Un refrigerador diseñado para alcanzar temperaturas criogénicas (por debajo de 120 K, -153 °C, -243,4 °F) a menudo se denomina crioenfriador . El término se utiliza con mayor frecuencia para sistemas más pequeños, normalmente de tamaño de mesa, con potencias de entrada inferiores a unos 20 kW. Algunos pueden tener potencias de entrada tan bajas como 2 a 3 W. Los sistemas grandes, como los utilizados para enfriar los imanes superconductores en los aceleradores de partículas, se denominan más a menudo refrigeradores criogénicos. Sus potencias de entrada pueden llegar a 1 MW. En la mayoría de los casos, los crioenfriadores utilizan un fluido criogénico como sustancia de trabajo y emplean piezas móviles para hacer circular el fluido alrededor de un ciclo termodinámico. El fluido generalmente se comprime a temperatura ambiente, se preenfría en un intercambiador de calor y luego se expande a una temperatura baja. El fluido de baja presión que regresa pasa a través del intercambiador de calor para preenfriar el fluido de alta presión antes de ingresar a la entrada del compresor. A continuación se repite el ciclo.
Los intercambiadores de calor son componentes importantes de todos los crioenfriadores. Los intercambiadores de calor ideales no tienen resistencia al flujo y la temperatura del gas de salida es la misma que la temperatura corporal (fija) T X del intercambiador de calor. Tenga en cuenta que incluso un intercambiador de calor perfecto no afectará la temperatura de entrada Ti del gas . Esto conduce a pérdidas.
Un componente importante de los refrigeradores que funcionan con flujos oscilatorios es el regenerador. Un regenerador consta de una matriz de un material sólido poroso, como partículas granulares o tamices metálicos, a través de la cual el gas fluye hacia adelante y hacia atrás. Periódicamente el material almacena y libera calor. El contacto térmico con el gas debe ser bueno y la resistencia al flujo de la matriz debe ser baja. Estos son requisitos contradictorios. Las propiedades termodinámicas e hidrodinámicas de los regeneradores son complicadas, por lo que normalmente se elaboran modelos simplificados. En su forma más extrema un regenerador ideal tiene las siguientes propiedades:
El progreso en el campo de los refrigeradores criogénicos en las últimas décadas se debe en gran parte al desarrollo de nuevos materiales con una alta capacidad calorífica por debajo de 10 K. [1]
El tipo básico de enfriador tipo Stirling se muestra en la Fig.1. Consta de (de izquierda a derecha):
A izquierda y derecha se supone que el contacto térmico con el entorno a las temperaturas Ta y T L es perfecto, de modo que la compresión y la expansión son isotérmicas . El trabajo realizado durante la expansión se utiliza para reducir la potencia total de entrada. Generalmente el helio es el fluido de trabajo.
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:
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 describe anteriormente. Por lo general, los movimientos de ambos pistones son impulsados por ejes giratorios comunes que hacen 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 TL /( T a − T L ).
No es tan práctico tener un pistón frío, como se describe anteriormente, por lo que, en muchos casos, se utiliza un desplazador en lugar del pistón frío. Un desplazador es un cuerpo sólido que se mueve hacia adelante y hacia atrás en el cabezal frío impulsando el gas hacia adelante y hacia atrás entre el extremo cálido y frío del cabezal frío a través del regenerador. No se requiere trabajo para mover el desplazador ya que lo ideal es que no haya 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. Por lo general, hay dos pistones que se mueven en direcciones opuestas impulsados por campos magnéticos de CA (como en los altavoces). Los pistones pueden estar suspendidos mediante los llamados cojinetes de flexión. Proporcionan rigidez en la dirección radial y flexibilidad en la dirección axial. Los pistones y la carcasa del compresor no se tocan, por lo que no se necesitan lubricantes y no hay desgaste. El regenerador en el 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.
