КриогеникаLN₂ / LHeПредварительный расчёт

Расчёт boil-off криогенной жидкости

Рассчитайте испарение жидкого азота или гелия по известной тепловой нагрузке либо определите эквивалентную тепловую нагрузку на жидкую фазу по измеренному boil-off. Модель использует теплоту парообразования и плотность насыщенной жидкости при нормальном кипении около 1,013 бар.

Введите исходные данные

Выберите направление расчёта и криогенную жидкость. Для %/сутки и прогноза указывайте фактическое количество жидкости в сосуде, а не его паспортную вместимость; при вводе boil-off в %/сутки это поле обязательно.

Что нужно определить?

Boil-off по тепловой нагрузке Тепловую нагрузку по boil-off

Криогенная жидкость

Свойства принимаются при нормальном кипении около 1,013 бар. Для LHe расчёт относится к обычному жидкому гелию He I около 4,22 K и не предназначен для сверхтекучего He II.

Тепловая нагрузка на жидкую фазу, Q̇

Введите среднюю стационарную тепловую нагрузку, которая достигает жидкой фазы и расходуется на испарение.

Фактический объём жидкости в сосуде, V₀

Указывайте фактический объём жидкой фазы на момент расчёта, а не геометрический или паспортный объём сосуда. Обязателен для %/сутки; в остальных режимах нужен только для BOR, времени до условного испарения и прогноза остатка.

Горизонт прогноза

Используется только если задан V₀. Прогноз линейный: V(t) = max(0, V₀ − V̇·t), то есть предполагает постоянный абсолютный boil-off, неизменную тепловую нагрузку и отсутствие пополнения.

Как выполняется расчёт

В стационарном режиме тепло, достигающее насыщенной жидкой фазы, расходуется на её испарение.

Теплоприток → boil-off

Массовая скорость испарения определяется отношением тепловой нагрузки к удельной теплоте парообразования.

ṁ = Q̇ / Lᵥ

После этого массовый расход переводится в л/сутки через плотность жидкости при температуре кипения.

Boil-off → тепловая нагрузка

Измеренная потеря жидкости позволяет оценить эквивалентную тепловую нагрузку непосредственно на жидкую фазу.

Q̇_eq = ṁ × Lᵥ

Это не обязательно весь теплоприток к криостату: часть тепла может быть перехвачена холодным газом, экранами или другими ступенями.

Расчётные свойства LN₂

199,18 кДж/кгтеплота парообразования

0,80611 кг/лплотность жидкости

Нормальное кипение: около −195,8 °C при 1,013 бар.

Расчётные свойства LHe

20,754 кДж/кгтеплота парообразования

0,12474 кг/лплотность жидкости

Нормальное кипение: около −268,93 °C (4,22 K) при 1,013 бар.

Почему LHe даёт большой объёмный boil-off

При одинаковой тепловой нагрузке жидкий гелий испаряется по объёму значительно быстрее жидкого азота из-за сочетания меньшей теплоты парообразования и меньшей плотности. Для 1 Вт модель даёт около 0,538 л/сут LN₂ и 33,4 л/сут LHe — примерно в 62 раза больше по объёму.

Холод уходящего газа

Этот калькулятор учитывает только скрытую теплоту испарения жидкой фазы. При дальнейшем нагреве испарившийся газ способен поглощать дополнительное тепло; в горловинах и экранах, охлаждаемых потоком испаряющегося газа, часть этого ресурса может использоваться для перехвата теплопритоков. Фактический эффект зависит от конструкции и температуры выходящего газа, поэтому из boil-off нельзя автоматически восстановить полный теплоприток к криостату.

Справочные свойства в расчёте соответствуют данным Air Liquide Gas Encyclopedia для насыщенных LN₂ и LHe около нормальной точки кипения при 1,013 бар. При другом давлении температура кипения, плотность и теплота парообразования меняются.

Границы применимости

Калькулятор предназначен для предварительной оценки стационарного естественного испарения, а не для расчёта аварийных режимов.

Модель подходит, когда

жидкость находится близко к насыщению при нормальном кипении;
давление близко к атмосферному и существенно не меняется;
boil-off стабилизировался после заливки и переходных процессов;
требуется оценка тепловой нагрузки именно на жидкую фазу.

Нужна другая модель, если

сосуд работает под заметно повышенным или пониженным давлением;
жидкость переохлаждена или свойства существенно отличаются от точки нормального кипения;
для гелия рассматривается область He II ниже λ-перехода;
нужно учитывать охлаждение испаряющимся газом, экраны, многослойную изоляцию, опоры и полный тепловой баланс криостата.

Не используйте этот калькулятор для подбора предохранительных клапанов, аварийного сброса, пожарного сценария, ODH/кислорододефицитной опасности или расчёта вентиляции помещения. Для safety-задач требуется отдельный расчёт по применимым нормам, реальной геометрии системы и аварийным сценариям испарения.

Нужно оценить тепловой баланс криогенной системы?

Передайте параметры криостата, жидкой фазы, требуемого времени хранения и измеренного boil-off инженерам ГК "Криосистемы" Мы поможем оценить теплопритоки и определить, где требуется более детальная модель.