить нашим клиентам
Мы очень ценим ваше доверие и сотрудничество, а значит предлагаем:
- Быстрые доставки в любую точку страны и страны СНГ.
- Только качественные криогенные жидкости.
- Полный спектр услуг по сопровождению.
- Отсутствие дополнительной платы.
- Приветливых менеджеров, которые всегда помогут быстро и качественно оформить заказ.
Кроме этого, хочется заметить что сотрудники «М-Транс» каждый раз перед выездом проходят дополнительный инструктаж по технике безопасности при перевозке опасных грузов. А значит, вы можете быть спокойны. Так как перевозить криогенные жидкости нам приходится на достаточно большие расстояния, мы всегда проверяем свои машины на исправность, что тоже немаловажно для вас, как потребителя.
Показательным является то, что за время нашего существования, как компании перевозящей аргон, углекислый газ и прочее, ни одной аварии с участием наших водителей не произошло. Всё это благодаря профессионализму каждого из работников и соблюдению всех мер безопасности. Мы очень благодарны тем клиентам, которые уже неоднократно воспользовались нашими услугами и стали уже постоянными. Для таких людей у нас действует гибкая система скидок и предложений. Те, кто уже не первый год с нами, успешно этим пользуются.
Также хочется отметить, что мы транспортируем дополнительно еще и другие виды сжиженных газов, то есть у нас вы можете заказать не только криогенные жидкости, но также азот, кислород, аргон и прочее. При этом для постоянных клиентов или заказчиков больших количеств продукции мы всегда имеем выгодные предложения. Наша компания готова к долговременному сотрудничеству и выполнит поставку заказанного вами товара в любом объеме.