• بازدید : 56 views
  • بدون نظر
این فایل در ۱۷صفحه قابل ویرایش تهیه شده وشامل موارد زیر است:

سرد كننده هاي كوچكي كه بيش از چند وات سرمايش ايجاد نمي كنند. اين واحدها بازده پاييني داشته ولي مسايل ديگري از قبيل عدم قابليت اطمينان، اندازه، جرم، لرزش  و قيمت بالاي آن ها، بيشترين توجه توليد كنندگان اين نوع ابزارهاي تبريد را به خود جلب نموده است. درجه ي اهميت هر يك از اين مسايل وابستگي مستقيم به كاربرد كرايكولر دارد. بيشترين كاربرد كرايكولرها در سرمايش حسگرهاي مادون قرمز نصب شده بر روي ماهواره هاي نظامي مي باشد. كرايكولرهاي استرلينگ با ظرفيت سرمايي حدود ۲۵/۰ در ۸۰ درجه كلوين اصولاً براي كاربردهايي از اين قبيل در نظر گرفته شده اند
بيشترين كاربرد كرايكولرها در اشل تجاري، در پمپ هاي سرد براي ساخت نيمه رساناها مي باشد. كرايگولرهاي گيفرد. مك ماهاون، موجب سرمايش حدود چند وات در ۱۵ درجه ي كلوين گشته و از محبوبيتي خاصي نزد مصرف كنندگان برخوردار است. البته نقطه ضعف اين نوع كرايكورلرها ارتعاشات تقريباً شديدي است كه ايجاد مي كنند. سازندگان نيمه رساناها در صدد ساخت خطوط نازكتري در تراشه هاي خود بوده تا بدين وسيله اندازه و وزن مدارات نيمه رساناها را به حداقل برساندد.
با اينكه كرايكورها عموماً بر اساس سيكل ترموديناميكي طبقه بندي مي شوند ولي عمدتاً آن ها را به دو نوع جبران كننده و بازياب طبقه بندي مي كنند(walker 1983). يك كرايكولر از نوع جبران كننده است، اگر فقط مبدل هاي جيران كننده در لن استفاده شده باشد و از نوع بازتاب است اگر حداقل يك مبدل حرارتي بازياب در ان واحد استفاده شده باشد.
از آنجايي كه مبدل هاي حرارتي جبران كننده موجب فراهم شدن دو كانال جريان مجزا براي مبرد مي گردند. جريان مبرد هميشه دايمي بوده و در يك جهت مي باشد مشابه يك سيستم الكتريكي DC. اين مبدل حرارتي نياز به يك دريچه با كمپرسورهاي رفت و برگشتي و شيرهاي انبساط يا كمپرسور و شيرهاي انبساط چرخشي يا توربني دارد. در سيكل هاي بازيابي جريان مبرد نوساني مي باشد، مشابه جريان AC د سيستم‌هاي الكتريكي. اين اثر نوساني موجب ذخيره ي انرژي در ماتريس مبدل در نيمه ي اول سيكل و ازاد شدن اين انرژي ذخيره شده و انتقال آن به سيال عامل در طي نيمه دوم سيكل مي گردد. براي اثربخشي بيشتر، ماتريس هاي با مواد جامد جا سازي شده در بازتاب بايد از ظرفيت گرمايي ويژه ي بالا و هدايت حرارتي خوبي برخوردار باشند. در اين مقاله به بررسي پيشرفت هاي ايجاد شده در كرايكولرها تا حدود سال ۱۹۹۹ خواهيم پرداخت.
سيستم هاي جبران كننده
سيكل هاي ژول تامسون و برايتون كه در شكل(۱) با يكديگر مقايسه شده اند دو سكل تبريد استفده شده در سيستم هاي جبران كننده مي باشد.
