Boud Очень интересно, правда Но мне кажется что проще сделать каскад. По крайней мере в настройке и запрвке он уж точно проще

Каждый компонент смеси обеспечивает при своей температуре область "пар-жидкость", т.е. фазовый переход. В итоге смесь кипит в широком диапазоне температур



Это понятно, но вот объясните мне неразумному, каким образом такая смесь конденсируется? С высоко и среднетемпературными компонентами все ясно, они банально сконденсируются в конденсоре. А как быть с низкотемпературными ингридиентами?

Sladky
Здесь дело видимо в том, что при постоянном давлении конденсация смесей происходит с понижением температуры, в отличии от чистых веществ, конденсирующихся при постоянной температуре. А вообще - ждем Boud, он все нам объяснит

В общих словах объясняю:
Необходимо криостатировать объект на уровне ( к примеру) -100°С. Без регенерации или каскадирования не обойтись, т.к. дроссель эффект больше 50К не дает ( а чаще всего он дает 10-15К). Поэтому используется теплообменник, понижающий температуру прямого потока ( прямой поток - высокое давление, обратный - низкое). При работе на чистых веществах теплообменник мало эффективен, т.к. у обратного потока просто не хватит холода ( не забывайте там идет пар) для охлаждения пара и жидкости прямого потока. К тому же неизбежная разница в теплоемкостях чистых веществ приводит к тому, что теплообменник дает лишь небольшой выигрыш в температуре.
Теперь рассмотрим систему на смесях.
После конденсатора смесь уже находится в состоянии "пар-жидкость", т.к. высококипящие компоненты уже сконденсировались, далее она поступает в теплообменник (ТО). Сперва ТО теплый, т.к. обратного потока еще нет. После ТО смесь дросселируется с понижением температуры на 10-20К. Тут уже конденсируется среднекипящий компонент. Теперь в обратном потоке идет как высококипящий, так и среднекипящий компоненты в виде жидкости и низкокипящий в виде пара. Охлаждая прямой поток добиваемся конденсации среднекипящего, в то время как по обратному течет уже низкокипящий... И температура уже близка к -100°С... Так как смесь кипит и конденсируется по всей длине теплообменника ( не считая самого теплого участка), понижение теплообменником температуры значительно. Наш тестовый стенд ( специально для анализа процессов теплообмена при работе на смесях) имеет ТО длиной 4м, свитый в двойную пружину так, что по габаритам не превышает D80мм и H120мм, но он снижает температуру смеси от +25 до -140°С. Итак, вывод.

Основная идея:
В обратном потоке жидкости ( на низких и средних температурах) всегда больше нежели в прямом, т.е. парадоксальная на первый взгляд вещь - теплоемкость потока с низким давлением выше чем с высоким. Именно это свойство смеси позволяет очень эффективно использовать теплообменные аппараты.
Я как окажусь дома, покажу график распределения температур по длине ТО, снятый на экспериментальном стенде на смеси углеводородов.

Boud Я плохо шарю по смесям Объясни плиз, какие примерно мощности компрессоров требуются для отвода 200Ватт тепла при -100С ? Каких габаритов будет такая установка? Насколько сложно ее собрать/настроить?

Добавлено спустя 3 минуты, 17 секунд:
Просто сравниваю с банальным каскадом. Там 2 компрессора и относительно простая заправка/настройка. Мощности компрессоров:
среднетемпературный контур: примерно 450Ватт
низкотемпературный контур: примерно 300Ватт

Итого, мы имеем установку с энергопотреблением от сети примерно 300-400 Ватт и хладопроизводительностью 200Ватт (при -100С).

Boud

Я сначала так и подумал, про разделение потоков и дополнительные теплообменники, но прикнул,
если три компонента в хладагенте (низко, средне и высокотемпературный), значит два разделителя потоков, два дополнительных теплообменника, значит и габариты немаленькие, плюс на таких температурах скорее всего сепаратор масла. В итоге - засунуть это в miditower очень тяжело

Хотя если размеры ТОА будут 120x80 мм, то пытаться можно ...

