SU1139945A1 - Способ получени сверхтекучего гели под давлением выше равновесного - Google Patents

Abstract

СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ СВЕРХТЕКУЧЕГО ГЕЛИЯ ПОД ДАВЛЕНИЕМ ВЫШЕ РАВНОВЕСНОГО, включающий подачу жидкого гели  в емкость с последующим охлаждением гели , отличающийс  тем, что, с целью понижени  температуры гели  и повыщени  экономичности процесса, охлаждение осуществл ют жидким гелием и подачу жидкого гели  в емкость осуществл ют до достижени  давлени , обспечивающего его кристаллизацию, и температуры ниже критической, после чего прекращают подачу и указанный процесс охлаждени  и затем понижают давление в емкости. СА: ;о :о 4 сд

Description

Изобретение относитс  к криогенной технике , а именно к области применени  сверхнизких температур, и может быть использовано дл  эффективного охлаждени  различных объектов, усройств, а также при проведении научных исследований.

Известен способ получени  сверхтекучего гели  под давлением, включащий закачку жидкого гели  в емкость с последующим процессом теплообмена с охлаждающим гелием 1.

Недостатками данного способа  вл ютс  невозможность получени  температуры, близкой к 1 К и ниже, и низка  экономичность. Указанные недостатки обусловлены тем, что к емкости со сверхтекучим гелием при температуре 2 К имеетс  непрерывный теплоприток с гелием, подаваемым из ванны, где его температура выще 2,17 К, а дл  получени  сверхтекучего гели  с температурой К необходимо бесконечное вакуумирование или установка рефрижератора растворени , что нереально из-за большой сложности и малой холодопроизводительности, а также невозможности при этом получить сверхтекучий гелий под давлением.

Известен способ получени  сверхтекучего гели  под давлением, включащий закачку жидкого гели  в емкость с последующим его охлаждением 2.

Недостатками этого способа также  вл ютс  невозможность получени  гели  с температурой в 1 К и низка  экономичность, что обусловлено ограниченными возможност ми вакуумного оборудовани , производительность которого должна быть при этом чрезвычайно -велика с больщим потреблением энергии, что невозможно осуществить, а колебани  давлени  и вибрации системы, св занные с работой насоса, нарушают услови  эксперимента.

Цель изобретени  - понижение темпепературы сверхтекучего гели  под давлением и повышение экономичности процесса.

Поставленна  цель достигаетс  тем, что согласно способу получени  сверхтекучего гели  под давлением выше равновесного, включающему подачу жидкого гели  в емкость с последующим охлаждением гели , охлаждение осуществл ют жидким гелием и подачу жидкого гели  в емкость осуществл ют до достижени  давлени , обеспечивающего его кристаллизацию, и температуры ниже критической, после чего прекращают подачу и указанный процесс охлаждени , затем понижают давление в емкости.

На чертеже изображена схема устройства , реализующего предлагаемый способ.

Ванна 1 с жидким гелием соединена линией закачки 2 с запорным вентилем 3 с емкостью 4, снабженной вакуумной рубащкой 5, котора  соединена с криосорбционным устройством б, содержащим нагревательный

элемент 7 и изол цию 8. Емкость 4 и криосорбционное устройство 6 размещены в емкости 9, заполненной охлаждающим гелием , и все это находитс  в криостате 10. Емкость 4 соединена с дроссельным вентилем 11, а емкость 9 соединена с вакуумным насосом 12.

Способ осуществл етс  следующим образом .

Жидкий гелий из ванны 1 закачивают по линии 2 через вентиль 3 в емкость 4 до такого давлени , которое обспечивает его кристаллическое состо ние после охлаждени  ниже критической температуры. Температуру охлаждающего гели  в емкости 9 понижают откачкой паров, равновесных этому гелию, вакуумным насосом 12, при этом интенсифицируют теплообмен между гелием в емкости 4 и 9 путем нагрева нагревательного элемента 7 криосорбционного устройства б,что снижает степень вакуума в вакуумной рубашке 5 и создает возможность совершенного процесса теплообмена. Жидкий гелий в емкости 4 кристаллизируетс , а вентилем 3 отсекают закачку гели  в емкость 4, что прекращает теплопритоки с поступающим гелием. Затем выключают нагревательный элемент 7, криосорбционное устройство 6 охлаждаетс , повыша  степень вакуумировани  в вакуумной рубашке 5, размыкаетс  тепловой мост между гелием в емкост х 4 и 9, снима  процесс теплообмена между

ним. Открывают дроссельный вентиль 11 и понижают давление в емкости 4 кристаллический гелий испар етс  и плавитс . За счет скрытой теплоты плавлени  гели  температура его понижаетс  до 1 К-0,8 К, а давление гели  в емкости 4 выше равновеского , что очень важно дл  проведени  исследований. При этом всю систему отключают , закрывают вентиль 11 и провод т эксперимент без посторонних искажений. Пример. Внутри криостата 10 располагают специальный металлический сосуд емкостью 10 л с вакуумной рубащкой 5. Если обеспечить, возможность подачи во внутреннюю полость этого сосуда жидкого гели  по линии закачки 2 с вентилем 3, то така  система может обеспечить проведение

экспериментов при температурах ниже 1 К. Дл  этого заправл ют жидким гелием при атмосферном давлении как сам криостат 10, так и размещенный внутри него сосуд 4. Последний можно заправл ть через отдельный трубопровод, способный выдерживать

