Refrigerador de tubo de pulso - Pulse tube refrigerator

Termodinâmica
O motor térmico clássico de Carnot
Galhos Clássico Estatístico Químico Termodinâmica quântica Equilíbrio  / Não equilíbrio
Leis Zero Primeiro Segundo Terceiro
Sistemas Sistema fechado Sistema isolado Estado Equação de estado Gás ideal Gás real Estado da matéria Fase (matéria) Equilíbrio Volume de controle Instrumentos Processos Isobárico Isocórico Isotérmico Adiabático Isentrópico Isentálpico Quasistático Politrópico Expansão grátis Reversibilidade Irreversibilidade Endoreversibilidade Ciclos Motores térmicos Bombas de calor Eficiência térmica
Propriedades do sistema Nota: Variáveis ​​conjugadas em itálico Diagramas de propriedade Propriedades intensivas e extensas Funções de processo Trabalhar Aquecer Funções de estado Temperatura  / Entropia  ( introdução ) Pressão  / Volume Potencial químico  / número de partículas Qualidade do vapor Propriedades reduzidas
Propriedades do material Bancos de dados de propriedades Capacidade de calor específica  ${\ displaystyle c =}$ ${\ displaystyle T}$ ${\ displaystyle \ parcial S}$ ${\ displaystyle N}$ ${\ displaystyle \ parcial T}$ Compressibilidade  ${\ displaystyle \ beta = -}$ ${\ displaystyle 1}$ ${\ displaystyle \ parcial V}$ ${\ displaystyle V}$ ${\ displaystyle \ parcial p}$ Expansão térmica  ${\ displaystyle \ alpha =}$ ${\ displaystyle 1}$ ${\ displaystyle \ parcial V}$ ${\ displaystyle V}$ ${\ displaystyle \ parcial T}$
Equações Teorema de Carnot Teorema de Clausius Relação fundamental Lei do gás ideal Relações de Maxwell Relações recíprocas do Onsager Equações de Bridgman Tabela de equações termodinâmicas
Potenciais Energia livre Entropia livre
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Cientistas Bernoulli Boltzmann Carnot Clapeyron Clausius Carathéodory Duhem Gibbs von Helmholtz Joule Maxwell von Mayer Onsager Rankine Smeaton Stahl Thompson Thomson van der Waals Waterston
De outros Nucleação Auto-montagem Auto-organização Ordem e desordem
Categoria
v t e

O refrigerador de tubo de pulso (PTR) ou cri resfriador de tubo de pulso é uma tecnologia em desenvolvimento que surgiu amplamente no início dos anos 1980 com uma série de outras inovações no campo mais amplo da termoacústica . Ao contrário de outros resfriadores criogênicos (por exemplo , resfriadores Stirling e refrigeradores GM ), este resfriador pode ser feito sem peças móveis na parte de baixa temperatura do dispositivo, tornando o resfriador adequado para uma ampla variedade de aplicações.

Usos

Os resfriadores de tubo de pulso são usados ​​em aplicações industriais, como fabricação de semicondutores, e em aplicações militares , como resfriamento de sensores infravermelhos . Tubos de pulso também estão sendo desenvolvidos para resfriar detectores astronômicos onde criogênios líquidos são normalmente usados, como o Atacama Cosmology Telescope ou o experimento Qubic (um interferômetro para estudos de cosmologia). Os PTRs são usados ​​como pré-resfriadores de refrigeradores de diluição . Os tubos de pulso são particularmente úteis em telescópios baseados no espaço , como o Telescópio Espacial James Webb, onde não é possível reabastecer os criogênios porque eles estão esgotados. Também foi sugerido que tubos de pulso poderiam ser usados ​​para liquefazer oxigênio em Marte .

Princípio da Operação

Figura 1: Desenho esquemático de um PTR de orifício único do tipo Stirling. Da esquerda para a direita: um compressor, um trocador de calor (X ₁ ), um regenerador, um trocador de calor (X ₂ ), um tubo (muitas vezes chamado de "tubo de pulso"), um trocador de calor (X ₃ ), uma resistência ao fluxo (orifício), e um volume de buffer. O arrefecimento é gerado na parte baixa temperatura T _L . A temperatura ambiente é T _H .

A Figura 1 representa o refrigerador de tubo de pulso de orifício único do tipo Stirling (PTR), que é preenchido com um gás, normalmente hélio a uma pressão que varia de 10 a 30 bar. Da esquerda para a direita, os componentes são:

• um compressor, com um pistão se movendo para frente e para trás em temperatura ambiente T _H
• um trocador de calor X _1, onde o calor é liberado para o ambiente em temperatura ambiente
• um regenerador que consiste em um meio poroso com um grande calor específico (que pode ser malha de arame de aço inoxidável, malha de arame de cobre, malha de arame de bronze de fósforo ou bolas de chumbo ou chumbo ou materiais de terras raras para produzir temperatura muito baixa) em que o gás flui vai e volta
• um trocador de calor X ₂ , resfriado pelo gás, onde a potência útil de resfriamento é entregue na baixa temperatura T _L , retirada do objeto a ser resfriado${\ displaystyle {\ dot {Q}} _ {L}}$
• um tubo em que o gás é empurrado e puxado
• um trocador de calor X ₃ à temperatura ambiente, onde o calor é liberado para o ambiente
• uma resistência ao fluxo (muitas vezes chamada de orifício)
• um volume tampão (um grande volume fechado a pressão praticamente constante)

Figura 2: Esquerda: (próximo a X ₂ ): um elemento de gás entra no tubo com temperatura T _L e sai com temperatura mais baixa. À direita: (próximo a X ₃ ): um elemento de gás entra no tubo com temperatura T _H e sai com uma temperatura mais alta.

A parte entre X ₁ e X ₃ é isolada termicamente dos arredores, geralmente por vácuo. A pressão varia gradualmente e as velocidades do gás são baixas. Portanto, o nome de resfriador de tubo de "pulso" é enganoso, pois não há pulsos no sistema.

O pistão se move periodicamente da esquerda para a direita e para trás. Como resultado, o gás também se move da esquerda para a direita e para trás, enquanto a pressão dentro do sistema aumenta e diminui. Se o gás do espaço do compressor se mover para a direita, ele entra no regenerador com temperatura T _H e sai do regenerador na extremidade fria com temperatura T _L , portanto, o calor é transferido para o material do regenerador. Em seu retorno, o calor armazenado dentro do regenerador é transferido de volta para o gás.

No tubo o gás é isolado termicamente (adiabático), portanto a temperatura do gás no tubo varia com a pressão.

Na extremidade fria do tubo, o gás entra no tubo via X ₂ quando a pressão é alta com a temperatura T _L e retorna quando a pressão está baixa com uma temperatura abaixo de T _L , portanto absorvendo o calor de X ₂  : isso dá o efeito de resfriamento desejado em X ₂ .

Para entender por que o gás de baixa pressão retorna a uma temperatura mais baixa, observe a figura 1 e considere as moléculas de gás próximas a X ₃ (na extremidade quente) que se movem para dentro e para fora do tubo através do orifício. As moléculas fluem para o tubo quando a pressão no tubo é baixa (é sugada para o tubo através de X ₃ vindo do orifício e do tampão). No momento de entrar no tubo que tem a temperatura T _H . Mais tarde no ciclo, a mesma massa de gás é empurrada para fora do tubo novamente quando a pressão dentro do tubo é alta. Como consequência da sua temperatura será maior do que o t _H . No permutador de calor X ₃ , liberta o calor e arrefece até à temperatura ambiente T _H .

