Криогеника Предварительный расчёт

Расчёт охлаждения и расхода жидкого азота

Оцените количество тепла, которое необходимо отвести от объекта, ориентировочный расход LN₂ и время охлаждения. Модель отдельно показывает влияние испарения жидкого азота и возможного использования холода образующегося газообразного азота.

Введите исходные данные

Для широких температурных диапазонов используйте результат как предварительную оценку: теплоёмкость материалов и эффективность теплообмена изменяются с температурой.

Масса объектакг

Материал

Справочные значения при комнатной температуре. При глубоком охлаждении фактическая теплоёмкость ниже, поэтому оценка получается с запасом.

Начальная температура°C

Целевая температура°C

Для LN₂ при близком к атмосферному давлении значение должно быть выше −195,8 °C.

Средняя эффективная мощность охлажденияВт

Необязательно. Нужна только для оценки времени; реальная мощность зависит от температуры и теплообмена.

Стоимость LN₂₽/л

Необязательно. Цена не задана заранее и вводится пользователем.

Уточнить модель расхода LN₂

Дополнительная тепловая нагрузка%

Позволяет вручную учесть оснастку, стенки, теплопритоки и другие нагрузки, не вошедшие в массу объекта.

Учёт нагрева газообразного N₂0–100 % сценария

0 %

0 % — учитывается только теплота испарения. 100 % — полностью учитывается расчётный вклад нагрева газообразного N₂ от −195,8 °C до целевой температуры объекта. Это доля выбранного сценария модели, а не процент всего физически доступного холода газа.

Результат

Значения обновляются после изменения исходных данных.

Расход LN₂ по выбранному сценарию

—

Тепло к отводу

—

Масса LN₂

—

Сценарный диапазон модели

—

100 % → 0 % учёта расчётного нагрева газа. Не является гарантированным минимумом и максимумом фактического расхода LN₂.

Время по заданной мощности

—

Стоимость LN₂

—

Перепад температуры

—

−195,8 °Cтемпература кипения при 1,013 бар

199,2 кДж/кгтеплота парообразования при температуре кипения

0,806 кг/лплотность жидкости при температуре кипения

Как устроен расчёт

Модель намеренно разделяет тепловую нагрузку объекта и тепло, которое может принять один килограмм жидкого азота.

1. Тепловая нагрузка

Для материала без фазового перехода количество отводимого тепла оценивается по массе, удельной теплоёмкости и перепаду температуры.

Q = m × c × (Tнач − Tцел)

2. Полезная холодопроизводительность LN₂

Базовая модель учитывает теплоту парообразования. При выбранной доле сценарного учёта газовой фазы добавляется часть тепла, которую может принять испарившийся азот при нагреве от температуры кипения до целевой температуры объекта.

qLN₂ = L + u × cp,gas × (Tцел − Tкип)

В расчёте cp газообразного N₂ принято постоянным и приблизительно равным 1,04 кДж/(кг·К). Фактическая теплоёмкость зависит от температуры; параметр u задаёт долю именно этого сценарного вклада в диапазоне 0–1.

Справочные свойства LN₂ в калькуляторе заданы для давления около 1,013 бар. Для других давлений, сложных теплообменников и криогенных установок расчёт требует отдельной модели.

Что необходимо учитывать

Калькулятор предназначен для предварительной оценки, а не для подтверждения расхода конкретной установки.

Модель учитывает

массу объекта и заданную удельную теплоёмкость;
начальную и целевую температуру;
теплоту парообразования жидкого азота;
заданную долю использования холода газообразного азота;
ручной запас на дополнительную тепловую нагрузку.

Модель не заменяет

учёт изменения теплоёмкости материала с температурой;
расчёт скрытой теплоты фазовых переходов;
тепловую модель стенок, оснастки, трубопроводов и изоляции;
реальную характеристику теплообменника и динамику кипения;
расчёт системы при давлении, существенно отличном от атмосферного.

Если материал замерзает, плавится, кипит или претерпевает другой фазовый переход внутри заданного температурного диапазона, простой расчёт по постоянной теплоёмкости применять нельзя.