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Criorefrigerador

Un criorefrigerador es un refrigerador diseñado para alcanzar temperaturas criogénicas (por debajo de 120 K, -153 °C, -243,7 °F). El término se usa con mayor frecuencia para...

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Un criorefrigerador es un refrigerador diseñado para alcanzar temperaturas criogénicas  (por debajo de 120 K, -153 °C, -243,7  °F). El término se usa con mayor frecuencia para sistemas pequeños, generalmente de sobremesa, con potencias de entrada inferiores a unos 20  kW. Algunos pueden tener potencias de entrada tan bajas como 2-3 W. Los sistemas grandes, como los que se usan para enfriar los imanes superconductores en aceleradores de partículas, se denominan más comúnmente refrigeradores criogénicos. Sus potencias de entrada pueden llegar a 1 MW. En la mayoría de los casos, los criorefrigeradores utilizan un fluido criogénico como sustancia de trabajo y emplean piezas móviles para hacer circular el fluido en un ciclo termodinámico . El fluido se comprime típicamente a temperatura ambiente, se preenfría en un intercambiador de calor y luego se expande a baja temperatura. El fluido de baja presión que regresa pasa por el intercambiador de calor para preenfriar el fluido de alta presión antes de entrar en la entrada del compresor. Luego, el ciclo se repite.

Intercambiadores de calor y regeneradores ideales

Los intercambiadores de calor son componentes esenciales de todos los criorefrigeradores. Los intercambiadores de calor ideales no presentan resistencia al flujo y la temperatura del gas a la salida es igual a la temperatura (fija) del intercambiador, T X. Cabe destacar que incluso un intercambiador de calor perfecto no afectará la temperatura de entrada, T i, del gas. Esto genera pérdidas.

Un componente importante de los refrigeradores que funcionan con flujos oscilatorios es el regenerador. Un regenerador consta de una matriz de material sólido poroso, como partículas granulares o tamices metálicos, a través de la cual fluye un gas de un lado a otro. El material almacena y libera calor periódicamente. El contacto térmico con el gas debe ser óptimo y la resistencia al flujo de la matriz debe ser baja. Estos requisitos son contradictorios. Las propiedades termodinámicas e hidrodinámicas de los regeneradores son complejas, por lo que generalmente se utilizan modelos simplificados. En su forma más extrema, un regenerador ideal posee las siguientes propiedades:

  • gran capacidad calorífica volumétrica del material;
  • contacto térmico perfecto entre el gas y la matriz;
  • resistencia al flujo cero de la matriz;
  • porosidad cero (esta es la fracción de volumen del gas);
  • conductividad térmica nula en la dirección del flujo;
  • El gas es ideal.

El progreso en el campo de los criorefrigeradores en las últimas décadas se debe en gran parte al desarrollo de nuevos materiales con alta capacidad calorífica por debajo de 10  K. [ 1 ]

Refrigeradores Stirling

Componentes

Fig. 1 Diagrama esquemático de un enfriador Stirling. El sistema tiene un pistón a temperatura ambiente T a y un pistón a baja temperatura T L .

El tipo básico de enfriador tipo Stirling se muestra en la Fig. 1. Consta de (de izquierda a derecha):

Se supone que el contacto térmico con el entorno a las temperaturas T a y T L, tanto a la izquierda como a la derecha, es perfecto para que la compresión y la expansión sean isotérmicas . El trabajo realizado durante la expansión se utiliza para reducir la potencia total de entrada. Generalmente, el fluido de trabajo es helio .

Ciclo de enfriamiento

Figura 2. Cuatro estados en el ciclo de Stirling .
Figura 3. Diagrama pV del ciclo Stirling ideal .
Figura 4. Diagrama esquemático de un refrigerador Stirling de par dividido. La potencia de enfriamiento se suministra al intercambiador de calor del dedo frío. Por lo general, los flujos de calor son tan pequeños que no se necesitan intercambiadores de calor físicos alrededor del tubo dividido.