давление 4,0 МПа (такое же давление должна выдерживать емкость 4). Давление в вакуумной изол ции емкости 4 может измен тьс  тем или иным способом - нагревом или охлаждением криосорбционного устройства 6 или другим вакуумным устройством . После заполнени  гелием криостата 10 и емкости 4 в вакуумной изол ции последнего устанавливаетс  давление 10 торр, что обеспечивает эффективный теплообмен между гелием в емкости 4 и омывающим его гелием, заполн ющим криостат 10. После этого давление в емкЬсти 4 поднимают до 3,0 МПа за счет наддува через трубку малого сечени  с вентилем 11, соедин ющую внутреннюю полость емкость 4 с источником газообразного гели  высокого давлени . Перед наддувом вентиль 3 закрывают. Затем начинают откачку паров гели  насосом 12 из паровой подущки криостата 10, что приводит к понижению в нем температуры. В результате теплообмена понижаетс  также и температура гели  внутри специального сосуда в то врем , как давление в нем остаетс  посто нным и равным 3,0 МПа, так как вентиль наддува 11 на трубопроводе остаетс  открытым. По достижении в емкости 4 температуры 1,76 К начинаетс  кристаллизаци  (замерзание) гели  в нем. По окончании кристаллизации идет дальнейшее понижение температуры как гели  в криостате 10, так и гелиевого льда в емкости 4. Qxлаждение проводитс  до тех пор, пока температура не стабилизируетс  на некотором уровне, определ емом с одной стороны объемной производительностью насоса 12, а с другой теплопритоками из окружающей среды , дл  насоса НВЗ-150 и криостата КГ-60/300 в хорошем состо нии эта температура -1,3 К-. По достижении этой температуры давление в вакуумной рубашке 5 понижают до в результате чего твердый гелий в специальной емкости 4 оказываетс  теплоизолированным от гели  в криостате 10. Затем снижают давление над твердым гелием до желаемой величины 1,0 МПа, что осуществл етс  путем снижени  давлени  на входе в трубопровод наддува. В результате твердый гелий внутри специальной емкости 4 оказываетс  в услови х, когда он не может существовать в твердом виде и должен перейти в жидкое состо ние, покольку при давлении ниже 2,5 МПа и сколь угодно низких температурах может существовать только жидкий гелий. С другой стороны, гелий в емкости 4 после понижени  давлени  изолирован в тепловом отношении, так что теплота плавлени  может отниматьс  лищь от самого этого гели . Таким образом, в результате плавлени  гели  температура образовавщейс  жидкости и оставшегос  льда непрерывно понижаетс  до тех пор, пока не расплавитс  весь лед. Снижение температуры при плавлении льда тем больще, чем больше теплота плавлени  и ниже теплоемкости системы. Теплоемкость жидкого гели  и теплота плавлени  гелиевого льда в области температур ниже 2,17 К в очень сильной степени завис т от температуры, причем обе эти величины с понижением температуры резко падают . Таким -образом, дл  определени  температуры при плавлении или иной части льда необходимо весь диапазон темперйтур разбить на достаточно малые отрезки, на которых теплоемкость и теплоту плавлени  можно прин ть посто нной, в данном примере дл  простоты ограничимс  разбивкой на участки в 0,1 К и примем теплоемкость льда равной теплоемкости жидкости. Тогда долю льда, который должен быть расплавлен дл  достижени  температуры на ,1 К ниже исходной, можно определить, исход  из услови  MQ , где М - исходна  массла льда; Cj - теплоемкость жидкого гели  (теплоемкость твердого и жидкого гели  принимают равными, так что М в правой части уравнени  не зависит от соотношени  льда и жидкости на данном этапе плавлени ); г - теплота плавлени  льда; X - дол  льда, котора  должна .быть расплавлена дл  снижени  темпепературы на ,1 К. Исходна  температура, при которой весь гелий находитс  в твердом состо нии 1,3 К, дл  определени  доли льда, которую необходимо расплавить дл  получени  температуры 1,2 К, в уравнение подставл ютс  теплота плавлени  при 1,25 К ,2 кДж/кг и теплоемкости жидкости при той же температуре ,3 кДж/кг X,,l4i- 0,15 , IJjfc Таким образом, при плавлении 15% льда образуетс  льдо-жидкостна  смесь с температурой 1,2 К. Дл  снижени  температуры до 1,1 К дополнительно необходимо расплавить ,1, ,2, zЧ1 где Cs2 и Га - теплоемкость и теплота плавлени  при 1,15 К. Дл  снижени  температуры до 0.9 К потребуетс  еще дополнительно расплавить долю льда, равную 0,5 (AT дл  сокращени  возьмем 0,2 К). ,2, 0,5, где Cs3 и Гз - теплоемкость и теплота плавлени  при 1 К. Таким образом, расплавив 85% льда. получают смесь сверхтекучего гели  со льдом

5

при 0,9 К и 1,0 МПа. При этом оставшиес оставшиес  15% состав т 0,2 кг, т. е. в

15% льда позвол ют провести в этих уело-эксперименте может быть выделено 4 Дж.

ВИЯХ эксперименты с общим тепловыделе-Использование предлагаемого способа

нием, равным теплоте плавлени  этого льда.позвол ет получать сверхтекучий гелий под

Теплота плавлени  при 0,9 К равнадавлением значительно выше равновесного

0,02 кДж/кг, Если располагают 10-литро-5 и при 1 К и ниже, исключает вли ниеколебавым сосудом 4, то исходное количество льда вни  давлени  и вибрации от вакуума насоса,

нем должно быть равно 1,4 кг, так чтоповышает экономичность процесса.

1139945

Claims (1)

1. СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ СВЕРХТЕКУЧЕГО ГЕЛИЯ ПОД ДАВЛЕНИЕМ ВЫШЕ РАВНОВЕСНОГО, включающий подачу жидкого гелия в емкость с последующим охлаждением гелия, отличающийся тем, что, с целью понижения температуры гелия и повышения экономичности процесса, охлаждение осуществляют жидким гелием и подачу жидкого гелия в емкость осуществляют до достижения давления, обспечивающего его кристаллизацию, и температуры ниже критической, после чего прекращают подачу и указанный процесс охлаждения и затем понижают давление в емкости.

   >