- Cryocoolers são pequenos refrigeradores que podem atingir temperaturas criogênicas e fornecer refrigeração na faixa de temperatura de 10 K a 120 K.
- Um refrigerador projetado para atingir temperaturas criogênicas costuma ser chamado de criocooler.
- Na maioria dos casos, os criocoolers usam um fluido criogênico como substância de trabalho e empregam peças móveis para circular o fluido em um ciclo termodinâmico. O fluido é tipicamente comprimido à temperatura ambiente, pré-resfriado em um trocador de calor e, em seguida, expandido em alguma temperatura baixa. O fluido de baixa pressão que retorna passa pelo trocador de calor para pré-resfriar o fluido de alta pressão antes de entrar na entrada do compressor. O ciclo é então repetido.
- Os crioresfriadores não usam os ciclos Claude/Collins usados por grandes plantas de refrigeração, mas usam ciclos alternativos.
Dependendo da aplicação final, os requisitos básicos, conforme indicados abaixo, devem ser satisfeitos pelo Cryocooler.
- Menos peso e menor volume.
- Tempo de resfriamento rápido e operação sem vibração.
- Mais Tempo médio entre manutenção (MTBM), Tempo médio entre falhas (MTBF) e Tempo médio até falha (MTTF).
Tipos de criocooler
O Cryocooler pode ser classificado da seguinte forma:
Trocadores de calor e regeneradores
- Os trocadores de calor são componentes importantes de todos os resfriadores criogênicos. Um trocador de calor é um dispositivo no qual o fluido quente é resfriado devido à troca de calor com o fluido frio.
- Na maioria dos casos, o processo de troca de calor ocorre a uma pressão constante.
- Pode ser um tipo de trocador de calor regenerativo ou recuperativo dependendo do tipo de troca de calor entre os fluidos.
Trocador de calor recuperativo
• Num trocador de calor recuperativo, a direção do fluxo de dois fluidos é constante e simultânea.
• Os dois fluidos são separados por uma fronteira sólida através da qual os fluidos quente e frio trocam calor.
Trocador de calor regenerativo
• Num trocador de calor regenerativo, uma matriz é usada como meio intermediário de troca de calor entre os fluidos quentes e frios.
• O fluxo é periódico por natureza, alternando entre fluidos quentes e frios através da matriz.
• É importante notar que este é um exemplo de transferência indireta de calor.
Refrigerador de tubo de pulso
Introdução
A ideia de um tubo de pulso foi proposta pela primeira vez por Gifford e Longsworth em 1961. Os efeitos da expansão repentina e liberação de gás refrigerante são empregados para obter um efeito de refrigeração. Consulte a figura para o circuito de refrigeração de tubo de pulso. K. O resfriador de tubo de pulso é um tipo de
criocooler. O uso do tubo de pulso foi impulsionado por muitos requisitos das aplicações modernas, como refrigeração adequada em temperatura especificada com baixa entrada de energia, longa vida útil, operação confiável e livre de manutenção com vibração e ruído mínimos, compacidade e leveza.
Tipos de refrigerador de tubo de pulso:
A. Refrigerador básico de tubo de pulso
B. Refrigerador com tubo de pulso de orifício
C. Refrigerador de tubo de pulso de entrada dupla
D. Refrigerador de tubo de pulso de tubo de inertância
Funcionamento do refrigerador com tubo de pulso:
O aparelho consiste em uma fonte de gás de alta pressão, que fornece gás a uma temperatura igual à temperatura ambiente para a base do tubo de pulso. Agora, o ar comprimido é fornecido pelo compressor de ar. O ar comprimido entra no tubo de vórtice através de uma válvula. Além disso, o gás comprimido pode entrar no tubo de pulso. Agora, o gás comprimido atua em um pistão imaginário, ou seja, a coluna de ar de separação. Assim, o gás dentro do tubo de pulso é comprimido, resultando em um aumento na temperatura no tubo de pulso de cima para baixo.
diagrama de refrigerador de tubo de pulsoA temperatura máxima é na base. Um refrigerante é circulado para remover o calor do gás, que agora é comprimido na base. O refrigerante rejeita o calor absorvido para um tanque de refrigerante e é bombeado de volta para o tubo de pulso. Devido ao resfriamento pelo refrigerante, a temperatura do gás reduz.
Agora, o fornecimento de gás de alta pressão é interrompido e a válvula de entrada é fechada. A válvula de exaustão agora abre e o gás é exaurido, diminuindo a temperatura dentro do tubo. Um esboço detalhado do tubo de pulso é mostrado abaixo na figura . e o perfil de temperatura é mostrado na figura.
funcionamento do tubo de pulso e perfil de temperaturaEssa temperatura mais baixa causa o efeito de refrigeração. O ar que sai do tubo de pulso também fica mais frio. É possível usar esse ar frio para resfriar o ar comprimido quente que entra no tubo de pulso com a ajuda de um trocador de calor. Isso reduz ainda mais a temperatura do tubo de pulso. Temperaturas tão baixas quanto 190°K são alcançadas pelo tubo de pulso. Portanto, um tubo de pulso é uma escolha preferida se o resfriamento for feito em áreas com baixa capacidade de geração de energia.
Vantagens do Pulse Tube
1) Menos peças móveis, sem manutenção e menos perdas
2) Baixo consumo de energia
3) É possível realizar vários estágios.
4) Vida mais longa
5) Não necessita de lubrificação
6) Pode ser usado em vez de ciclos criogênicos
Desvantagens do Pulse Tube
1) Baixo coeficiente de desempenho (COP)
2) O COP depende do comprimento do tubo
3) Tubos de fabricação cara.
Aplicação do refrigerador de tubo de pulso;
- Liquefação de gases como nitrogênio, oxigênio, hidrogênio, hélio, gás natural.
- Magnetômetros SQUID.
- Resfriamento de ímãs supercondutores.
- Resfriamento de sensores infravermelhos para orientação de mísseis.
- Bombas de criovácuo.
- Criocirurgia.
- Resfriamento de supercondutores e semicondutores de alta temperatura.
- Sensores de raios gama para monitoramento da atividade nuclear.
- Preservação de materiais biológicos, sangue, espécimes biológicos, etc.
Referência:
- Português https://uspas.fnal.gov/materials/19NewMexico/Cryo/2019%20USPAS%20Lecture%2019.pdf
- https://en.wikipedia.org/wiki/Cryocooler
