TehTab.ru Инженерный справочник.
Технические таблицы
Литьё деталей до 20 кг


РАБОЧИЙ ИНСТРУМЕНТ ИНЖЕНЕРА:

  • 3D-принтеры
  • Панорамные камеры 360°
  • Power Bank 18650mAh 0-24V
  • Фен для пайки
  • Мобильный телескоп
  • Очки виртуальной реальности
  • Стильные bluetooth наушники


  • МЫ В СОЦ.СЕТЯХ:

    Навигация по справочнику TehTab.ru:  главная страница  / / Техническая информация / / Физический справочник / / Свойства криогенных материалов и сред.  / / Свойства криогенных жидкостей при криогенных температурах. Гелий, Водород, Неон, Азот, Аргон, Кислород

    Свойства криогенных жидкостей при криогенных температурах. Гелий, Водород, Неон, Азот, Аргон, Кислород

    Свойства криогенных жидкостей при криогенных температурах. Гелий, Водород, Неон, Азот, Аргон, Кислород

    Таблица 1 Температуры кипения жидких хладагентов (при нормальном давлении)

    Жидкий хладагент Гелий He Водород H2 Неон Ne Азот N2 Аргон Ar Кислород O2
    Температура кипения, К 4,224 20,28 27,108 77.36 87,29 90,188

    Таблица 2 Справочно - состав сухого атмосферного воздуха

    Компонент Объемная доля Азот, кислород, аргон, неон, криптон, ксенон – это основные продукты разделения воздуха, извлекаемые из него в промышленных масштабах методами низкотемпературной ректификации и сорбции. В таблице 1.2 приведены объемные доли различных компонентов сухого воздуха у поверхности Земли. Несмотря на большое разнообразие возможных жидких хладагентов, в научной практике в основном применяются жидкий гелий и жидкий азот. Водород и кислород чрезвычайно взрывоопасны, а жидкие инертные газы не позволяют получать достаточно низкие температуры (таблица 1). В области температур около 70-100К с успехом используется жидкий азот как безопасный и относительно дешевый хладагент (объемная доля в сухом атмосферном воздухе составляет примерно 78 % ). Для получения температур ниже 70К, как правило, используют гелий. Гелий имеет два устойчивых изотопа – 3Не и 4Не. Оба изотопа гелия инертны. Основным источником 4Не является природный газ, в котором его содержание может достигать 1-2 %. Обычно промышленной переработке для извлечения 4Не, заключающейся в последовательной очистке исходного сырья, подвергают природный газ с содержанием гелия более 0,2 %. Доля легкого изотопа 3Не в 4Не обычно составляет 10-4 – 10-5 %, поэтому 3Не получают при радиоактивном распаде трития, образующегося в ядерных реакторах. Поэтому когда говорят о гелии или жидком гелии, подразумевают 3Не, если это не оговорено особо. Жидкий гелий 3Не используется в низкотемпературных устройствах, рассчитанных на работу при температуре ниже 1К.
    Азот N2 78,09
    Кислород O2 20,95
    Аргон Ar 0,93
    Оксид углерода CO2 0,03
    Неон Ne 1810-4
    Гелий He 5,24x10-4
    Углеводороды 2,03x10-4
    Метан СН4 1,5x10-4
    Криптон Kr 1,14x10-4
    Водород H2 0,5x10-4
    Оксид азота N2O 0,5x10-4
    Ксенон Xe 0,08x10-4
    Озон O3 0,01x10-4
    Радон Rn 6,0x10-18

    Все вещества, используемые в качестве хладагентов, не имеют цвета и запаха ни в жидком, ни в газообразном состоянии. Они не обладают магнитными свойствами и при обычных условиях не проводят электрический ток. В табл. 3 приведены основные характеристики наиболее распространенных хладагентов – азота и гелия.

