Дроссельные микроохладители.

Дроссельные микроохладители. Используя эффект Джоуля—
Томсона, можно построить холодильную дроссельную машину. Последние могут работать по разомкнутой (источник сжатого газа—баллон) или замкнутой (источник сжатого газа — компрессор) схеме. Рабочее вещество — легко конденсируемые хладоагенты с положительным дроссельным эффектом в области, комнатных температур (углекислый газ, воздух, аргон, азот и др.) - Трудно конденсируемые газы (неон, водород) требуют предварительного охлаждения до температур значительно более низких, чем комнатные. Интегрально дроссельный эффект увеличивается с понижением начальной температуры Т_н; например, для азота при Т_Н=300К максимальное снижение температуры составляет 38К, а при Т_Н = 200 К — 80 К. Поэтому температуру рабочего тела перед дроссельным устройством снижают различными способами: сжиженными или отвержденными хладоагентами, криогенными машинами, термоэлектрическими генераторами, а также конструктивным устройством холодильных машин. Например, после дросселирования газ подается в теплообменник, где он охлаждает газ высокого давления, подводимый к дросселю.

Приведем способ снижения температуры рабочих тел, реализуемый в установке, принципиальная схема которой приведена на рис. 18.1 Сжатый газ направляется в теплообменник I (зона 1-5), проходит через дроссельное устройство II, вновь поступает в теплообменник I. В начале работы температура газа перед дроссельным устройством (точка 5) совпадает с температурой на входе в теплообменник. Затем благодаря дросселированию каждой новой порции газа. происходит его охлаждение до появления в точке 4 дросселя жидкой фазы. За счет испарения этой жидкости (в зоне 4-3) можно отвести от охлаждаемого объекта некоторое количество теплоты

Такой режим работы называют рефрижераторным, а если часть получаемой жидкости отводится — ожижительным. Пары жидкости поступают в теплообменник (зона 2-3) и охлаждают встречный поток газа, а затем выходят из теплообменника. Из широкого класса охлаждающих дроссельных устройств ниже будут рассмотрены малогабаритные установки, предназначенные для охлаждения приборов. Важной частью конструкции дроссельного микроохладителя является теплообменник, от эффективности которого в значительной степени зависят характеристики криогенного устройства.

Рисунок 18.1 Схема холодильной машины

Рисунок 18.2 Дроссельный микроохладитель для миниатюрных приборов

Сравнительно простая конструкция теплообменника и холодильного устройства схематично представлена на рис. 18.2. Микроохладитель работает по разомкнутому циклу и предназначен для охлаждения миниатюрных приборов, например, инфракрасных детекторов. Особенностью микроохладителя является конструкция противоточного теплообменника: капиллярная трубка 1, свитая в змеевик для сокращения высоты микроохладителя, помещена в трубку 2 с запаянным концом. Хладоагент высокого давления, пройдя по капилляру 1, дросселируется через дюзу (дроссельное отверстие) 3 обратный поток низкого давления течет в свободном пространстве трубки 2 между витками капилляра.

Представление о размерах конструкции дают следующие данное: внешняя трубка с наружным диаметром 2,3 мм и толщиной стенки 0,25 мм имеет навивку высотой 19 мм и внешним диаметром 9,5 мм; внутренний диаметр капилляре 0,5 мм; обе трубки изготовлены из нержавеющей стали. В pрассмотренном микроохладителе получена температура 195⁰С при расходе азота л/с и давлении па входе в устройство 8,2 МПа. Заметим, что другие конструкции микроохладителей также содержат аналогичные трубчатые теплообменники.

В настоящее время разработаны многочисленные варианты конструкций дроссельных микроохладителей. Они используются для охлаждения чувствительных микроэлементов в широком диапазоне температур 4,5—200 К. При этом холодопроизводительность установок может колебаться в пределах 0,5—10 Вт.