كرايكولرهاي ژول- تامسون
اثر ژول تامسون كه همان رسيدن به سرمايش با استفاده از خفانس يك گاز ايده آب مي باشد، از قديمي ترين راه ها و در عين حال با كمترين بازده براي رسيدن به دماهاي كرايجينگ مي باشد. با اين حال پيشرفت هاي عمده اي در كرايكولرهاي ژول تامسون يا به كار بردن متدهاي نوين ساخت، كه شامل الحاق سيكل هاي با پيچيدگي بيشتر و استفاده از مخلوط گازهاي خاص به عنوان مبرد مي باشند، به دست آمده اند. اين پيشرفت ها باعث رقابت كرايكولرهاي ژول تامسون در بسياري از كاربردها حتا در مقايسه با كرايكولرهايي كه عموماً داراي سيكل هاي كارآمد تري مي باشند، شده است. سادگي نسبي آن ها به همراه اندازه ي كوچك، جرم كم و عدم حضور آلودگي صوتي يا ارتعاش موجب جلب توجه مصرف كنندگان شده است.
در گذشته كرايكولرهاي ژول تامسون با استفاده از پيچيدن يك لوله ي موئين فين دار بر روي يك مندريل با اتصال به يك نازل منبسط كننده در انتهاي لوله ي مونين و داخل كردن كل واحد در يك لوله ي تنگ، نزديك به يكي از نقاط انتهايي با شيرهاي ورودي و خروجي در طرف ديگر ساخته مي شدند. ليتل (۱۹۸۹) روش ساخت كرايكولر ژول تاموسن را با استفاده از PMT تكنيك معرفي كرد، كه در آن كانال هاي گاز براي مبدل، لوله هاي موئين انبساط و مخزن مايع به صورت مدار چاپي بر روي يك زير لايه ي شيشه اي. صفحه اي نازك كه با يكديگر آميخته شده اند در يك واحد آب بندي شده حك مي گردند. اين كرايكولرهاي مينياتوري در محدوده بسيار وسيع از اندازه ها و ظرفيت ها ساخته شده اند. يك چنين كرايكولري كه در دماي ۸۰k با ظرفيت سرمايش ۲۵۰mW كار مي كند؛ از مبدلي كه عرض كانال هايش   و عمق آن ها   مي باشند استفاده مي كند. كانال هاي حك شده بر روي زير لايه ي شيشه اي بايد در يك تولورانس   كنترل شوند و قيد ما بين زير لايه هاي مختلف بايد تحمل فشارهاي محدوده ي ۱۵ تا   را داشته باشد. اين كرايكولرها كه در سرمايش نقطه اي سيستم هاي الكترونيكي استفاده شده اند. البته بدون در نظر گرفتن كمپرسور. داراي حداكثر ابعاد فقط   مي باشند.
ساخت كرايكولرهاي ژول- تامسون مينياتوري به اين صورت، بيش از پيش موجب باز شدن دست توليد كنندگان در استفاده در سيكل هاي پيچيده تر و چند طبقه در آن ها شده است. سيكل ژول- تامسون دو مرحله اي كه در آن فشار مبرد با دو انبساط ايزوانتالپي كاهش مي يابد، موجب ايجاد سرمايش در دماهاي پايين تر با  بالاتر براي قدرت ورودي يكسان گرديده است. رسيدن به ۲۰k نيازمند دو سيستم تبريد جداگانه كه در آن ها يك مرحله ي تبريد ژول- تامسون نيتروژني وظيفه ي پيش سرمايش تا ۷۷k را براي مبرد هيدروژني كه در مرحله ي بعد سرمايش تا دماي مورد نظر را ايجاد مي كند دارد. براي ۴k يك مرحله ي اضافي هليم كه با مرحله ي هيدروژن سرد مي شود مورد نياز است. استفاده از واحدهاي چند مرحله اي در اين كرايكولرهاي مينياتوري نياز به كنترل اندازه ي دقيق تري براي فرآيند حكاكي جهت تطبيق جريان دلواه و ظرفيت تعيين شده براي مبدل ها، لوله هاي انبساز و منابع مايع دارد.