El ciclo de enfriamiento se divide en 4 pasos, como se muestra en la Fig. 2. El ciclo comienza cuando los dos pistones están en sus posiciones más a la izquierda:

  • De a a b, el pistón caliente se mueve hacia la derecha mientras que el pistón frío permanece fijo. La temperatura del gas comprimido en el extremo caliente es isotérmica (por definición), por lo que se libera calor Q a al entorno a temperatura ambiente T a .
  • Desde b hasta c, los dos pistones se mueven hacia la derecha. El volumen entre los dos pistones se mantiene constante. El gas caliente entra al regenerador con una temperatura T a y sale con una temperatura T L. El gas cede calor al material del regenerador.
  • Desde c hasta d, el pistón frío se mueve hacia la derecha mientras que el pistón caliente permanece fijo. La expansión es isotérmica y se absorbe calor Q L. Esta es la capacidad de enfriamiento útil.
  • Desde d hasta a, los dos pistones se mueven hacia la izquierda mientras el volumen total permanece constante. El gas entra al regenerador a baja temperatura T L y sale a alta temperatura T a , absorbiendo así calor del material del regenerador. Al final de este paso, el estado del enfriador es el mismo que al principio.

En el diagrama pV (Fig. 3), el ciclo correspondiente consta de dos isotermas y dos isocoras. El volumen V es el volumen entre los dos pistones. En la práctica, el ciclo no se divide en pasos discretos como se describió anteriormente. Normalmente, los movimientos de ambos pistones son impulsados ​​por un eje rotatorio común, lo que hace que los movimientos sean armónicos. La diferencia de fase entre los movimientos de los dos pistones es de aproximadamente 90°. En el caso ideal, el ciclo es reversible, por lo que el COP (la relación entre la potencia de refrigeración y la potencia de entrada) es igual al COP de Carnot dado por T L /( T a − T L ).

No resulta práctico utilizar un pistón frío, como se describió anteriormente, por lo que, en muchos casos, se emplea un desplazador en su lugar. Un desplazador es un cuerpo sólido que se mueve hacia adelante y hacia atrás en el cabezal frío, impulsando el gas entre el extremo caliente y el extremo frío del cabezal a través del regenerador. No se requiere trabajo para mover el desplazador, ya que, idealmente, no hay caída de presión sobre él. Normalmente, su movimiento está desfasado 90 grados con respecto al pistón. En el caso ideal, el COP también es igual al COP de Carnot.

Otro tipo de enfriador Stirling es el de par dividido (Fig. 4), que consta de un compresor, un tubo dividido y un dedo frío . Generalmente, hay dos pistones que se mueven en direcciones opuestas impulsados ​​por campos magnéticos de corriente alterna (como en los altavoces). Los pistones pueden estar suspendidos por cojinetes flexibles, que proporcionan rigidez en la dirección radial y flexibilidad en la dirección axial. Los pistones y la carcasa del compresor no entran en contacto, por lo que no se necesitan lubricantes ni se produce desgaste. El regenerador del dedo frío está suspendido por un resorte. El enfriador funciona a una frecuencia cercana a la frecuencia de resonancia del sistema masa-resorte del dedo frío.

Refrigeradores Gifford-McMahon

Figura 5. Diagrama esquemático de un enfriador GM. V l y V h son los volúmenes de amortiguación del compresor. El calor de compresión se disipa mediante el agua de refrigeración del compresor a través de un intercambiador de calor. Las válvulas rotativas conectan alternativamente el enfriador a los lados de alta y baja presión del compresor y funcionan de forma síncrona con el desplazador.

