Un refrigerador diseñado para alcanzar temperaturas criogénicas (por debajo de 120 K, -153 °C, -243,4 °F) a menudo se llama refrigerador criogénico . El término se usa con más frecuencia para sistemas más pequeños, generalmente del tamaño de una mesa, 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 utilizan para enfriar los imanes superconductores en los aceleradores de partículas, se denominan más a menudo refrigeradores criogénicos. Sus potencias de entrada pueden ser de hasta 1 MW. En la mayoría de los casos, los refrigeradores criogénicos utilizan un fluido criogénico como sustancia de trabajo y emplean partes móviles para hacer circular el fluido en un ciclo termodinámico. El fluido normalmente 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. Luego, el ciclo se repite.
Los intercambiadores de calor son componentes importantes de todos los refrigeradores criogénicos. 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 genera pérdidas .
Un componente importante de los refrigeradores que funcionan con flujos oscilatorios es el regenerador. Un regenerador consiste en una matriz de un material sólido poroso, como partículas granulares o tamices metálicos, a través de la cual fluye gas de un lado a otro. Periódicamente, el calor se almacena y se libera mediante el material. 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 generalmente se realizan modelos simplificadores. En su forma más extrema, un regenerador ideal tiene las siguientes propiedades:
Los avances en el campo de los refrigeradores criogénicos en las últimas décadas se deben en gran parte al desarrollo de nuevos materiales con una capacidad térmica elevada, por debajo de los 10 K. [1]
El tipo básico de enfriador tipo Stirling se muestra en la figura 1. Consta de (de izquierda a derecha):
A la izquierda y a la derecha, se supone que el contacto térmico con el entorno a las temperaturas T a 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. Por lo general, el fluido de trabajo es helio .
El ciclo de enfriamiento se divide en 4 pasos, como se muestra en la figura 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 describió anteriormente. Por lo general, los movimientos de ambos pistones son impulsados por un eje rotatorio común 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 enfriamiento y la potencia de entrada) es igual al COP de Carnot dado por T L /( T a − T L ).
No es tan práctico tener un pistón frío, como se describió 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 de ida y vuelta entre el extremo cálido y el extremo frío del cabezal frío a través del regenerador. No se requiere trabajo para mover el desplazador ya que, idealmente, no hay caída de presión sobre él. Por lo general, 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 refrigerador 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 refrigerador funciona a una frecuencia cercana a la frecuencia de resonancia del sistema de masa-resorte del dedo frío.
Los enfriadores Gifford - McMahon (GM) [2] han encontrado una aplicación generalizada en muchos sistemas de baja temperatura, por ejemplo, en MRI y bombas criogénicas. La figura 5 es un diagrama esquemático. El helio a presiones en el rango de 10 a 30 bares (150 a 440 psi) es el fluido de trabajo. El cabezal frío 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 tienen lugar procesos irreversibles, por lo que los enfriadores GM tienen pérdidas intrínsecas. Esta es una clara desventaja de este tipo de enfriador. La ventaja es 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 el ciclo del cabezal frío es de 1 Hz. De esta manera, el volumen barrido del compresor puede ser 50 o 60 veces menor que el del enfriador. Básicamente se pueden utilizar compresores (baratos) de refrigeradores domésticos, pero se debe 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, con Fig.6, como sigue:
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 (es decir, en la región fría). Todo el gas está a temperatura ambiente.
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 (postenfriador) donde se libera calor a temperatura ambiente ( T a ) al medio ambiente; un regenerador; un intercambiador de calor X L a baja temperatura ( T L ) donde se absorbe 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 de flujo (orificio); un volumen tampón, 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 lo denomina enfriador Linde-Hampson. Es un tipo simple de enfriador que se aplica ampliamente como enfriador criogénico o como la etapa final de los refrigerantes. Se puede miniaturizar fácilmente, pero también se usa a gran escala en la licuefacción de gas natural. En la figura 8 se muestra un diagrama esquemático de un licuefactor JT. Consta de un compresor, un intercambiador de calor de contraflujo, una válvula JT y un depósito.
En la Fig.8 las presiones y temperaturas se refieren al caso de un licuefactor de nitrógeno. En la entrada del compresor el gas está a temperatura ambiente (300 K) y 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 (2.900 psi) (punto b). A continuación entra en el lado caliente (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 estacionario se aporta gas para compensar la fracción líquida x que se ha eliminado.
Cuando se utiliza como refrigerador criogénico, es preferible utilizar mezclas de gases en lugar de nitrógeno puro. De esta manera, se mejora la eficiencia y la alta presión es mucho menor que 200 bares.
Se puede encontrar una descripción más detallada de los enfriadores Joule-Thomson y refrigeradores Joule-Thomson en. [3]
Los refrigeradores criogénicos son una tecnología clave para aplicaciones de detección infrarroja y superconductividad aplicada . [4] Las aplicaciones incluyen la electrónica superconductora y la computación cuántica . Se han desarrollado refrigeradores criogénicos compactos para detectores de fotones superconductores . [5]
Este artículo incorpora material de dominio público del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología.