Бродянский В.М. От твердой воды до жидкого гелия (история холода)

Дроссельные микросистемы криостатирования

При всех достоинствах криогенных машин Стирлинга они не могли решить всех задач, возникающих у потребителей. Нужны были и другие микрокриогенные устройства, более простые (и следовательно, более надежные), исключающие вибрации в холодной части и, в идеале, не имеющие вообще движущихся частей. В этой связи возникла мысль, тоже основанная на возвращении к старому, казалось бы, уже почти оставленному методу. Таким, достойным возрождения на новом уровне, оказался дроссельный цикл Линде. Несмотря на то, что для него требовалось высокое давление рабочего тела, подкупала простота: в холодной части нужны только дроссель и теплообменник (рис. 8.6). Нужен был и компрессор высокого давления для сжатия газа. Однако компрессор мог быть помещен на достаточно большом расстоянии от криоблока (дросселя и теплообменника), так как их соединяли две теплые трубки (рис. 8.6 а). Кроме этого, один компрессор мог обслуживать несколько криоблоков, что создавало большие удобства для устройства, где низкие температуры нужно поддерживать в нескольких точках (рис. 8.6 б). Наконец, во многих случаях можно было и вообще обойтись без компрессора, а использовать баллон со сжатым газом (рис. 8.6 в). Такие расходные системы могут работать при малой мощности часами, после чего баллон заменяется на новый. Часто бывает нужно включать установку один или несколько раз в сутки или (во многих космических объектах) еще реже. В этом случае один баллон может служить довольно долго.

По всем этим причинам дроссельные микросистемы криостатирования получили, наряду с криорефрижераторами Стирлинга, довольно широкое распространение. Рабочим телом в них служили азот, аргон, метан; они обеспечивали получение температур в интервале от 78 до 120K. Однако при всех их достоинствах КПД дроссельных систем был ниже, чем у "стирлинговых" в 2-4 раза, а расход энергии при тех же условиях соответственно во столько же раз выше.

Четвертый (и последний) научный комментарий. Нельзя ли найти путь существенного повышения КПД дроссельных систем? Это считалось в принципе невозможным без использования дополнительного охлаждения (как это сделал Линде) или детандера (как сделал Клод), о чем рассказывалоь в главе 4. Без этого разность температур на холодном конце теплообменника неизбежно должна быть больше, чем на его теплом конце. Если расхождение температур на холодном конце теплообменника неизбежно следует из свойств рабочего тела, то, казалось бы, изменить тут ничего невозможно, ибо, как справедливо сказал А. Эйнштейн, "обмануть природу нельзя". Скептики (и лентяи) очень любят это изречение, но они обычно не знают (или опускают) вторую его часть: "...но договориться с ней можно". Естественно, такой договор может быть заключен только при соблюдении ее законов. В каждом случае при решении новой инженерной задачи нужно найти тот самый закон, который позволит "договориться с природой" так, чтобы обойти трудности и получить нужный результат.

В середине 60-х годов группе сотрудников Московского энергетического института (МЭИ) и Института микрокриогенной техники в Омске удалось это сделать [4]. Мысль о том, как обойти неблагоприятное отношение теплоемкостей Сp,m и Cp,n, появилась в процессе экспериментов с дроссельными системами, где рабочими телами были не чистые вещества, а их смеси. Ведь можно подобрать состав рабочего тела так, чтобы оно в прямом потоке не только охлаждалось, но и частично конденсировалось, а в обратном не только нагревалось, но и испарялось. В этом случае жидкость образуется не при дросселировании, а раньше, в теплообменнике, как показано на полосовом графике рис. 8.7. Это является главным отличием, которое связано с тем, что теперь в теплообменнике от прямого потока отбирается не только тепло, определяемое его охлаждением, но и тепло конденсации rkm. Соответственно обратному потоку передается и тепло rиn, связанное с его испарением. Между ними существует связь, обратная той, которая существует между теплоемкостями. Если Cр,m > Cр,m, то rkm << rиn. Другими словами, теплота парообразования (а следовательно, и конденсации) тем меньше, чем выше давление. Подбирая соответственно составы смешанного рабочего тела, можно добиться нужного закона изменения разности температур вдоль теплообменника и получить перед дросселем в точке 3 температуру Т3, очень близкую к Т5. Дроссель в этом случае будет работать с малыми потерями, и простая установка в целом делается в несколько раз более эффективной; ее КПД становится выше, чем у тех, более сложных, где есть дополнительное охлаждение или детандер.

Рис. 8.7. График, показывающий изменение агрегатного состояния рабочего тела в цикле Линде (заштрихованная часть полосы соответствует жидкости, не заштрихованная - газу): а - чистое рабочее тело; б - смесь; в - схема процесса; г - график протекания температур в теплообменнике)

Практически это означает, например, что установка с баллоном работает на смеси при прочих равных условиях в 4-5 раз дольше, чем на азоте. Компрессорная установка соответственно потребляет во столько же раз меньше энергии. Сейчас в микрокриогенике дроссельные системы на смесях практически полностью вытеснили установки на чистых веществах. Простейший цикл Линде приобрел в этих условиях "второе дыхание" и стал существенно эффективнее, чем более сложные циклы с дополнительным охлаждением или детандером. Классические трубчатые теплообменники, которые ведут начало еще с разработок Хэмпсона (см. гл. 3), удалось сделать очень компактными. Весь криоблок состоит из теплообменника, помещенного в небольшой сосуд Дьюара. На холодном конце теплообменника помещается объект (прибор, приемник излучения и др.). Установка комплектуется либо небольшим компрессором, либо баллоном со смесью сжатых газов, соединенных с криоблоком. В первом случае для этого необходимы две трубки - одна для сжатого рабочего тела (от компрессора), другая - для расширенного (к компрессору); во втором - только одна - от баллона, поскольку расширенный газ выпускается прямо в атмосферу или космическое пространство.

Когда криостатируемый объект или очень мал, или совсем не выделяет тепла (в последнем случае нужно только отводить теплопритоки через низкотемпературную изоляцию), холодопроизводительность микрорефрижератора очень небольшая. Это означает, что при работе нужно расходовать очень немного сжатой газовой смеси.

При малых, измеряемых кубическими сантиметрами в час расходах рабочего тела даже такие "карандашные" теплообменники оказываются слишком громоздкими. В нашей стране и США разработаны для таких систем миниатюрные теплообменники принципиально новой конструкции, получившие название "планарных". Они изготовляются из трех стеклянных пластинок, в двух из которых посредством лазерной или другой соответствующей технологии вырезаны каналы - один для прямого, сжатого потока, другой - для обратного расширенного (рис. 8.8). Затем пластинки склеиваются, причем для перехода рабочего тела из прямого потока в обратный в средней пластинке делается калиброванное отверстие, играющее роль дросселя. Эта же пластинка служит и теплопроводной стенкой, через которую тепло передается от прямого потока к обратному. Начальная часть канала для обратного потока используется как испаритель. Криостатируемый объект (например, пленка) приклеивается или напыляется снаружи к холодной части пластинки обратного потока напротив испарителя.

Рис. 8.8. Планарный микротеплообменник

Электронщики, радиотехники и физики получили, таким образом, возможность охлаждать и поддерживать при заданной низкой температуре любые приборы и их элементы, как бы малы они ни были. Микрокриогенная техника может обслужить их "на земле, в небесах и на море". В начале § 8.2 уже упоминалось, что наряду с многочисленными техническими областями микрокриогеника нашла применение и в самой гуманной области человеческой деятельности - медицине.

Следующая страница: Криогеника в медицине