Los enfriadores Gifford- McMahon (GM) [ 2 ] se han aplicado ampliamente en muchos sistemas de baja temperatura, por ejemplo, en resonancia magnética y criobombas. La figura 5 muestra un diagrama esquemático. El fluido de trabajo es helio a presiones entre 10 y 30 bares (150-440 psi) . El cabezal frío contiene un espacio de compresión y expansión, un regenerador y un desplazador. Generalmente, el regenerador y el desplazador se combinan en un solo cuerpo. Las variaciones de presión en el cabezal frío se obtienen conectándolo periódicamente a los lados de alta y baja presión de un compresor mediante una válvula rotativa. Su posición está sincronizada con el movimiento del desplazador. Durante la apertura y el cierre de las válvulas se producen procesos irreversibles, por lo que los enfriadores GM presentan pérdidas intrínsecas. Esta es una clara desventaja de este tipo de enfriador. La ventaja radica en que las frecuencias de ciclo del compresor y del desplazador están desacopladas, de modo que el compresor puede funcionar a la frecuencia de la red eléctrica (50 o 60 Hz) mientras que la frecuencia del cabezal frío es de 1 Hz. De esta forma, el volumen de desplazamiento del compresor puede ser 50 o 60 veces menor que el del enfriador. Se pueden utilizar compresores básicos (económicos) de refrigeradores domésticos, pero es fundamental evitar el sobrecalentamiento del compresor, ya que no está diseñado para helio. Asimismo, se debe impedir la entrada de vapor de aceite al regenerador mediante trampas de purificación de alta calidad.   

Ciclo de enfriamiento

Figura 6. Las cuatro etapas del ciclo de enfriamiento del enfriador GM.

El ciclo se puede dividir en cuatro pasos, como se muestra en la figura 6, de la siguiente manera:

El ciclo comienza con la válvula de baja presión (BP) cerrada, la válvula de alta presión (AP) abierta y el desplazador completamente a la derecha (es decir, en la zona fría). Todo el gas se encuentra a temperatura ambiente.

  • De a a b. El desplazador se mueve hacia la izquierda mientras el cabezal frío está conectado al lado de alta presión del compresor. El gas pasa por el regenerador, entrando a temperatura ambiente T a y saliendo a temperatura T L. El gas libera calor al material del regenerador.
  • De b a c. La válvula de alta presión (HP) está cerrada y la de baja presión (LP) abierta, con el desplazador en posición fija. Parte del gas fluye a través del regenerador hacia el lado de baja presión del compresor. El gas se expande. La expansión es isotérmica, por lo que se absorbe calor de la aplicación. Aquí es donde se genera la potencia de refrigeración útil.
  • De c a d. El desplazador se mueve hacia la derecha con el cabezal frío conectado al lado de baja presión del compresor, forzando al gas frío a pasar por el regenerador, mientras absorbe calor del regenerador.
  • De d a a. La válvula de baja presión (LP) se cierra y la válvula de alta presión (HP) se abre con el desplazador en posición fija. El gas, ahora en el extremo caliente del cabezal frío, se comprime y se libera calor al entorno. Al final de este paso, volvemos a la posición a.

Refrigeradores de tubo de pulso

Figura 7. Diagrama esquemático de un reactor PTR de orificio único tipo Stirling.

En la figura 7 se representa esquemáticamente un PTR de orificio único de tipo Stirling. De izquierda a derecha consta de: un pistón que se mueve hacia adelante y hacia atrás; un intercambiador de calor X 1 (posenfriador) donde el calor se libera a temperatura ambiente ( T a ) al ambiente; un regenerador; un intercambiador de calor X L a baja temperatura ( T L ) donde se absorbe el calor de la aplicación; un tubo, a menudo llamado tubo de pulso; un intercambiador de calor X 3 a temperatura ambiente ( T a ); una resistencia al flujo (orificio); un volumen de amortiguación, en el que la presión p B es prácticamente constante.

enfriador Joule-Thomson

Figura 8. Diagrama esquemático de un licuador Joule-Thomson. Una fracción x del gas comprimido se extrae en forma líquida. A temperatura ambiente, se suministra como gas a 1 bar, de modo que el sistema se encuentra en estado estacionario.