Кстати, слышал что есть установки на смесях и с циклом простого дроссселирования, типа следующий этап развития системы на смесях, описанной выше. Думал, что ты что-то подобное реализуешь на практике ...

И сколько примерно будет холодильный коээфициент установки на -100 С ?

Boud Насколько я понимаю, РАБОТАТЬ на охлаждение конечного испарителя будет только самый низкотемпературный фреон (допустим, при -100). А компрессору нужно качать их все. То есть мощность компрессора должна быть как минимум в 4-5 раз больше чем для одного газа с такой же холодопроизводительностью при -100С.

Я прав?

Добавлено спустя 10 минут, 53 секунды:
pyzan Так понимаю, что-то типа автокаскада?

Да нет там никакого автокаскада, нет. И дросселирование лишь одно идет. Схема абсолютно аналогична той, что имеется у Sladky, но добавлен теплообменник. ( это для сверхнизких температур). Для обычных даже теплообменник не нужен. Пойми, мы всего лишь расширяем область "пар-жидкость" в несколько (десятков) раз. Но из-за ограниченности дроссель эффекта приходится добавлять теплообменник. ( я тут все с ног на голову перевернул, на самом деле мы сперва добавляем ТО, и только потом из-за необходимости расширения области "П-Ж" переходим к смесям.

В целом для -100°C фактор Карно ( эксергетическая температура) будет равен 0.7. Работа компрессора зависит от степени сжатия и, в современных установках, невелика ( по максимуму 3.5 - 4), соответственно работа компрессора будет равна ( считаем по идеальному варианту для смеси углеводородов 30 г/моль) 165 кДж/кг или 5кДж/моль ( КПД компрессора взят 0.7). C одного моля хладагента мы можем снять 1500 Дж холода ( это легко посчитать, но сложно объяснить без графиков), поэтому в секунду нам необходимо будет расходовать 0.14 моля смеси или, переходя на компрессор, 650 Дж. Т.е. мощность компрессора ( потребялемая из сети) составит 650 Вт. В то время как в случае с каскадами 750 Вт.
Холодильный же коэфициент, как нетрудно посчитать составит 0.3 В то время как эксергетический будет равен 0.45

При более высокой температуре испарителя ( в районе -10°С) эксергетический КПД не изменится, но фактор карно будет равен 0.154 и, соответственно, холодильный коэфициент будет равен уже трем, т.е. для снятия 200 Вт потребуется всего лишь 66 Вт на компрессоре. Именно поэтому я хочу начать с высоких температур. Компрессор можно будет использовать самый малый, в то время как КПД в 45% меня вполне пока устраивает.

Sladky, ты, конечно, отчасти прав. Криостатирование испарителя под нагрузкой будет обеспечивать в основном низкокипящий компонент ( для высококипящих это область жидкости), но охлаждение этого компонента до рабочей температуры ложится на плечи именно высококипящих компонентов.Другое дело, что тут ты можешь избежать одного-двух дополнительных компрессоров, теплообменников и серьезно выиграть в надежности, КПД и стоимости системы.

pyzan, теплообменник только один, никакого разделения потоков нет и в помине.
На пальцах показываю. Смешали спирт с водой Теперь что будет происходить при повышении температуры? Спирт из жидкости начнет испаряться, т.к. он низкокипящий компонент, смесь закипит. Постепенно, в то время как часть спирта все еще в виде жидкости, начнет закипать и интенсивно испаряться вода. Если мы будем лить смесь по трубе, которую начнем подогревать, то по длине трубы как температура, так и состав смеси будет разный. В начале смесь спирта с водой, потом почти одна вода, потом лишь пар.
НО! Теплоемкость этой смеси на всем диапазоне температур с момента закипания спирта до момента выкипания воды будет очень высока.

