Способ получения сверхтекучего гелия под давлением выше равновесного

 

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 повыщения 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. СА: ;о :о 4 сд

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

4Ш F25J102 г 4

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н ASTOPGHOMY СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 3420747/23-26 (22) 12.04.82 (46) 15.02.85. Бюл. № 6 (72) В. П. Беляков, В. А. Шапошников, В. Г. Матюхин, Е. Д. Микитенко и Н. П. Стасевич (53) 621.59 (088.8) (56) 1. Патент Великобритании № 1458334, кл. F 4 Н, 1975.

2. Патент США № 3978682, кл. 62 в 113, 1976.

„„SU„„1139945 А (54) (57) 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.

1139945

1О

20

4О

1

Изобретение относится к криогенной технике, а именно к области применения сверхнизких температур, и может быть использовано для эффективного охлаждения различных объектов, усройств, а также при проведении научных исследований.

Известен способ получения сверхтекучего гелия под давлением, включащий закачку жидкого гелия в емкость с последующим процессом теплообмена с охлаждающим гелием (1).

Недостатками данного способа являются невозможность получения температуры, близкой к 1 К и ниже, и низкая экономичность.

Указанные недостатки обусловлены тем, что к емкости со сверхтекучим гелием при температуре -2 К имеется непрерывный теплоприток с гелием, подаваемым из ванны, где

его температура выше 2,17 К, а для получения сверхтекучего гелия с температурой — 1 К необходимо бесконечное вакуумирование или установка рефрижератора растворения, что нереально из-за большой сложности и малой холодопроизводительности, а также невозможности при этом получить сверхтекучий гелий под давлением.

Известен способ получения сверхтекучего гелия под давлением, включащий закачку жидкого гелия в емкость с последующим его охлаждением (2) .

Недостатками этого способа также являются невозможность получения гелия с температурой в -1 К и низкая экономичность, что обусловлено ограниченными возможностями вакуумного оборудования, производительность которого должна быть при этом черезвычайно;велика с большим потреблением энергии, что невозможно осуществить, а колебания давления и вибрации системы, связанные с работой насоса, нарушают условия эксперимента.

Цель изобретения — понижение темпепературы сверхтекучего гелия под давлением и повышение экономичности процесса.

Поставленная цель достигается тем, что согласно способу получения сверхтекучего гелия под давлением выше равновесного, включающему подачу жидкого гелия в емкость с последующим охлаждением гелия, охлаждение осуществляют жидким гелием и подачу жидкого гелия в емкость осуществляют до достижения давления, обеспечивающего его кристаллизацию, и температуры ниже критической, после чего прекращают подачу и указанный процесс охлаждения, 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 рубашкой

5, которая соединена с криосорбционным устройством 6, содержащим нагревательный

2 элемент 7 и изоляцию 8. Емкость 4 и криосорб- ционное устройство б размещены в емкости 9, заполненной охлаждающим гелием, и все это находится в криостате 10.

Емкость 4 соединена с дроссельным вентилем

11, а емкость 9 соединена с вакуумным насосом 12.

Способ осуществляется следующим образом.

Жидкий гелий из ванны 1 закачивают по линии 2 через вентиль 3 в емкость 4 до такого давления, которое обспечивает его кристаллическое состояние после охлаждения ниже критической температуры. Температуру охлаждающего гелия 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 кристаллизируется, а вентилем 3 отсекают закачку гелия в емкость 4, что прекращает теплопритоки с поступающим гелием. Затем выключают нагревательный элемент 7, криосорбционное устройство

6 охлаждается, повышая степень вакуумирования в вакуумной рубашке 5, размыкается тепловой мост между гелием в емкостях

4 и 9, снимая процесс теплообмена между ним. Открывают дроссельный вентиль 11 и понижают давление в емкости 4, кристаллический гелий испаряется и плавится. За счет скрытой теплоты плавления гелия температура его понижается до 1 К вЂ” 0,8 К, а давление гелия в емкости 4 выше равновесного, что очень важно для проведения исследований. При этом всю систему отключают, закрывают вентиль 11 и проводят эксперимент без посторонних искажений.

Пример. Внутри криостата 10 располагают специальный металлический сосуд емкостью 10 л с вакуумной рубашкой 5. Если обеспечить. возможность подачи во внутреннюю полость этого сосуда жидкого гелия по линии закачки 2 с вентилем 3, то такая система может обеспечить проведение экспериментов при температурах ниже 1 К.

Для этого заправляют жидким гелием при атмосферном давлении как сам криостат

10, так и размещенный внутри него сосуд 4.

