绝对压力控制=绝对温度控制

Alicat绝对压力控制器使低温压力的方向,确保精确的温度。

低温是指在标准压力(760托尔)下在120°K或以下液化的气体。制冷剂的应用包括低温贮藏、超导性和超流动性。所有这些应用程序都需要在前面提到的标准压力(760 Torr)下的120°K温度。

液氮是一种常用的致冷剂,其温度谱接近致冷剂温度谱的上端。氦可能是最著名的低温源,因为它接近绝对零度。(0开尔文-氦通常是3-4°K,取决于同位素和压力)

图1:展示了常用制冷剂的温度和压力之间的相互依赖关系的图表。图1显示了一个概述,而图2显示了较低压力的扩展视图

Pressure: 100 torr 760 torr 1,000 torr 10,000 torr
Helium-4 2.64 °K 4.21 °K 4.53 °K
p-Hydrogen 14.99 °K 20.27 °K 21.23 °K
Neon 27.10 °K 28.04 °K 39.36 °K
Nitrogen 63.49 °K 77.36 °K 79.76 °K 108.39 °K
Argon 87.30 °K 89.98 °K 121.73 °K
Oxygen 74.45 °K 90.19 °K 92.90 °K 124.76 °K
Methane 91.72 °K 111.67°K 115.11 °K 155.69 °K

表1:普通制冷剂在低、中、高压下的平衡温度

背压控制

在以低温贮藏为目标的系统中,研究人员关心的是在蒸发发生时保持低温剂的体积。然而,大气压力的波动可能是杜瓦压力变化的驱动源,因为这些通常不是完全封闭的系统。在一个极端的例子中,在NASA的约翰·f·肯尼迪航天中心,从推进剂储罐中分离出来的费用估计为62.5万美元(按通货膨胀调整后的美元计算,为每年410万美元)

在这里,我们分析一个更常见的卷;100升的液氦杜瓦。大气压力经常波动,一般变化为+/- 25托。在压力下降的情况下,这将导致0.874液体升的蒸发产生25标准立方英尺(或~700标准升)的氦气。这相当于价值约25美元的液态氦。4鉴于目前氦的供应短缺,这些价格未来不太可能下降。经过几年的时间,这可能会造成数千美元的不必要损失。Alicat绝对压力控制器可用于保持杜瓦头部空间的恒定绝对压力,确保制冷剂损失最小。除了控制压力,Alicat质量流量控制器和仪表可以测量实际气体损失,同时控制头部空间的压力。Alicat的累加器功能也可以直接测量质量逃逸随时间的变化。这一技术也允许推测出在容器中残留的制冷剂的量。

在使用氦气回收系统的情况下,背压控制器的排气口将直接连接到回收管汇(而不是排放到大气中)。这种系统配置是可取的,因为它的低成本和简单,同时允许精确地控制制冷机的背压。

图1:使用Alicat背压控制器控制顶空低温源压力的典型系统示意图

主动顶空压力控制

利用主动顶空压力控制方案可以实现对低温压力和温度的更快、更灵活的控制。使用上述技术,正压的唯一来源是由于制冷剂本身的加热而蒸发掉的。因此,利用压力变化来控制温度取决于沸腾所需制冷剂的时间,这通常是一个缓慢的过程。一些用户使用压力制造线圈来加速这种压力的增加(和升温)。这些线圈暴露了更大的液体制冷剂表面积,导致更快的气体形成和压力积聚。

通过在双阀压力控制器(PCD)上附加一个正压温气源和一个真空系统,可以实现更大的速度和控制。这种配置允许快速引入热气体,增加系统压力。这反过来又得到了在制冷剂改变其平衡条件时提高蒸发速率的帮助。这可以在保持精确控制的同时迅速提高低温剂的温度。相反,系统的压力可以通过排气到大气或真空中来降低。随着压力的降低,低温器的温度也会降低。

图2:使用Alicat压差控制器(PCD)主动控制顶空制冷机压力的典型系统示意图

这些先进的技术中的一些利用了Alicat质量流量控制器的多参数测量特性,也发现在Alicat的独特的双向质量流量控制器。所有Alicat质量流量控制器同时测量质量流量、体积流量、绝对压力和超过1000倍/秒的温度。如图所示,我们建议使用热交换器将控制阀的气体温度保持在263°K以上。Alicat的非常低的温度和压力跨度移位意味着即使有很大的温差,准确性也不会受到影响(更多信息请参阅我们关于这个主题的论文)。

任何液体的蒸气压都是温度的函数。相反地,处于饱和蒸汽热平衡状态的液体的温度是其绝对压力的函数。因此,绝对压力控制=绝对温度控制。

综上所述,Alicat质量流量或压力控制器或仪表可用于许多从低温温度控制中受益的场景:

  • 监测封闭空间的低温损失

  • 控制低温储存容器的背压

  • 最大化低温回收系统的效率

  • 通过绝对压力控制进行低温实验的温度控制

艾里卡特Alicat提供先进的质量流量计质量流量控制器压力控制器压力传感器解决方案。

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