Теперь гоним в другую сторону.
Давление у нас высокое и вода уже практически вся перешла в жидкое состояние, в то время как пары спирта все еще летают. Припаяем трубу по которой будем гнать эту смесь, противотоком к первой, рассмотренной ранее. Т.е. наиболее теплый конец трубы низкого давления будет соседствовать с наиболее теплым концом трубы высокого и наоборот. Температура по длине трубы падает, но вода-то уже сконденсировалась, на прямом потоке в трубе лишь пары спирта... Их сконденсировать гораздо проще. Поэтому на выходе из трубы прямого потока имеем смесь лишь незначительная часть которой пребывает в парообразном состоянии. Все остальное уже сконденсировано.
Один теплообменник позволяет решить вопрос с низкими температурами. Другое дело что есть места ( как например здесь самое теплое), где на обратном потоке лишь пар, который не может полноценно сконденсировать жидкость, поэтому иногда один теплообменник разбивают на два, каждый из которых наиболее эффективен в своем диапазоне температур. У меня в маткаде моя дипломная работа по расчету теплообменников, так там 60 страниц убористых трехэтажных формул, таблиц, графиков... Пока ТО я ставить все равно даже не собираюсь.

Boud
Если не секрет, какой компрессор использовался для этой установки?

Ну и пару рисуночков как всё работает было бы очень полезно, лично для меня это всё очень необычно и интересно

Ладно, рисунки выложу, это не проблема.
Установка охлаждает 1л воды с +30 до -40 за 27мин ( при норме в 30). Компрессор потребляет 7-9 кВт ( в зависимости от нагрузки) и дает 8м^3 описаного объема.

Добавлено спустя 1 минуту, 34 секунды:
Там три патента и промышленная тайна, т.ч. про установку больше не стану рассказывать

Boud
Нда...явно в корпус не влезет

Для меня важнее всего возможность изготовить систему в домашних условиях...Ну теплообменники допустим можно спаять, а как быть с фреонами? Ну этилен у меня есть, метан, бутан...аргон достану...Р23- 900баксов за 2 кг-многовато для хобби.. Об Р13 и Р14 вообще сложно говорить.. Изопентан, Р245фа- даже не слышал о таком
Что и как можно сделать "на коленке"? Или вообще не реально?

Boud

вроде я более менее принцип понял теперь, но только вот пара вопросов:

1) С какой температурой (примерно) выходит прямой поток из теплообменника (ну или почти равноценный вопрос - с какой температурой входит обратный поток в теплообменник).

2) Если я правильно понял, то при условии работы на низкой температуре (на испарителе) высокотемпературные компоненты мы гоняем в цикле в основном для того, чтобы сконденсировать и охладить смесь перед дросселированием ?

P. S.
И еще, вроде бы описанный объем имеет размерность "объем/время" ?

Мне достать любой из этих агентов не то чтобы элементарно, но на уровне как сходить в магазин за хлебушком - до склада дойти - заправить.... Выложил картинки, теперь объяснять буду.

Добавлено спустя 4 минуты, 22 секунды:
Итак, по адресу http://people.overclockers.ru/Boud/gallery лежат веселые картинки. Задавайте вопросы по ним, а я пока слегка обобщу.
Некоторые картинки отсканены с лекций, поэтому качество невысоко.

Добавлено спустя 1 минуту, 49 секунд:
Первым делом - схема цикла Линде - великого и могучего цикла, на котором три четверти криогеники держится. То же что и обычная компрессионная установка но с добавлением рекуперативного теплообменника.

Добавлено спустя 2 минуты, 10 секунд:
Еслу указал где описаный объем, то обязательно в [м^3 / час]

Boud
Все узнаваемо, но

В каких осях и что такое "избыточная", то есть по сравнению с чем избыточная ? С циклом Линде, но на чистом веществе ?

Это для смеси ? али еще для чего ?

P.S. Кстати, а ты чего оканчивал, если не секрет ? и давно ли ?

P.P.S. Пора спать уже

Температуры потоков таковы - прямой поток :
вход - Тос
выход - рассчитывается из уравнений теплового баланса. Должна быть ниже чем сумма [Ткипения+Дроссель эффект]

обратный поток
вход - Ткипения + 3-5К ( зависит от смеси, если высококипящих компонентов порядочно, то и dt будет чуть побольше)
выход - Toc - 10-15K ( т.н. температура недорекуперации)

Эти температуры можно видеть на графиках циклов в TS диаграммах.