براي رسيدن به دماي ۷۷k نيتروژن خالص به عنوان مبرد در كرايكولر ژول- تامسون استفاده شده است. مراحل كار بدين صورت است كه ابتدا نيتروژن در در دماي ۳۰۰k با استفاده از فشار حدود ۱۰ تا ۲۰Mpa متراكم مي گردد كه البته خود اين نسبت فشا بالا موجب كاهش بازده تراكم و همچنين ايجاد تنش هاي مختلف زيادي بر روي اجزاي كمپرسور مي گردد. آلفيو و همكارانش (۱۹۷۳) با استفاده از يك مخلوط گازي شامل ۲۰ درصد مولي نيتروژن، ۳۰ درصد مولي متان، ۲۰ درصد مولي اتان و ۲۰ درصد مولي پروپان، موفق به رسيدن به دماي ۷۸k با استفاده از نسبت فشار ۱:۵۰ گرديدند كه با اين بازده سيستم ۱۰ تا ۱۲ مرتبه نسبت به زماني كه از نيتروژن خالص به عنوان مبرد استفاده مي شد، بهتر شده و براي دماهاي زير ۷۰K با اضافه كردن نئون، هيدروژن با هليم به مخلوط اين كار انجام شد. ليتل (۱۹۸۴) تصديق كرد كه اضافه كردن   به مخلوط نيتروژن، هيدروكربن كارآمد بوده و با استفاده از اين مبرد به دماهاي محدوده ي ۷۷k و پايين تر بدون ته نشين شدن مواد محلول كه ناشي از قابليت عالي حلاليت اين محلول است. دست يافته است. به عنوان يك نتيجه يك سري از مخلوط هاي گازي نيتروژن- هيدروكربن كه مستدلا براي استفاده امن بوده و موجب فراهم شدن بازده سيكل براي نيل به ۵۰ درصد بازده كارنو، بدون در نظر گرفتن افت ناشي از كمپرسورها. هم اكنون در دسترس مي باشند. يك مثال موجب روشن شدن اين پيشرفت مي شود. فرض كنيد نمودار مولير نشان داده شده از نمودار(۱) را براي يك مخلوط هيدروكربني شامل ۲۷ درصد متان، ۵۰ درصد اتان، ۱۳ درصد پروپان و ۱۰ درصد بوتان بر حسب واحد حجمي به عنوان مبرد در يك كرايكولر استفاده كرده ايم. يك فرآيند خفانش براي اين مخلوط گازي، كه در ابتدا در شرايط ۳۰۰k و ۴٫۵Mpa مي تواند ايده آل باشد. كه فرآيندي انتالپي ثابت است. و موجب دستيابي به دماي خروجي ۲۰۰k در فشار خروجي ۰٫۱Mpa خواهد شد. حال اگر از نيتروژن خالص گازي در همين فرآيند با همين شرايط اوليه و همين فشار نهايي استفاده مي كرديم دماي خروجي تنها ۲۹۱k خواهد بود. بنابراين، به اندازه ي يازده مرتبه ارتقاء در كاهش دما توسط مبرد قبلي بعد از فرآيند خفانش داريم. اين شاهكار تبريد در مقايسه با مورد نيتروژن خالص گازي در شرايط فشا اوليه ي ۱۲ تا ۱۵Mpa خود را به خوبي نشان مي دهد چرا كه براي مخلوط گازي تنها فشارهايي به كمي ۳ تا ۵Mpa براي نيل به همان ميزان سرمايش مورد نياز است.
شكل(۱) شماي سيكل هاي ژول تامسون(چپ) و برايتون(راست) (دو كرايكولر استفاده شده از نوع جبران كننده)
تأثير وسيع مخلوط گازي بر روي بازده هر سيكل مي تواند با سنجيدن COP سيكل تجزيه و تحليل شود. تأثير تبريد Q يك سرد كننده ي ژول تامسون كه از يك چنين مخلوطي استفاده مي كند با فرمول زير داده مي شود

عتیقه زیرخاکی گنج