Термомеханическая система. Реализация энергии сжатых газов

Практические особенности и ограничения

Значительная часть криогенных установок во всем мире построена по принципу термомеханической системы, т.е. получение низкотемпературной теплоты, которая может быть полезным образом использована для охлаждения или термостатирования объектов, происходит за счет реализации энергии сжатого газа в компрессорных машинах.

Сжатие, вне зависимости от условий реализации процесса, сопровождается ростом температуры рабочей среды.

Для большинства сжатых в компрессорах веществ, которые при нормальных условиях находятся в газообразном состоянии, последующее изоэнтальпийное расширение (необратимый процесс, сопровождающийся производством энтропии при расширении газа против сил внутреннего трения (вязкости) и диссипации энергии при турбулентном течении через капилляр|дроссель) приведет к снижению температуры вследствие реализации так называемого интегрального эффекта Джоуля-Томпсона (1898 г.).

Исключение составляют He (гелий), H₂ (водород) и Ne (неон), поскольку их нормальные температуры инверсии (He - 40,1 К; H₂ - 202,1 K; Ne – 231,1 К) меньше температуры окружающей среды – при расширении до давления 1 атм эти вещества будут нагреваться пока температура начала процесса расширения не снизится ниже указанных значений. 

📌 Этот факт делает невозможным ожижение неона, водорода и гелия в циклах простого дросселирования (см. рисунок 1), поскольку в компонентном составе такой системы принципиально отсутствуют механизмы для снижения температуры среды перед расширением. В течение сколь угодно длительного времени захолаживание теплоемкой массы элементов конструкций основного технологического оборудования не произойдет, напротив, – запуск работы такой системы приведет к ее постепенному нагреву, а значит температура перед расширительным устройством будет расти.

Получение низкотемпературной теплоты

Для других криогенных агентов, например, азота, реализация цикла простого дросселирования возможна без предварительного охлаждения, потому что температура инверсии существенно выше температуры окружающей среды. Это значит, что при определённых весьма странных обстоятельствах потенциально возможно построить криогенную систему с температурой на входе в холодный блок 120 °С. Однако, попытка реализовать такой цикл с использованием азота при температуре начала процесса расширения около 615 K не увенчается успехом. 

Существует несколько способов организации циклов ожижения веществ, температура инверсии которых ниже температуры окружающей среды:

• применение предварительного охлаждения в погруженных в объем кипящего азота и|или водорода змеевиках (ванны предварительного охлаждения);
• применение поршневых детандеров или турбодетандеров для реализации энергии сжатого газа с совершением внешней работы и его (газа) охлаждения при любых начальных условиях реализации этого процесса;
• применение иных процессов, которые принято называть холодопроизводящими (выхлоп, откачка паров, адиабатическое размагничивание и пр.).

⚠️Так, Камерлинг Оннес 10 июля 1908 года ожижил гелий, используя азотное и водородное предварительное охлаждение. А в последствии, в 1911 году, открыл свойства сверхпроводимости у ртути.

Если вам интересна история развития теории сверхпроводимости и роль криогенной техники в этом процессе, вы можете подробно изучить хронологию в статье Методологические аспекты развития теории сверхпроводимости. Помимо этого в статье рассказывается, почему крионике нет места в ряду академических дисциплин.