Figura 3: Tubo de pulso coaxial com um deslocador

A Figura 3 mostra um tubo de pulso coaxial que é uma configuração mais útil na qual o regenerador circunda o tubo de pulso central. Ele é compacto e coloca a cabeça fria em uma extremidade para que seja fácil de integrar com o que quer que seja refrigerado. O deslocador pode ser acionado passivamente, e isso recupera o trabalho que de outra forma seria dissipado no orifício.

atuação

O desempenho do refrigerador é determinado principalmente pela qualidade do regenerador. Deve satisfazer requisitos conflitantes: deve ter uma baixa resistência ao fluxo (por isso deve ser curto com canais largos), mas a troca de calor também deve ser boa (por isso deve ser longo com canais estreitos). O material deve ter uma grande capacidade térmica. Em temperaturas acima de 50 K praticamente todos os materiais são adequados. Bronze ou aço inoxidável são freqüentemente usados. Para temperaturas entre 10 e 50 K, o chumbo é o mais adequado. Abaixo de 10 K, são utilizados materiais magnéticos especialmente desenvolvidos para esta aplicação.

O chamado coeficiente de desempenho (COP) dos resfriadores é definido como a razão entre a potência de resfriamento e a potência P do compressor . Na fórmula: . Para um refrigerador perfeitamente reversível, é dado pelo teorema de Carnot  : ${\ displaystyle \ xi}$${\ displaystyle {\ dot {Q}} _ {L}}$${\ displaystyle \ xi = {\ dot {Q}} _ {L} / P}$${\ displaystyle \ xi}$

${\ displaystyle \ xi _ {C} = {\ frac {T_ {L}} {T_ {H} -T_ {L}}}}$

( 1 )

Porém, um refrigerador de tubo de pulso não é perfeitamente reversível devido à presença do orifício, que possui resistência ao fluxo. Em vez disso, o COP de um PTR ideal é dado por

${\ displaystyle \ xi _ {PTR} = {\ frac {T_ {L}} {T_ {H}}}}$

( 2 )

que é inferior ao dos refrigeradores ideais.

Comparação com outros refrigeradores

Na maioria dos refrigeradores, o gás é comprimido e expandido periodicamente. Refrigeradores bem conhecidos, como os refrigeradores de motor Stirling e os populares refrigeradores Gifford-McMahon, têm um deslocador que garante que o resfriamento (devido à expansão) ocorra em uma região diferente do aquecimento (devido à compressão) da máquina. Devido ao seu design inteligente, o PTR não possui esse deslocador. Isso significa que a construção de um PTR é mais simples, barata e confiável. Além disso, não há vibrações mecânicas nem interferências eletromagnéticas. A operação básica de resfriadores criogênicos e máquinas térmicas relacionadas é descrita por De Waele

História

Figura 4: A temperatura dos PTRs ao longo dos anos. A temperatura de 1,2 K foi alcançada em colaboração entre os grupos de Giessen e Eindhoven. Eles usaram um resfriador de vórtice superfluido como um estágio de resfriamento adicional para o PTR.

Joseph Waldo, na década de 1960, inventou o chamado Basic Pulse Tube Geladeira. O moderno PTR foi inventado por Mikulin com a introdução do orifício no tubo de pulso Basic em 1984. Ele atingiu a temperatura de 105 K. Logo depois, os PTRs melhoraram devido à invenção de novas variações. Isso é mostrado na figura 4, onde a temperatura mais baixa para PTRs é plotada em função do tempo.

No momento, a temperatura mais baixa está abaixo do ponto de ebulição do hélio (4,2 K). Originalmente, isso foi considerado impossível. Por algum tempo parecia que seria impossível resfriar abaixo do ponto lambda de ⁴ He (2,17 K), mas o grupo de Baixa Temperatura da Universidade de Tecnologia de Eindhoven conseguiu resfriar a uma temperatura de 1,73 K substituindo o usual ⁴ He como refrigerante por seu raro isótopo ³ He. Mais tarde, este recorde foi quebrado pelo Grupo Giessen que conseguiu ficar ainda abaixo de 1,3 K. Em uma colaboração entre os grupos de Giessen e Eindhoven, uma temperatura de 1,2 K foi atingida combinando um PTR com um resfriador de vórtice superfluido.