    Таблица 3 Физические параметры жидкого и газообразного азота и гелия

    Параметр, свойство Азот Гелий
    Температура кипения, К 77,36 4,224
    Критическая точка
    • Температура Ткр, К
    • Давление ркр, МПа
    • Плотность ρкр, кг/м3
    • 126,6
    • 3,398
    • 304
    • 5,2014
    • 0,228
    • 69,0
    Тройная точка
    • Температура Ттр, К
    • Давление ртр, кПа
    • 63,15
    • 12,53
    • λ-точка 2,172
    • λ-точка 5,073
    • 4,54
    • 808
    • 16,38
    • 124,8
    • 0,190
    • 1,97
    • 8,35
    • 5,19
    • 197,6
    • 159,6
    • 20,2
    • 2,52
    Отношение разницы энтальпий газа при Т=300К и Т=4,2К к теплоте парообразования, Δi/r 1,2 70
    • Коэф. теплопроводности λ, мВт/(м°К) пара
    • жидкости
    • 7,62
    • 136
    • 6,48
    • 27,1
    Диэлектрическая постоянная жидкости 1,434 1,049
    Газ при нормальных условиях (t= 0 °C, p=101,325кПа)
    • Плотность ρ, кг/м3
    • Уд. теплоёмкость Ср, кДж/(кг°К)
    • Коэф. теплопроводн. λ, мВт/(м°К)
    • Объем насыщенного пара из 1 л жидкости:
    • Объем газа из 1 л жидкости:
    • 1,252
    • 1,041
    • 23,96
    • 178
    • 646
    • 0,1785
    • 5,275
    • 150,1
    • 7,62
    • 700
    • Молярная масса μ,кг/моль
    • Газовая постоянная R, Дж/(кг°К)
    • Показатель адиабаты γ= Cp/C
    • 28,2
    • 296,75
    • 1,4
    • 4,003
    • 2079
    • 1,66

    Обратим внимание на ряд важных моментов: - жидкий гелий намного легче азота (плотности различаются почти в 6,5 раз); - жидкий гелий имеет очень низкую удельную теплоту парообразования r = 20,2Дж/г, в то время как для азота r = 197,6Дж/г. Это значит, что для испарения 1г азота требуется в 9,8 раз больше подводимого тепла. Учитывая большую разницу между плотностями жидкого гелия и жидкого азота, теплоты парообразования на литр различаются еще сильнее – в 63,3 раза! Как следствие, одинаковая подводимая мощность приведет к испарению существенно разных объемов жидкого гелия и жидкого азота. Нетрудно убедиться, что при подводимой мощности в 1Вт за один час испарится примерно 1,4л жидкого гелия и 0,02л жидкого азота; - путем откачки паров можно понизить температуру жидкого азота до тройной точки Ттр = 63,15К при ркр = 12,53кПа. При переходе через тройную точку жидкий азот замерзнет – перейдет в твердое состояние. При этом возможна дальнейшая откачка паров азота над кристаллом и, как следствие, понижение температуры системы. В таблице 4 приведены значения давления насыщенных паров азота в широком диапазоне температур. Тем не менее на практике, как правило, для получения более низких температур используют либо жидкий гелий, либо устройства под названием “криокулеры”.

    Таблица 4 Давление насыщенных паров азота  при криогенных температурах

    Т, К p, гПа Т, К p, МПа
    над кристаллом над жидкостью
    20,0 1,44×10-10 63,15 * 0,0125*
    21,2 1,47×10-10 64 0,0146
    21,6 3,06×10-10 66 0,0206
    22,0 6,13×10-10 68 0,0285
    22,5 1,59×10-9 70 0,0386
    23,0 3,33×10-9 72 0,0513
    24,0 1,73×10-8 74 0,0670
    25,0 6,66×10-8 76 0,0762
    26,0 2,53×10-7 77,36** 0,1013**
    26,4 4,26×10-7 80 0,1371
    30,0 3,94×10-5 82 0,1697
    37,4 1,17×10-2 84 0,2079
    40,0 6,39×10-2 86 0,2520
    43,5 1,40×10-1 88 0,3028
    49,6 3,49 90 0,3608
    52,0 7,59 92 0,4265
    54,0 13,59 94 0,5006
    56,0 23,46 96 0,5836
    58,0 39,19 98 0,6761
    60,0 69,92 100 0,7788
    62,0 98,11 102 0,8923
    104 1,0172
    106 1,1541
    108 1,3038
    110 1,4669
    116 2,0442
    120 2,5114
    124 3,0564
    126,2 *** 3,4000***