P.S. Steff, каких температур тебе нужно достичь и сколько теплоты отводить? Те фреоны и УВ которыя я привел для примера - чересчур оптимальны и обычно обходятся тем что есть под рукой ( или чего в избытке), теряя пять-десять процентов производительности.

Тривиально считается смесь так - выбираются температуры окружающей среды и криостатирования. Из двух этих температур и предполагаемого давления после дросселя выбирается низкокипящий ( основной) и высококипящий компоненты. Далее смотришь по свойствам перекрываются ли их зоны "пар-жидкость", ну или сам думаешь есть ли у тебя что-то что можно залить в промежуток между компонентами. Обычно хватает двух-трех компонентов.
Далее проводишь предварительный подсчет свойств смеси - на листе рисуешь "избыточную холодопроизводительность", далее ИХП для каждого компонента в масштабе относительно доли каждого из них, затем складываешь результат чертежа - будет ОЧЕНЬ ПРИБЛИЗИТЕЛЬНАЯ картинка для характеристик смеси.
Пример: У тебя есть бутан, пропан и метан с ацителеном. Без программы под рукой точные данные по компонентам я сказать не могу, но, как помню, бутан будет самым высококипящим компонентом, а самыми низкокипящими будут аргон и метан. До аргоновых температур система, ясное дело, не дойдёт, поэтому аргона нужно совсем чуть, лишь чтобы совсем все на забилось и скорость движения потока не упала. Значит, основной компонент - метан - берешь его сразу же 0.5 от объема, не меньше - "именно он придаст силу и здоровый блеск шерсти", далее добавляем 0.3 пропана и 0.2 бутана, т.к. не знаем точных данных по смеси ( ну или как вариант - считаем смесь и заправляем довольно точно). Теперь смесь практически готова и только дальнейшие эксперименты помогут точно установить чего в системе мало, а чего много. ( помнится я пол дня катал баллоны с пропаном, метаном и аргоном от установки к рампе и обратно, никак не могли смесь подобрать).
Но тут ОЧЕНЬ важны две вещи -
сразу же после конденсатора должна идти жидкость. Хоть немного, но должна. В области пара мы многого не добъемся ( посмотри график по ИХП, видишь точку где закрывается горло? Это примерно 320К. Стоит нам попасть чуть правее на выходе из конденсатора и больше 500 Дж/моль нам не светит, в то время, как попав лишь на 10К левее мы имеем уже 1500 - 1600 Дж/моль.
Вотрая вещь - масляный сепаратор. Он должен сепарировать горячий поток, пока тот еще не начал конденсироваться, иначе вместе с маслом отфильтруем и весь высококипящий компонент Вот это действительно большая сложность в низкотемпературных установках.
Возможно описал процесс сумбурно, но не стесняйся спрашивать, объясню всё что сам знаю.

Добавлено спустя 6 минут, 55 секунд:
График для очень неплохой смеси углеводородов, из него строится график изб. холодопроизводительности, т.е. насколько можно понизить температуру дросселированием в каждой точке теплообменника. Соответственно на графике ИХП берутся точки Тос и То. Проводим горизонтальные линии через эти точки и берем минимальную. Вот эта линия и будет указывать на количество "избыточной" холодопроизводительности, т.е. холод,который можно отнять у системы чтобы не вывести ее из стабильного режима. Это жаргон такой.

Всё, спать действительно пора. Все остальные ответы - завтра будут.
Я еще учусь. Получаю степень магистра на кафедре Техники и Физики низких температур в Московском Энергетическом Институте.

Это в идеале, на практике будет градусов на 10-15 больше (при воздушном конденсаторе)

Boud Спасибо за детальные разьяснения, я ещё во всём не разобрался, продолжаю изучать. Может знаеш какие то интернет ресурсы по данному вопросу?

Минус 100С и ниже при 100-150Ватт тепла.
Условие- использовать только герметичные компрессоры(причём не трёхфазные).

