Формозов Б.Н. Аэрокосмические фотоприёмные устройства в видимом и инфракрасном диапазонах. Ч.2 (2002)

9. ОСНОВЫ КРИОГЕННОЙ ТЕХНИКИ ДЛЯКРИОСТАТИРОВАНИЯ ФПУ АВИАЦИОННОГОИ КОСМИЧЕСКОГО БАЗИРОВАНИЯВ лабораторных условиях с использованием криогенных жидкостейи оптических криостатов обеспечивается нормальная работа ИКТТФЭП, ИК–ПЗС с диодами на барьерах Шоттки и ПЗС видимого B, V,R, I-диапазонов МФC. С терморегулируемыми гелиевыми криостатамилегко решается и задача криостатирования на уровне 40–60 К ИКприемников на соединениях Hg – Cd – Te.Однако в бортовых условиях все обстоит иначе. Тепловые головкисамонаведения зенитных ракет, ракет воздух – воздух и воздух – поверхность, крылатых ракет и КА с аппаратурой на ∆λ = З–5 мкм, а,особенно, на ∆λ = 8–12 мкм, требуют применения различных микрокриогенных систем разомкнутого или замкнутого цикла.Для понимания этой задачи необходимо кратко остановиться на основах техники глубокого охлаждения и наиболее интересных с точкизрения аэрокосмического применения МКС.9.1.

Методы получения криогенных температур.Эффект Джоуля – ТомсонаНаиболее распространенными криогенными циклами являются:– дросселирование газов;– адиабатическое расширение газов с отдачей внешней работы.Рассмотрим идеальный газ:pV = RT,(9.1)где р – давление; V – объем; Т – температура; R – универсальная газовая постоянная.Уравнение Пуассона для изоэнтропыp1 = V1k = p2V2k = pV k = const,откуда, подставляя p =RT, получаемV(9.2)59T1V1k −1а подставляя V =T V т.

е. 2 =  1 T1  V2 = T2V2k −1,k −1,(9.3)RT, получаемpT2  p2 = T1  p1 k −1k.(9.4)Вспомним, чтоKид. газа =CpCV=CpCp − R(9.5),где Сp – теплоемкость газа при p = const, а CV – при V = const;k −1 R=;kCpCp – слабо зависит от T и p и Cp ≈ 1,3–1,7.Таким образом, охлаждение газа при адиабатическом расширении –весьма эффективный процесс, дающий возможность получать криогенные температуры.Если воздух, сжатый до 80 ата при t = 20 °С будет адиабатическирасширяться до 1 ата, то конечная температура при k = 1,4 будет равна84 К (рис. 9.1).IVp!p крIII010атаp крp=та40 аа80 аттосдк⋅ь kиA1 ⋅ Ж⋅4 p=1 – ата 3Насыщенныйпар2⋅1A2S0Рис. 9.160III1атаT,К293На рис.

