Охладитель на пульсирующих трубках
Охладитель на пульсирующих трубках — тепловая машина работающая на принципе двигателя Стирлинга. По сравнению с мотором Стирлинга имеет преимущество в том, что в области холодной точки теплообмена отсутствуют движущиеся детали. За счёт этого минимальная достижимая температура не ограничивается теплом, возникающим за счёт трения скольжения и, кроме того, возможно получить очень компактные размеры охладителя. В настоящее время достигнуты температуры на 1.3 градуса выше абсолютного нуля.
Содержание
История
В 1963 году американским учёным Гиффорду и Лонгсворту удалось достичь температуры в 124 К при помощи устройства построенного по принципу, названному BPTR (англ.: Basic Pulse Tube Refrigerator — обычный холодильник на пульсирующей трубке)[1][2]. Впоследствии другие исследовательские группы опубликовали результаты различных улучшений, позволившие увеличить кпд и достичь более низких температур. В 1984 году удалось получить температуру 60 К в устройстве типа OPTR (англ.: Orifice Pulse-Tube Refrigerator — холодильник на пульсирующей трубке с отверстием)[3][4]. Затем в 1990 году при использовании варианта DIPTR (англ.: Double-Inlet Pulse-Tube Refrigerator — холодильник на пульсирующей трубке с двойным впуском) была получена температура сжижения гелия (меньше 4 К)[5][6]. В работах 2004,2005 годов были получены температуры 1.3 и 1.2 К[7][8].
Принцип действия
Мотор Стирлинга
Охладитель на пульсирующих трубках работает по принципу двигателя Стирлинга. В режиме теплового насоса рабочий газ последовательно сжимается и расширяется, что приводит к периодическому изменению его температуры. Для получения направленного теплового потока газ перекачивается в принимающий цилиндр с целью пространственного разделения областей сжатия и расширения. Кроме того газ проходит через т. н. регенератор — газопроницаемый материал с большой теплоёмкостью. Регенератор охлаждает газ в процессе сжатия и нагревается сам. В процессе расширения регенератор нагревает газ и охлаждается сам. В среднем в результате работы возникает разница температур. Если поддерживать более тёплую точку при комнатной температуре, то более холодная может использоваться для охлаждения.
Охладитель на пульсирующих трубках
В охладителе на пульсирующих трубках избегают применения каких-либо движущихся частей. Периодическое изменение давления создаётся обычно удалённым компрессором. Газ, который входит и выходит в охладитель, после регенератора поступает в т. н. пульсирующую трубку, заменяющую собой часть двигателя Стирлинга. Из этой трубки газ либо не может уйти (BPTR), либо может уходить очень медленно (OPTR). Если рассматривать малый объём газа в середине пульсирующей трубки, то он периодически удаляется и приближается к регенератору. Т.о. пульсирующая трубка действует как цилиндр и заменяет второй движущийся поршень (либо движущийся регенератор) двигателя Стирлинга. Перенос тепла возможен только при наличии временной задержки в движении газа по отношению в давлению (или температуре). В двигателе Стирлинга такая задержка реализуется механически. В пульсирующей трубке (BPTR) задержка создаётся за счёт нагревания/охлаждения стенок трубки. В разновидности с отверстием (OPTR) гораздо большая задержка создаётся при помощи буферного объёма. Таким образом реализуется механизм Стирлинга без движущихся деталей и связанного с ними выделения тепла в процессах трения. Между регенератором и трубкой возникает место с минимальной температурой.
Области применения
Области применения простираются от промышленности, науки, медицины до военной области: сжижение газов, охлаждение сенсоров, охлаждение сверхпроводящих магнитов. Применяются в качестве первичной ступени в многоступенчатых системах охлаждения, позволяющих достигать температур 4.3 мК без применения криогенных жидкостей[9].
Напишите отзыв о статье "Охладитель на пульсирующих трубках"
Примечания
- ↑ 1 2 W. E. Gifford, R. C. Longsworth: Pulse-tube refrigeration. In: Trans ASME. 1964, S. 264–268.
- ↑ 1 2 W. E. Gifford, R. C. Longsworth: Surface heat pumping. In: Adv Cryo Eng. 11, 1966, S. 171–179.
- ↑ 1 2 E. I. Mikulin, A. A.Tarasov, M. P. Shkrebyonock,: Low-temperature expansion pulse tubes. In: Adv Cryo Eng. 29, 1984, S. 629–637.
- ↑ 1 2 R. Radebaugh, J. Zimmerman, D. R. Smith, B. Louie: Comparison of three types of pulse tube refrigerators; New methods for reaching 60 K. In: Adv Cryo Eng. 31, 1986, S. 779–789.
- ↑ 1 2 S. Zhu, P. Wu, Z. Chen: Double inlet pulse tube refrigerator: an important improvement. In: Cryogenics. 30, Nr. 4, 1990, S. 514-520. doi:10.1016/0011-2275(90)90051-D.
- ↑ 1 2 Y. Matsubara, J. L. Gao: Novel configuration of three-stage pulse tube refrigerator for temperatures below 4 K. In: Cryogenics. 34, Nr. 4, 1994, S. 259–262. doi:10.1016/0011-2275(94)90104-X.
- ↑ 1 2 N. Jiang, U. Lindemann, F. Giebeler, G. Thummes: A ^3He pulse tube cooler operating down to 1.3 K. In: Cryogenics. 44, Nr. 11, 2004, S. 809–816. doi:10.1016/j.cryogenics.2004.05.003.