Последний можно заправлять через отдельный трубопровод, способный выдерживать давление — 4,0 МПа (такое же давление должна выдерживать емкость 4). Давление в вакуумной изоляции емкости 4 может изменяться тем или иным способом — нагревом или охлаждением криосорбционного устройства 6 или другим вакуумным устройством. После заполнения гелием криостата

10 и емкости 4 в вакуумной изоляции послед1139945

35

3 него устанавливается давление -10 торр, 1 что обеспечивает эффективный теплообмен между гелием в емкости 4 и омывающим его гелием, заполняющим криостат 10. После этого давление в емкЬсти 4 поднимают до

3,0 МПа за счет наддува через трубку ма- 5 лого сечения с вентилем 11, соединяющую внутреннюю полость емкость 4 с источником газообразного гелия высокого давления. Перед наддувом вентиль 3 закрывают. Затем начинают откачку паров гелия насосом 12 из паровой подушки криостата 10, что приводит к понижению в нем температуры. В результате теплообмена понижается также и температура гелия внутри специального сосуда в то время, как давление в нем остается постоянным и равным 3,0 МПа, так как вентиль наддува 11 на трубопроводе остается открытым. По достижении в емкости 4 температуры -1,76 К начинается кристаллизация (замерзание) гелия в нем. По окончании кристаллизации идет дальнейшее понижение температуры как гелия в криостате

10, так и гелиевого льда в емкости 4. Рхлаждение проводится до тех пор, пока температура не стабилизируется на некотором уровне, определяемом с одной стороны объемной производительностью насоса 12, а с другой теплопритоками из окружающей среды, для насоса НВЗ вЂ” 150 и криостата

Кà — 60/300 в хорошем состоянии эта температура -1,3 К; (По достижении этой температуры давление в вакуумной рубашке 5 понижают до

10 "торр в результате чего твердый гелий в специальной емкости 4 оказывается теплоизолированным от гелия в криостате 10. Затем снижают давление над твердым гелием до желаемой величины 1,0 МПа, что осуществляется путем снижения давления на входе в трубопровод наддува. В результате твердый гелий внутри специальной емкости 4 оказывается в условиях, когда он не может существовать в твердом виде и должен перейти в жидкое состояние, 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 понижения давления изолирован в тепловом отношении, так что теплота плавления может отниматься лишь от самого этого гелия. Таким образом, в результате плавления гелия температура образовавшейся жидкости и оставшегося льда непрерывно понижается до тех пор, пока не расплавится весь лед. Снижение температуры при плавлении льда тем больше, чем больше теплота плавления и ниже теплоемкости системы.

Теплоемкость жидкого гелия и теплота плавления гелиевого льда в области температур ниже 2,17 К в очень сильной степени зависят от температуры, причем обе эти ве4 личины с понижением температуры резко падают.

Таким .образом, для определения температуры при плавлении или иной части льда необходимо весь диапазон температур разбить на достаточно малые отрезки, на которых теплоемкость и теплоту плавления можно принять постоянной. В данном примере для простоты ограничимся. разбивкой на участки в 0,1 К и примем теплоемкость льда равной теплоемкости жидкости. Тогда долю льда, который должен быть расплавлен для достижения температуры на ЛТ=0,1 К ниже исходной, можно определить, исходя из условия

МС T=rxM, где М вЂ” исходная массла льда;

С, — теплоемкость жидкого гелия (теплоемкость твердого и жидкого гелия принимают равными, так что М в правой части уравнения не зависит от соотношения льда и жидкости на данном этапе плавления);

r — теплота плавления льда;

x — доля льда, которая должна, быть расплавлена для снижения темпе. пературы на ЛТ=0,1 К.

Исходная температура, при которой весь гелий находится в твердом состоянии 1,3 К, для определения доли льда, которую необходимо расплавить для получения температуры 1,2 К, в уравнение подставляются теплота плавления при 1,25 К ri=0,2 кДж/кг и теплоемкости жидкости при той же температуре С,i=Я,З кДж/кг

Таким образом, при плавлении 15Я льда образуется льдо-жидкостная смесь с температурой 1,2 К. Для снижения температуры до 1,1 К дополнительно необходимо расплавить

Х =ЛТ * =0,1, =0,2, где С, и r — теплоемкость и теплота плавления при 1,15 К.

Для снижения температуры до 0.9 К потребуется еще дополнительно расплавить долю льда, равную 0,5 (ЛТ для сокращения возьмем 0,2 К). где С,з и rq — теплоемкость и теплота плавления при 1 К.

Таким образом, расплавив 85Я льда, получают смесь сверхтекучего гелия со льдом

1139945

Составитель А. Никитин

Техред И. Верес Корректор А. Зимокосов

Тираж 509 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

I 13035, Москва, Ж вЂ” 35, Раушская наб., д. 4/5

Филиал ППП «Патент», г. Ужгород, ул. Проектная, 4

Редактор А. Гулько

Заказ 40/29

5 при 0,9 К и 1,0 МПа. При этом оставшиеся

15Я льда позволяют провести в этих условиях эксперименты с общим тепловыделением, равным теплоте плавления этого льда.

Теплота плавления при 0,9 К равна

-0,02 кДж/кг. Если располагают 10-литровым сосудом 4, то исходное количество льда в нем должно быть равно -1,4 кг, так что

6 оставшиеся 15P/p cocTGBHT 0,2 кг, т. е. в эксперименте может быть выделено 4 Дж.

Использование предлагаемого способа позволяет получать сверхтекучий гелий под давлением значительно выше равновесного

5 и при 1 К и ниже, исключает влияние колебания давления и вибрации от вакуума насоса, повышает экономичность процесса.