9.1 представлена T, S-диаграмма процесса адиабатическогорасширения при S = const для реального газа. При p = 80 ата – прямая I–1 воздух – еще перегретый пар в конечном состоянии. При p = 100 ата –прямая II–2 – адиабата при некотором сжижении:2 − A2– весовое от2 − AIношение жидкость/пар.При p, соответствующем точке IV, все ожижается. Для получения50 % жидкого воздуха – адиабата III. При p ≈ 40 ата t ≅ −140 "С.Начальное давление должно быть 640 ата. Для реализации расширения по адиабате IV-4 необходимо начальное давление p ≈ 450000 ата.Адиабатическое расширение с отдачей внешней работы приводит кохлаждению как реального, так и идеального газа.При адиабатическом расширении без отдачи внешней работы процесс идет с d U = 0 (U – внутренняя энергия).Свободное расширение газа из сосуда с одним объемом в сосуд с темже или большим объемом, из которого откачан воздух или газ будетU = U ( S ,V ) ;U = U (V , T ); ∂U  ∂U dU = dV +  dT = 0, ∂V T ∂T Vоткуда ∂U  ∂T  ∂V T=−. ∂U  ∂V U ∂T V(9.6)Из уравнения dU = TdS – pdV при T = const получаем pdV = TdS – dU; ∂S   ∂U   ∂U  ∂S ;p =T−=T  − p. ∂V T  ∂V T  ∂V T ∂V TСвободная энергияF = F (T, V);(9.7)dF = − SdT − pdV ,61так как dF – функция состояния системы, то dF – полный дифференциал, у которого перекрестные производные должны быть ∂S  ∂P (9.8) = . ∂V T  ∂T VТаким образом, подставляя (9.8) в (9.7), а (9.7) в (9.6), получим ∂p T −p ∂T  ∂T V, =− ∂U  ∂V U ∂T V(9.9) ∂p T −p ∂T  ∂T V. =−CV ∂V U(9.10) ∂U где  = CV . ∂T VПоэтому имеемДля идеального газа pV = RTR p ∂p  T  =V =T . ∂ VВ этом случае ∂p T − p = 0. ∂T VНикакого охлаждения нет, так как ∂T  V  = 0. ∂ UДля реального газаp=62RTa− 2;U −b VR ∂p  T  = V b.− ∂ VПосле интегрирования1 1  − .(9.11) V1 V2 Таким образом, реальный газ при адиабатическом расширении безотдачи внешней работы будет охлаждаться.T2 − T1 = −aCVÄðîññåëèðîâàíèå ãàçàВ этом процессе поддерживается постоянный перепад давлений слеваи справа от дросселя.

Для охлаждения интерес представляет адиабатическое дросселирование, т. е. дросселирование при идеальной теплоизоляции. Это не означает, что dS ≡ 0 , так как процесс – необратимый,dS > 0. Криогенщиками было показано, что при адиабатическом дросселировании сохраняется энтальпия (теплосодержание) газаdH = 0.(9.12)Аналогично получим ∂V T −V ∂T  ∂T  P. P =CP ∂ H(9.13)Это – так называемый дифференциальный дроссель-эффект.V ∂V Газ нагревается, если > . ∂T  P TГаз охлаждается, еслиV ∂V  T  <T. ∂ PЕслиV ∂V  = , то T = const. ∂T  P TЭта температура называется температурой инверсии, которая для известных газов следующая: 4He Tинв = 51 K; H2 Tинв = 205 К; N2 Tинв = 621 К;О2 Tинв = 893 К.63Таким образом, лишь водород и гелий не могут быть ожижены дросселированием без предварительного охлаждения ниже температурыинверсии.Дроссель-эффектом обладают не только газы, но и их жидкости.Причем, если жидкость дросселируется при Т > Тинв , то ∆T < 0, а еслипри Т < Тинв , то ∆T > 0, т.

е. жидкость нагревается. У газов – наоборот.Интегральный эффект Джоуля – Томсона – конечная разностьтемпературT2 − T1 =P2 ∂T ∫  ∂P  H dp.(9.14)P1Дроссель-эффект имеет максимум при определенном давлении.Äðîññåëüíûå ðåôðèæåðàòèâíûå ñèñòåìûПри дросселировании, применяя весьма высокие давления, нельзяпонизить температуру газа до ожижения. Поэтому применяют регенеративный принцип, состоящий в непрерывном использовании понижения температуры при дросселировании для охлаждения новойпорций газа.

Для этого применяется противоточный теплообменник (рис. 9.2).Воздух в компрессоре К сжимается от p1 до р2, температура газавозрастает от Т1 до Т4; теплота сжатия отводится водой в холодильникеМ; газ снова приобретает температуру Т1.Газ с p2 и Т1 входит в основной теплообменник, где охлаждается доТ2 встречным холодным газом.Затем газ дросселируется в Д от p2, Т2 до p1; при этом его температура понижается до Т3. Расширенный газ, проходя теплообменник, нагревается до Т1, отнимая теплоту от воздуха высокого давления, понижая его температуру до T2.Основной теплообменник – сердце установки; он состоит из пучка труб,помещенных в трубе большего диаметра; T, S-диаграмма процесса постепенного охлаждения 1-го кг воздуха (рис.