- ↑ 1 2 I. A. Tanaeva, U. Lindemann, N. Jiang, A. T. A. M. de Waele, G. Thummes: Novel concepts or devices-Superfluid vortex cooler. In: Advances in Cryogenic Engineering. 49B, 2004, S. 1906–13.
- ↑ 1 2 Kurt Uhlig: “Dry” dilution refrigerator with pulse-tube precooling. In: Cryogenics. 44, Nr. 1, Januar 2004, S. 53–57. doi:10.1016/j.cryogenics.2003.07.007
Отрывок, характеризующий Охладитель на пульсирующих трубках
Что нужно для того человека, который бы, заслоняя других, стоял во главе этого движения с востока на запад?Нужно чувство справедливости, участие к делам Европы, но отдаленное, не затемненное мелочными интересами; нужно преобладание высоты нравственной над сотоварищами – государями того времени; нужна кроткая и привлекательная личность; нужно личное оскорбление против Наполеона. И все это есть в Александре I; все это подготовлено бесчисленными так называемыми случайностями всей его прошедшей жизни: и воспитанием, и либеральными начинаниями, и окружающими советниками, и Аустерлицем, и Тильзитом, и Эрфуртом.
Во время народной войны лицо это бездействует, так как оно не нужно. Но как скоро является необходимость общей европейской войны, лицо это в данный момент является на свое место и, соединяя европейские народы, ведет их к цели.
Цель достигнута. После последней войны 1815 года Александр находится на вершине возможной человеческой власти. Как же он употребляет ее?
Александр I, умиротворитель Европы, человек, с молодых лет стремившийся только к благу своих народов, первый зачинщик либеральных нововведений в своем отечестве, теперь, когда, кажется, он владеет наибольшей властью и потому возможностью сделать благо своих народов, в то время как Наполеон в изгнании делает детские и лживые планы о том, как бы он осчастливил человечество, если бы имел власть, Александр I, исполнив свое призвание и почуяв на себе руку божию, вдруг признает ничтожность этой мнимой власти, отворачивается от нее, передает ее в руки презираемых им и презренных людей и говорит только:
– «Не нам, не нам, а имени твоему!» Я человек тоже, как и вы; оставьте меня жить, как человека, и думать о своей душе и о боге.
Как солнце и каждый атом эфира есть шар, законченный в самом себе и вместе с тем только атом недоступного человеку по огромности целого, – так и каждая личность носит в самой себе свои цели и между тем носит их для того, чтобы служить недоступным человеку целям общим.
Пчела, сидевшая на цветке, ужалила ребенка. И ребенок боится пчел и говорит, что цель пчелы состоит в том, чтобы жалить людей. Поэт любуется пчелой, впивающейся в чашечку цветка, и говорит, цель пчелы состоит во впивании в себя аромата цветов. Пчеловод, замечая, что пчела собирает цветочную пыль к приносит ее в улей, говорит, что цель пчелы состоит в собирании меда. Другой пчеловод, ближе изучив жизнь роя, говорит, что пчела собирает пыль для выкармливанья молодых пчел и выведения матки, что цель ее состоит в продолжении рода. Ботаник замечает, что, перелетая с пылью двудомного цветка на пестик, пчела оплодотворяет его, и ботаник в этом видит цель пчелы. Другой, наблюдая переселение растений, видит, что пчела содействует этому переселению, и этот новый наблюдатель может сказать, что в этом состоит цель пчелы. Но конечная цель пчелы не исчерпывается ни тою, ни другой, ни третьей целью, которые в состоянии открыть ум человеческий. Чем выше поднимается ум человеческий в открытии этих целей, тем очевиднее для него недоступность конечной цели.
Человеку доступно только наблюдение над соответственностью жизни пчелы с другими явлениями жизни. То же с целями исторических лиц и народов.
Свадьба Наташи, вышедшей в 13 м году за Безухова, было последнее радостное событие в старой семье Ростовых. В тот же год граф Илья Андреевич умер, и, как это всегда бывает, со смертью его распалась старая семья.
События последнего года: пожар Москвы и бегство из нее, смерть князя Андрея и отчаяние Наташи, смерть Пети, горе графини – все это, как удар за ударом, падало на голову старого графа. Он, казалось, не понимал и чувствовал себя не в силах понять значение всех этих событий и, нравственно согнув свою старую голову, как будто ожидал и просил новых ударов, которые бы его покончили. Он казался то испуганным и растерянным, то неестественно оживленным и предприимчивым.
Свадьба Наташи на время заняла его своей внешней стороной. Он заказывал обеды, ужины и, видимо, хотел казаться веселым; но веселье его не сообщалось, как прежде, а, напротив, возбуждало сострадание в людях, знавших и любивших его.
После отъезда Пьера с женой он затих и стал жаловаться на тоску. Через несколько дней он заболел и слег в постель. С первых дней его болезни, несмотря на утешения докторов, он понял, что ему не вставать. Графиня, не раздеваясь, две недели провела в кресле у его изголовья. Всякий раз, как она давала ему лекарство, он, всхлипывая, молча целовал ее руку. В последний день он, рыдая, просил прощения у жены и заочно у сына за разорение именья – главную вину, которую он за собой чувствовал. Причастившись и особоровавшись, он тихо умер, и на другой день толпа знакомых, приехавших отдать последний долг покойнику, наполняла наемную квартиру Ростовых. Все эти знакомые, столько раз обедавшие и танцевавшие у него, столько раз смеявшиеся над ним, теперь все с одинаковым чувством внутреннего упрека и умиления, как бы оправдываясь перед кем то, говорили: «Да, там как бы то ни было, а прекрасжейший был человек. Таких людей нынче уж не встретишь… А у кого ж нет своих слабостей?..»