El enfriador Joule-Thomson (JT) fue inventado por Carl von Linde y William Hampson, por lo que también se le conoce como enfriador Linde-Hampson. Es un tipo de enfriador sencillo que se utiliza ampliamente como criorefrigerador o como etapa final de refrigeración. Se puede miniaturizar fácilmente, pero también se utiliza a gran escala en la licuefacción de gas natural. Los enfriadores Joule-Thomson no emiten calor ni vibraciones en el extremo frío. El compresor, que sí emite calor y vibraciones, puede ubicarse lejos del extremo frío, de modo que no interfiera con su funcionamiento. Esta ventaja se puede aumentar conectando el compresor y el extremo frío con tubos flexibles. En la figura 8 se muestra un diagrama esquemático de un licuador JT. Consta de un compresor, un intercambiador de calor de contracorriente, una válvula JT y un depósito. El compresor puede ser lubricado con aceite o sin aceite, y refrigerado por agua o aire. [ 3 ]

Ciclo de enfriamiento

En la figura 8, las presiones y temperaturas se refieren al caso de un licuador de nitrógeno. A la entrada del compresor, el gas se encuentra a temperatura ambiente (300 K) y una presión de 1 bar (punto a). El calor de compresión se elimina mediante agua de refrigeración. Tras la compresión, la temperatura del gas es la temperatura ambiente (300 K) y la presión es de 200 bares (2900 psi) (punto b). A continuación, entra en el lado caliente (alta presión) del intercambiador de calor de contracorriente, donde se preenfría. Sale del intercambiador en el punto c. Tras la expansión de Joule-Thomson (punto d), tiene una temperatura de 77,36 K (−195,79 °C; −320,42 °F) y una presión de 1 bar. La fracción líquida es x . El líquido sale del sistema por la parte inferior del depósito (punto e) y el gas (fracción 1 − x ) fluye hacia el lado frío (baja presión) del intercambiador de calor de contracorriente (punto f). Sale del intercambiador de calor a temperatura ambiente (punto a). Para mantener el sistema en estado estacionario, se suministra gas para compensar la fracción líquida x que se ha extraído.    

Cuando se utiliza como criorefrigerador, es preferible emplear mezclas de gases en lugar de nitrógeno puro. De esta forma, se mejora la eficiencia y la alta presión es mucho menor que 200 bar, normalmente entre 20 y 40 bar. Los refrigerantes mixtos se diseñan según diferentes requisitos: temperatura de enfriamiento, inflamabilidad, aspectos medioambientales y compatibilidad con el compresor.

Una descripción más detallada de los enfriadores Joule-Thomson y los refrigeradores Joule-Thomson se puede encontrar en [ 4 ] .

Aplicaciones

Los criorefrigeradores son una tecnología clave para aplicaciones como la detección infrarroja y la superconductividad aplicada . [ 5 ] Entre las aplicaciones se incluyen la electrónica superconductora y la computación cuántica . Se han desarrollado criorefrigeradores compactos para detectores de fotones superconductores . [ 6 ]

Véase también

Referencias

  1. ^ T. Kuriyama, R. Hakamada, H. Nakagome, Y. Tokai, M. Sahashi, R. Li, O. Yoshida, K. Matsumoto y T. Hashimoto, Avances en ingeniería criogénica 35B, 1261 (1990)
  2. ↑ WE Gifford y RC Longsworth, Avances en ingeniería criogénica 11, 171 (1966)
  3. ↑ Tzabar, Nir. "Enfriamiento criogénico Joule-Thomson" .
  4. ↑ de Waele, ATAM (2017-03-01). "Fundamentos de la licuefacción de Joule-Thomson y el enfriamiento JT" . Journal of Low Temperature Physics . 186 (5): 385– 403. doi : 10.1007/s10909-016-1733-3 . ISSN 1573-7357 . 
  5. ↑ Radebaugh, Ray (31 de marzo de 2009). "Criorefrigeradores: estado del arte y desarrollos recientes". Journal of Physics: Condensed Matter . 21 (16) 164219. Bibcode : 2009JPCM...21p4219R . doi : 10.1088/0953-8984 / 21/16/164219 . ISSN 0953-8984 . PMID 21825399. S2CID 22695540 .   
  6. ↑ Cooper, Bernard E; Hadfield, Robert H (28-06-2022). "Punto de vista: criogenia compacta para detectores de fotones superconductores" . Superconductor Science and Technology . 35 (8): 080501. Bibcode : 2022SuScT..35h0501C . doi : 10.1088/1361-6668/ac76e9 . ISSN 0953-2048 . S2CID 249534834 .  

Dominio público Este artículo incorpora material de dominio público del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología.

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