9.3), где АВ – изотермическое сжатие от р1 до p2; B–1 – первое дросселирование: Т1 = ТA – ∆t1.Холодный дросселированный воздух (1 кг) проходит через теплообменник, охлаждая новую порцию (1 кг) воздуха, сжимаемого от р1 до p2,в теплообменнике.64p2kMВоздухвысокогодавленияВодаT4p1T1p 2T 2Dp1T 30Рис. 9.2Начинается ожижение воздуха в установившемся режиме. Нарис. 9.4: Т, S-диаграмма цикла сжижения при сжатии р 1 → p2 и расширении р 2 → p1; H = const; H3 и H4 – две соседние изоэнтальпы.Количество рекуперированного, т.

е. идущего на охлаждение, воздуха высокого давления, холода H1–Н3, равно А (6–7–1–1' –6).Количество теплоты, отнимаемой у воздуха высокого давления вследствие рекуперации Н2–H4, равно (А(2–4–4' –2' ).В идеале при полной рекуперации, т.

е. при полном использовании холода низкого давления, H1–H3 = H2–H4, т. е. A(6–7–1'–6') =A(2–4–4'–2')Таким образом, H1–H2 = Н3–H4, т. е. количество холода, полученноев процессе и изображенное А (5–6–6 '–5' ), равно понижению энтальпиивоздуха в компрессоре при изотермическом сжатии.При дросселировании по 4–5 после пересечения пограничной кривой5 –70–7 часть воздуха – жидкость, часть – пар;– влагосодержание0 –7паров воздуха.65AI1∆t2IIIII∆t434E∆t5C∆t32IVVkVI0∆t1∆ t1′∆ t 2′∆ t 4′∆ t 5′∆ t 3′BTИзоэнтальпыH = const5D67F0SРис.

9.3Рекуперация 6–7 → 1 от 6 до 7 происходит в испарителе, между 7 →1 – в теплообменнике.H1H2T1H=const 10064′5′6 ′ 7′Рис. 9.4667=c5P1onstH42T33pT2H34p=1 const21′SХолод в количестве Н3–Н4 = Н1–Н2 получается при Т3, соответствующей температуре кипения воздуха при p1 = 1 ата.При оставлении получаемого холода в системе в нижней части испарителя будет накапливаться жидкость, которую отводят, т. е. она больше не участвует в рекуперации.Áàëàíñ õîëîäàВ предыдущем цикле предполагалась полная рекуперация и отсутствие потерь холода в окружающую среду.

На самом деле всегда имеет место "недорекуперация" и потери холода в окружающую среду.Холодный рекуперированный газ выходит с меньшей температуройТ2. Если бы не было потерь холода в окружающую среду, то дросселирование пошло бы по линии Т2– 1' между Н4 и Н3, т. е. при более низкойТ (рис. 9.5).На рис. 9.5 – установившийся цикл сжижения воздуха с учетом потерь от недорекуперации в среду.Дросселирование вследствие недорекуперации идет не по H 4′ = const ,а по Н4 = const, причемH 2 − H 4 = H1′ − H 3 или, так как H1′ − H 2 = H 3 − H 4 , получаем H 4 − H 4′ == H 1 − H 1′ ( H 1′ вместо Н1 из-за недорекуперации); H1 − H1′ = C p (T1 – T2 )– потери от недорекуперации.По линии 8–9 происходит рекуперация холода в колонне с передачейхолода сжатому воздуху, поступающему в змеевик испарителя; по линии 9–1 идет рекуперация холода в теплообменнике:– А(6–8–8' –6 ' ) – весь располагаемый холод, который делится натри части:– холод, компенсирующий неполноту рекуперации, равный А(5–6–6 ' –5; ' )– холод, пополняющий потери в окружающую среду, равный А(5–7–7' –5' );– холод ожиженного воздуха, который можно отдать, равный А(7–8–8 ' –7 ' ).Количество располагаемого холода определяется разностью (уменьшением) энтальпий воздуха после сжатия в компрессоре, т.