    Примечание: * - тройная точка; ** - точка нормального кипения; *** - критическая точка

    Таблица 5 Давление насыщенных паров гелия  при криогенных температурах

    Гелий-4 Гелий-3
    Т, К p, гПа Т, К p, МПа
    0,1 5,57×10-32 0,2 0,016×10-3
    0,2 10,83×10-16 0,3 0,00250
    0,3 4,51×10-10 0,4 0,03748
    0,4 3,59×10-7 0,5 0,21225
    0,5 21,8×10-6 0,6 0,72581
    0,6 37,5×10-5 0,7 1,84118
    0,7 30,38×10-4 0,8 3,85567
    0,8 15,259×10-3 0,9 7,07140
    0,9 55,437×10-3 1,0 11,788
    1,0 0,1599 1,1 18,298
    1,5 4,798 1,2 26,882
    2,0 31,687 1,3 37,810
    2,177* 50,36* 1,4 51,350
    2,5 103,315 1,5 67,757
    3,0 242,74 1,6 87,282
    3,5 474,42 1,8 136,675
    4,0 821,98 2,0 201,466
    4,215** 1013,25** 2,2 283,540
    4,5 1310,6 2,4 384,785
    5,0 1971,2 2,6 507,134
    5,2*** 2274,7*** 2,8 652,677
    3,0 823,806
    3,195** 1013,25**
    3,3 1135,11
    3,324 1165,22

    Примечание: * - λ-точка; ** - точка нормального кипения; *** - критическая точка

    Таблица 6 Плотность жидких хладагентов азота и гелия при различных криогенных температурах

    Гелий-4 Азот
    Т, К ρ, кг/м3 Т, К ρ, кг/м3
    1,2 145,47 63,15 868,1
    1,4 145,50 70 839,6
    1,6 145,57 77,35 807,8
    1,8 145,72 80 795,5
    2,0 145,99 90 746,3
    2,177 146,2 100 690,6
    2,2 146,1 110 622,7
    2,4 145,3 120 524,1
    2,6 144,2 126,25 295,2
    2,8 142,8
    3,0 141,1
    3,2 139,3
    3,4 137,2
    3,6 134,8
    3,8 132,1
    4,0 129,0
    4,215 125,4
    4,4 121,3
    4,6 116,3
    4,8 110,1
    5,0 101,1
    5,201 69,64

    Температуру жидкого гелия можно также понизить с помощью откачки, причем температура жидкости однозначно соответствует давлению пара (таблица 5). Например, давлению p=16Па соответствует температура Т = 1,0К. Необходимо помнить, что гелий имеет не тройную, а λ-точку (при Т = 2,172К) – переход в сверхтекучую фазу. При наличии оптического криостата переход через λ-точку нетрудно обнаружить визуально по прекращению объемного кипения жидкого гелия. Это связано с резким увеличением теплопроводности жидкости – от 24мВт/(м°К) до 86 кВт/(м°К). При понижении температуры кипения хладагентов (с помощью откачки паров) увеличивается плотность жидкости (см. табл. 6). Этот эффект может быть существен для корректного термометрирования, так как холодный, а значит более тяжелый гелий или азот будут опускаться на дно сосуда. Стоимость жидкого гелия в несколько раз превышает стоимость жидкого азота (примерное соотношение между рыночными ценами жидкого гелия и жидкого азота – 20:1). Поэтому при охлаждении криогенных устройств требуется разумное сочетание использования жидкого азота для предварительного охлаждения и жидкого гелия. Также существенную роль играет использование для охлаждения возвратного потока испарившегося газообразного гелия. На это указывает большая величина отношений энтальпий газа при Т = 300К и Т = 4,2К к теплоте парообразования прим.=70. То есть на нагрев газообразного гелия от 4,2К до 300К потребуется в 70 раз больше теплоты, чем на испарение жидкого гелия.