Los refrigeradores Gifford- McMahon (GM) [2] han encontrado una amplia aplicación en muchos sistemas de baja temperatura, por ejemplo en resonancias magnéticas y bombas criogénicas. La figura 5 es un diagrama esquemático. El fluido de trabajo es el helio a presiones en el rango de 10 a 30 bares (150 a 440 psi). La cabeza fría contiene un espacio de compresión y expansión, un regenerador y un desplazador. Por lo general, 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 giratoria. 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 refrigeradores GM tienen pérdidas intrínsecas. Esta es una clara desventaja de este tipo de refrigeradores. La ventaja es que las frecuencias de ciclo del compresor y el desplazador están desacopladas para que el compresor pueda funcionar a la frecuencia de la línea eléctrica (50 o 60 Hz) mientras que el ciclo del cabezal frío es de 1 Hz. De esta forma el volumen barrido del compresor puede ser 50 o 60 veces menor que el del refrigerador. Básicamente se pueden utilizar compresores (baratos) de refrigeradores domésticos, pero hay que evitar el sobrecalentamiento del compresor, ya que no está diseñado para helio. También se debe evitar que el vapor de aceite entre en el regenerador mediante trampas de purificación de alta calidad.
El ciclo se puede dividir en cuatro pasos, como se muestra en la Fig.6, de la siguiente manera:
El ciclo comienza con la válvula de baja presión (LP) cerrada, la válvula de alta presión (HP) abierta y el desplazador completamente hacia la derecha (en la región fría). Todo el gas está a temperatura ambiente.
En la figura 7 se representa esquemáticamente un PTR de orificio único denominado tipo Stirling. De izquierda a derecha consta de: un pistón que se mueve hacia adelante y hacia atrás; un intercambiador de calor X1 ( postenfriador ) donde se libera calor a temperatura ambiente ( Ta ) 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 X3 a temperatura ambiente ( Ta ); una resistencia al flujo (orificio); un volumen de amortiguación, en el que la presión p B es prácticamente constante.
El enfriador Joule-Thomson (JT) fue inventado por Carl von Linde y William Hampson, por lo que también se le llama enfriador Linde-Hampson. Es un tipo simple de enfriador que se aplica ampliamente como crioenfriador o como etapa final de refrigerantes. Puede miniaturizarse fácilmente, pero también se utiliza a muy gran escala en la licuación de gas natural. En la figura 8 se muestra un diagrama esquemático de un licuador JT. Consta de un compresor, un intercambiador de calor a contraflujo, una válvula JT y un depósito.
En la Fig.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 a una presión de 1 bar (punto a). El calor de compresión se elimina mediante agua de refrigeración. Después de la compresión, la temperatura del gas es la temperatura ambiente (300 K) y la presión es de 200 bares (2900 psi) (punto b). Luego ingresa al lado cálido (alta presión) del intercambiador de calor de contraflujo donde se preenfría. Sale del intercambiador en el punto c. Después de la expansión JT, 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 en el fondo del depósito (punto e) y el gas (fracción 1 - x ) fluye hacia el lado frío (baja presión) del intercambiador de calor de contraflujo (punto f). Sale del intercambiador de calor a temperatura ambiente (punto a). Para mantener el sistema en estado estable, se suministra gas para compensar la fracción líquida x que se ha eliminado.
Cuando se utiliza como crioenfriador, es preferible utilizar mezclas de gases en lugar de nitrógeno puro. De esta forma se mejora la eficiencia y la alta presión es muy inferior a 200 bar.
Puede encontrar una descripción más detallada de los refrigeradores y refrigeradores Joule-Thomson en. [3]
Los crioenfriadores son una tecnología clave para aplicaciones de detección de infrarrojos y superconductividad aplicada . [4] Las aplicaciones incluyen la electrónica superconductora y la computación cuántica . Se han desarrollado crioenfriadores compactos para detectores de fotones superconductores . [5]
Este artículo incorpora material de dominio público del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología.