Ожижитель водорода

ОЖИЖИТЕЛИ ДЛЯ ВОДОРОДА

Конструктивные решения — например в газовой машине Филипса, применяют два поршня в одной трубе возвратно-поступательно перемещаются с двух сторон от пористой перегородки. Один поршень служит компрессором, нагнетая газ, второй служит детандером, отсасывая газ и производя работу расширения. Перегородка, служащая теплоаккумулирующей массой, при разрежении газа остывает, и с наружной стороны трубы конденсируется воздух. Для работы сверхпроводников пригодно только гелиевое  охлаждение.  

Обычно гелий ожижают тремя способами, в соответствии с которыми ожижители подразделяются на три группы. Первая группа — ожижители с предварительным водородным охлаждением и расширением газа через вентиль. Именно так Оннес впервые ожижил гелий. Кстати, ожижение газов будто стало национальным занятием ученых Голландии, от Марума из Гааги (первый газ — аммиак) до Оннеса из Лейдена (последний газ — гелий). Если водородный цикл встроен в конструкцию, то для предварительного охлаждения приходится применять жидкий азот. Можно заливать водород со стороны. В 1934 г. появились ожижители гелия второй группы, когда П.Капица отказался от водородного охлаждения заменив его расширением гелия в поршневом детандере. Такие конструкции распространились очень широко, потому, что их экономичность вдвое возросла! Наконец, в третьей группе гелиевых ожижителей экспансионного действия газ непосредственно перепускается между объемами с расширением. Эти конструкции просты, надежны, но действуют эпизодически. Для сверхпроводящих устройств непрерывного действия эти ожижители не годятся. Гелиевые рефрижераторы современных конструкций, работающие в блоке со сверхпроводящими приборами, весьма компактны. Например, английская машина «Зотос» весом 30 кг может генерировать 25 Вт холода на температурном уровне 2 К. Для наземных электротехнических устройств, как считают советские специалисты- криогенщики, вес и объем рефрижераторных установок, производящих 10-50 Вт на гелиевом уровне, можно снизить до 45-65 кг и 0,14 м3 на 1 Вт холода. Экономичность даже лучших гелиевых ожижителей невелика. По идеальному циклу Карно их КПД не превысит 1,5%, а с учетом реальных возможностей на каждый ватт отводимого тепла в мощных совершенных рефрижераторах потребуется затратить 500-800 Вт мощности привода машины. Относительно старый серийный ожижитель Г-3 производит в час 35 л жидкого гелия, требуя, кроме затрат энергии, еще подлива со стороны 25 л/ч жидкого азота. На каждый ватт отводимого тепла на гелиевом уровне при общей холодопроизводительности 25 Вт (если считать по теплоте испарения гелия) эта несовершенная машина требует затрат мощности 4,65 кВт, из которых почти четверть тратится на ожижение азота. Но даже чрезвычайно низкий КПД этого лабораторного ветерана (0,02%) не отпугивает инженеров: ведь выделить 25 Вт мощности на гелиевом уровне в хорошо спроектированном сверхпроводящем объекте не так-то просто. Чтобы закончить тему о способах охлаждения, упомянем об использовании электрического эффекта Пельтье, когда необходимость в машинном оборудовании отпадает. Если спаять в кольцо два провода, скажем, железный и золотой, и пропустить по кольцу ток, то спаи пpoводов приобретут разные температуры. Разместив один спай на улице, а другой в комнате, можно энергию тока превратить в источник нагрева или охлаждения помещения. Кроме электротермического, можно использовать термомагнитное охлаждение по методу Эттингсгаузена (1880 г.). Ребра пластины из сплава висмут-сурьма, по которой пропускается ток в поперечном магнитном поле, охлаждаются. Если применить каскад из таких полупроводящих элементарных холодильников, то можно получить температуру до 70-200 градусов ниже нуля стоградусной шкалы. Для получения очень низких температур испаряют гелий в вакууме, и температура ванны может снизиться до 0,7-1,0 К. Если испарять легкий изотоп гелия Не3, то температура понизится до 0,3-0,5 К. Наконец, растворяя Не3 в обычном гелии, можно понизить температуру- до 0,008 К! Путь к дальнейшим рекордам также основан на переводе хорошо организованных структур в хаотическое состояние. Некоторые вещества, такие, как сульфат гадолиния или хромокалиевые квасцы, в магнитном поле с индукцией 1 Т слегка намагничиваются. Если снять выделившееся при этом тепло, а потом устранить магнитное поле, то, размагничиваясь, соль остынет, ее температура снизится до рекордно низкого уровня в 0,0014 К.

Стоимость обрудования стационарного хранилища для жидкого водорода в зависимости от его вместимости в пересчете на условное топливо 100 200 300 400 500 600 700 800 900 Емкость по водороду в пересчете на условное топливо,! Транспортировать жидкий водород можно водным (в танкерах), железнодорожным и автомобильным транспортом. Трубопроводный транспорт жидкого водорода на большие расстояния невыгоден из-за очень высокой стоимости труб с экранно-вакуумной изоляцией. В настоящее время для перевозок жидкого водорода автотранспортом применяются специальные автотрейлеры с цистернами, снабженными экранно-вакуумной изоляцией. Для крупномасштабных перевозок применяют цистерны объемом 40—60 м3 жидкого водорода. В разных странах установлены различные максимальные объемы автоцистерн, например во Франции он составляет 42 тыс. л. Потери водорода на испарение в таких цистернах составляют 0,8—1% в сутки и менее. При перевозках по железной дороге используются цистерны объемом более 100 м3 с потерями 0,3—0,5% в сутки. Перевозка жидкого водорода речным или морским транспортом может осуществляться в специальных небольших и крупных танкерах, однако в настоящее время опыта таких перевозок нет. Стоимость транспорта жидкого водорода определяется многими факторами — расстоянием, типом и конструкцией применяемых сосудов, стоимостью и типом топлива, скорость