Propiedades Trmicas: El Licuefactor de Helio

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Propiedades Térmicas El Licuefactor de Helio

• Principios básicos de funcionamiento
• Ejemplos de diseño

C. E. Chialvo Instituto Balseiro U.N. de
Cuyo Lab. Bajas Temperaturas Centro Atómico
Bariloche C.N.E.A. Mayo 2004
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Programa de la charla

• I. Introducción Termodinámica básica
• II. Aplicación al Diseño
• Licuefactor de Joule Thompson
• Licuefactor de la N.B.S.
• Licuefactor de Simon
• Licuefactor de Kapitza
• III. The End...

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Introducción

• Métodos para enfriar un gas

• Intercambio de calor con una fuente a temperatura
  inferior Intercambiadores de calor.
• Por debajo de la denominada temperatura de
  inversión, el coeficiente de Joule Thompson es
  positivo y una expansión adiabática implica una
  disminución de la temperatura.

La temperatura de inversión para el He es de 40
K
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II. Aplicación al Diseño

• Licuefactor de Joule - Thompson

• Entra He a 20 atmósferas.
• Se divide en dos flujos y, (1-y).
• y intercambia calor con He gaseoso en E1.
• (1-y) Se mezcla con y e inter-cambia calor en E2
  con vapor de H2.
• Ambos atraviesan E3 e inter-cambian calor con H2
  a 14 K, se evapora algo de H2.
• Atraviesan E4, intercambiando calor con He
  gaseoso y se expanden finalmente en V2,
  li-cuándose una fracción x.

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II. Aplicación al Diseño

• Licuefactor de la N.B.S.

• Puede verse que el intercambio de calor entre el
  reservorio de H2 líquido resulta en extremo
  ineficaz.
• Para mejorar este proceso, reduciendo la
  cantidad de H2 evaporado por unidad de He
  licuado, se hace uso de un grupo de
  intercambiadores con N2 líquido como fase previa
  al intercambiador de H2.
• El esquema mostrado pertenece al modelo utilizado
  por la National Breau of Standards.

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II. Aplicación al Diseño

• Licuefactor de Simon

• Entra He a 150 atmósferas en A.
• Se enfría A con N2 y luego H2 en B.
• Se bombea B, solidificando el H2 y llevando el
  sistema a unos 10 K.
• Se abre la válvula V2, purgando el He gaseoso. Al
  llegar a presión atmosférica se observa que A
  está lleno de He líquido. La licuefacción se debe
  al trabajo de expansión de éste He sobre el que
  ha escapado.

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II. Aplicación al Diseño

• Licuefactor de Kapitza

• Entra He a 12 atmósferas.
• Se filtra el aceite en una trampa y en el
  intercambiador 3 (N2).
• Se divide el resto en dos partes. Una se enfría a
  80ºK en 4 (N2) y se expande en E1, enfriando la
  otra parte. En E2 (40-45 K) otra fracción se
  expande enfri-ando el He restante a 25 K. Al
  salir de 5 el He está a 15 K.
• Una última fracción se expande en E2, intercambia
  calor en 6 y 7 y el He restante se expande
  finalmente en D.

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III. The End...

• One thing they don't tell you about doing
  experi-mental physics is that sometimes you must
  work under adverse conditions Like a state of
  sheer terror.
• W. K. Hartmann

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II. Aplicación al Diseño

• Licuefactor de Kapitza

• Entra He a 12 atmósferas.
• Se filtra el aceite en una trampa y en el
  intercambiador 3 (N2).
• Se divide el resto en dos partes. Una se enfría a
  80ºK en 4 (N2) y se expande en E1, enfriando la
  otra parte. En E2 (40-45ºK) otra fracción se
  expande enfri-ando el He restante a 25 ºK. Al
  salir de 5 el He está a 15 ºK.
• Una última fracción se expande en E2, intercambia
  calor en 6 y 7 y el He restante se expande
  finalmente en D.