Самый простой способ это конечно классический каскад, 3 контура: пропан-этилен-метан и будет -130-150С на испарителе..Для отвода 200ватт пришлось бы возможно поизвращатся-на первый контур ставить 2 компрессора..
Теперь автокаскад- используя лиш пропан-этилен реально получить -80-90С если подобрать компрессор помощнее..
А вот реально ли получить -100С используя смеси и обычный компрессор?

Boud

Еще несколько вопросов:

1) Сколько будет длится процесс захолаживания (выхода на нормальный режим работы) установки до температуры -100 С.

2) Как ведет себя установка на смесях в условиях переменности тепловой нагрузки (каковой, собствено, и является нагрузка от процессора)

3) Как обстоит дело с регулированием и автоматизацией установки ?

steff, каких-то особенных ресурсов по этой теме нет, слишком много нового. К примеру, точно процесс теплообмена до сих пор не изучен, что не мешает пользоваться преимуществами смесей на практике. Лично у меня на полке лежит одна метода по расчету установок на смесях, но там лишь базовые понятия и формулы.
Наша установка мощностью 7 кВт ( используется однофазный спиральный компрессор) выдает 1100 - 1200 Вт холода, на уровне -90 - 110°С ,поэтому с уверенностью можно утверждать, что для 150 Вт будет достаточно 0.8 - 1.5 кВт потребялемой мощности ( тут требуется более детальные подсчеты), где-то выше я уже считал что-то похожее, но там был взят 0.7 КПД компрессора и получилось 650 Вт, учитывая неизбежные потери, более низкий КПД, неидеальность смеси можно накинуть еще 100-200 Вт. Как результат порядка 800-900 Вт.
pyzan, все зависит от того что охлаждаешь. Процессор, испаритель и изоляция выйдут на режим достаточно быстро, за пол-часа, час - максимум. Захолодить сто килограммов нержавеющей стали сложнее, соответственно тут установка может и три часа на режим выходить...
Фактически, чем больше запас по холодопроизводительности, тем быстрее система выходит на режим.

2) Опять же график ИХП - покажет тебе возможности системы. Через испаритель у тебя идет практически постоянное количество хладагента, т.е. ты можешь посчитать сколько джоулей тепла приходится на один моль смеси. Исходя из этой характеристики на графике ИХП проставляеются точки. Правая крайняя покажет необходимую Тос, крайняя левая ( а больше быть не должно) - температуру криостатирования. Если график пересечет линию ИХП больше чем в двух точках, это указывает на то, что смесь подобрана неверно и минимальная достижимая температура будет равна второй точке справа, т.е. необходимо заштриховать прямоугольник, который касался бы графика лишь в двух своих верхних углах, высота прямоугольника и покажет сколько холода можно снять с моля, а его длина - рабочий диапазон для смеси. Нетрудно видеть, что чем меньше требуется холодопроизводительности, тем ниже будет температура на процессоре.
Что же произойдет, если нагрузка на смесь превысит 1600 Дж/моль? Очень просто, система не сможет работать на уровне 100K и сползет к 230К, но, для такого маневра должен быть достаточный запас по Тос, т.к. она должна будет неизбежно понизиться, см еще один рисунок.

3) С автоматизацией все хорошо, ставь на систему сколько хочешь термопар, манометров, снимай данные... С точки зрения пользователя, после настройки, система будет не сложнее обыкновенного холодильника. Но, при выходе на режим, для увеличения скорости захолаживания обычно ставится регулируемый дроссель, который постепенно прикрывается по мере понижения температуры, для обеспечения отношения давлений в 3-4. Если его не крутить, выход на режим может занять чуть больше времени.

Boud

Получается, что холодильный коэффициент установки будет в районе 0.15. Небольшой получается коэффициент, хотя для охлаждения процессора в силу малой тепловой нагрузки потребляемая компрессором мощность (в районе киловатта) будет большой, но терпимой. Но для более крупной установки потребление будет уже весьма большим. Но, с другой стороны, на -100 градусов с приличным холодильным коэффициентом работают, пожалуй, только воздушне холодильные машины, но это уже совсем другая опера. -100 С на достаточно компактной установке - это здОрово. Кстати, какой минимум температур получали в установке ?

И еще, можно ли эксплуатировать установку в режиме "24/7/365" ?