    Таблица 7 Удельная теплоемкость некоторых материалов криогенной техники, Дж/(г°К)

    Т, К Алюминий Медь М1 Латунь Нержавеющая сталь 12Х18Н10Т
    10 0,014 0,00122 0,0040 -
    20 0,010 0,00669 0,0201 0,0113
    40 0,0775 0,0680 0,0795 0,0560
    60 0,214 0,125 0,167 0,105
    80 0,357 0,190 0,234 0,202
    100 0,481 0,260 0,280 0,262
    120 0,580 0,280 0,310 0,305
    140 0,654 0,300 0,335 0,348
    160 0,718 0,320 0,351 0,378
    180 0,760 0,340 0,368 0,397
    200 0,797 0,357 0,372 0,417
    220 0,826 0,363 0,381 0,432
    260 0,869 0,375 0,385 0,465
    300 0,902 - 0,385 -

    Таблица 8 Расход хладагента на охлаждение различных металлов криогенной техники

    Хладагент Температура металла, К Расход хладагента, л на 1 кг металла
    Алюминий Нержавеющая сталь Медь
    При использовании теплоты парообразования
    Не 300 до 4,2 64,0 30,4 28,0
    77 до 4,2 3,2 1,44 2,16
    N2 300 до 77 1,0 0,53 0,46
    При использовании теплоты парообразования и холода пара
    Не 300 до 4.2 1,60 0,80 0,80
    77 до 4,2 0,24 0,11 0,16
    N2 300 до 77 0,64 0,34 0,29

    На практике получается промежуточный результат, причем он зависит как от конструкции криостата, так и от мастерства экспериментатора. Наконец, если криостат предварительно охлаждается жидким азотом, то количество гелия, необходимого для заливки криостата, сокращается примерно в 20 раз. Это объясняется тем, что теплоемкость твердых тел в интересующем нас диапазоне температур изменяется приблизительно, как Т3 Поэтому при предварительном охлаждении экономится большое количество гелия. Хотя одновременно, конечно же, увеличивается расход жидкого азота. При использовании жидкого азота для промежуточного охлаждения и ,вообще, при работе с жидким азотом следует иметь в виду следующее. В процессе наполнения жидким азотом теплого сосуда сначала имеет место бурное кипение, наблюдается разбрызгивание жидкости (в открытых сосудах) или быстрый рост давления в закрытых сосудах. Затем, по мере охлаждения сосуда или объекта, кипение становится менее бурным. На этой стадии заполнения поверхность сосуда отделена от жидкости слоем газа, теплопроводность которого в 4,5 раза меньше теплопроводности жидкости. Если продолжать переливание жидкости, слой газа и поверхность под ним будут постепенно охлаждаться, пока газовая пленка не исчезнет и основная масса жидкости не придет в соприкосновение с поверхностью сосуда. При этом начинается второй период быстрого выкипания. И снова может иметь место разбрызгивание жидкости и быстрое повышение давления. Следует отметить, что белые клубы пара, которые часто можно видеть при переливании жидкого азота или гелия, представляют собой сконденсировавшуюся из атмосферы влагу, а не газообразные азот или гелий, так как последние бесцветны.



    Дополнительная информация от TehTab.ru:
  • Вы сейчас здесь: Свойства криогенных жидкостей при криогенных температурах. Гелий, Водород, Неон, Азот, Аргон, Кислород
  • Физические свойства газов, используемых в криогенной технике. Воздух, Аргон, СО2, Этилен, Гелий, Водород, метан, Азот, Оксид азота N20, Кислород, SF6 - гексафторид серы

  • ↓Поиск на сайте TehTab.ru - Введите свой запрос в форму

    ↑Поиск на сайте TehTab.ru - Введите свой запрос в форму

    Нашли ошибку? Есть дополнения? Напишите нам об этом, указав ссылку на страницу.