Tipos de refrigeradores de tubo de pulso

Para obter o resfriamento, a fonte das variações de pressão não é importante. PTRs para temperaturas abaixo de 20 K geralmente operam em frequências de 1 a 2 Hz e com variações de pressão de 10 a 25 bar. O volume de varredura do compressor seria muito alto (até um litro e mais). Portanto, o compressor é desacoplado do refrigerador. Um sistema de válvulas (geralmente uma válvula rotativa) conecta alternadamente o lado de alta pressão e o lado de baixa pressão do compressor à extremidade quente do regenerador. Como a parte de alta temperatura desse tipo de PTR é a mesma dos resfriadores GM, esse tipo de PTR é chamado de PTR do tipo GM. Os fluxos de gás através das válvulas são acompanhados por perdas que estão ausentes no PTR do tipo Stirling.

Os PTRs podem ser classificados de acordo com sua forma. Se o regenerador e o tubo estiverem alinhados (como na fig. 1), falamos de um PTR linear. A desvantagem do PTR linear é que o ponto frio fica no meio do refrigerador. Para muitas aplicações, é preferível que o resfriamento seja produzido no final do resfriador. Dobrando o PTR, obtemos um resfriador em forma de U. Ambas as extremidades quentes podem ser montadas no flange da câmara de vácuo em temperatura ambiente. Esta é a forma mais comum de PTRs. Para algumas aplicações, é preferível ter uma geometria cilíndrica. Nesse caso, o PTR pode ser construído de forma coaxial, de modo que o regenerador se torne um espaço em forma de anel em torno do tubo.

A temperatura mais baixa alcançada com PTRs de estágio único é um pouco acima de 10 K. No entanto, um PTR pode ser usado para pré-resfriar o outro. A extremidade quente do segundo tubo é conectada à temperatura ambiente e não à extremidade fria do primeiro estágio. Desta forma inteligente evita-se que o calor, liberado na extremidade quente do segundo tubo, seja uma carga no primeiro estágio. Em aplicações, o primeiro estágio também opera como uma plataforma de ancoragem de temperatura para, por exemplo, resfriamento de escudo de criostatos de ímã supercondutor. Matsubara e Gao foram os primeiros a esfriar abaixo de 4K com um PTR de três estágios. Com PTRs de dois estágios, foram obtidas temperaturas de 2,1 K, logo acima do ponto λ do hélio. Com um PTR de três estágios, 1,73 K foi alcançado usando ³ He como fluido de trabalho.

Perspectivas

O coeficiente de desempenho dos PTRs em temperatura ambiente é baixo, portanto, não é provável que desempenhem um papel no resfriamento doméstico. No entanto, abaixo de cerca de 80 K, o coeficiente de desempenho é comparável a outros refrigeradores (compare as equações ( 1 ) e ( 2 )) e na região de baixa temperatura as vantagens prevalecem. Para as regiões de temperatura de 70K e 4K, os PTRs estão disponíveis comercialmente. São aplicados em sistemas de detecção de infravermelho, para redução de ruído térmico em dispositivos baseados em supercondutividade (alta-T _c ), como SQUIDs, e filtros para telecomunicações. PTRs também são adequados para resfriar sistemas de ressonância magnética e sistemas relacionados à energia usando ímãs supercondutores. Nos chamados ímãs secos, os resfriadores são usados ​​de forma que nenhum criolíquido seja necessário ou para a recondensação do hélio evaporado. Também a combinação do uso espacial com ³ He- ⁴ He refrigerador de diluição para a região abaixo da temperatura a 2 mK é atractivo uma vez que deste modo toda a gama de temperaturas desde a temperatura ambiente até 2 mK é mais fácil acesso.

Veja também

• Criooler
• Resfriamento regenerativo
• Linha do tempo da tecnologia de baixa temperatura

Referências

links externos

• Uma breve história dos refrigeradores de tubo de pulso (NASA)
• Página inicial do SHI Cryogenics Group
• Página inicial da Cryomech
• Animação de tubo de pulso (Thales Cryogenics)
• O Criooler do Telescópio Espacial James Webb (JWST / NASA)