4

Относительное количество гелия, потребленного различными способами в Соединенных Штатах в 2016 году. На графике используются данные Геологической службы США. Это показывает, что почти 1/3 всего гелия в США использовалась в криогенной форме, например, в виде жидкого гелия для охлаждения при температурах до 4,2 К и ниже.

Мировое потребление гелия в миллионах кубометров (источник)

Зачем повторно использовать гелий?

Гелий — самый распространенный элемент в космосе. Однако здесь, на Земле, его можно найти только в виде небольшой фракции в некоторых месторождениях природного газа.

После выброса в воздух он рассеивается в стратосфере и становится недоступным.

Переработка гелия:

Экономия на затратах – Эксплуатационные расходы завода по регенерации намного меньше, чем покупка жидкого гелия.

Делает независимыми от внешних поставщиков – Гелий всегда доступен на месте.

Помогает контролировать качество – каждая новая партия внешнего гелия может быть загрязнена водородом, что приводит к выходу из строя криостатов.

Помогает защитить окружающую среду – Конечный ресурс гелия сохраняется.

Инструмент компоновки извлечения гелия

Правильное определение размеров вашего извлечения гелия поможет вам максимизировать эффективность извлечения вашего завода по извлечению жидкого гелия. Этот инструмент даст вам первое представление о том, какое восстановление вы должны рассмотреть с вашими предварительными условиями. Просто введите количество жидкого гелия (LHe) в литрах, которое вы перекачиваете во время самой высокой передачи, чтобы получить максимальную конфигурацию системы восстановления, которая вам нужна. Также укажите потери на одну передачу в литрах. Обычно они составляют от 20 до 30% от общего объема переносимого жидкого гелия.

Перейти к инструменту планирования извлечения гелия

Для правильной оценки вашей ситуации вам также необходимо ввести время, необходимое для заполнения ваших криостатов жидким гелием (время переноса), и количество жидкого гелия, которое вы хотите хранить в виде газа внутри Ваша система восстановления. Указанный результат будет предложенным количеством газовых баллонов с гелием объемом 1000 литров, находящихся под давлением до 5 бар. При значении выше 5 мы предлагаем использовать систему восстановления высокого давления (HPR), так как площадь, занимаемая соответствующей системой восстановления среднего давления (MPR), будет намного больше. Если это нежелательно, мы предлагаем пересмотреть количество хранимого жидкого гелия в виде газа.

Если потеря газообразного гелия указана как отрицательное значение, то ее можно считать истинной потерей. Положительное значение означает, что поток газообразного гелия может быть собран, если количество газгольдеров равно или превышает расчетное количество.

Для рекуперации под высоким давлением расчетными значениями являются размер газового мешка в кубических метрах и количество 50-литровых газовых баллонов (под давлением 200 бар).
Предполагается, что все расчеты помогут понять, какое решение для восстановления лучше всего соответствует вашим требованиям. Пожалуйста, свяжитесь с нами для получения дополнительной информации и полной настройки конфигурации.

Как перерабатывается гелий?

Типичная маломасштабная установка по извлечению и сжижению гелия работает со следующими этапами обработки:

Сбор

Газообразный гелий собирают из прибора. Учитывайте тип используемого комплекта для восстановления и способы защиты оборудования от воздействия раствора для восстановления.

Хранение

Прямое восстановление
Без хранения – один прибор

Среднее давление
Гелий хранится в стальных резервуарах при давлении 5 бар.

Высокое давление
Гелий находится в баллоне и хранится в стальных баллонах под давлением 200 бар.

Очистка

Встроенные
Очистки, такие как сушилки и геттеры

ЛУПИ ЖИДКОЙ АТОРНА. 0005

Ожижение

Компактный портативный ожижитель, использующий криокулер Gifford-McMahon.
Производит 10-30 литров жидкого гелия в день.

Storage configurations

Direct recovery

Basic configuration

A – lab-size liquefier
B – helium compressor
C – recovery pressure controller
D – power box
X – cryogenic instrument

Pro:

• Легко установить и использовать
• Минимальное пространство, требуемое
• Менее дорого
• . потеря

Восстановление среднего давления

Восстановление со стальными резервуарами для хранения гелия (8-10 бар)

A – ожижитель лабораторного размера
B – гелиевый компрессор
C – бустерный узел с буферным резервуаром
D – очиститель
E – резервуары для хранения
F – регулятор давления рекуперации
X – криогенный прибор

Pro:

• Идеально подходит для одного или двух приборов
• Высокая эффективность (>95%)

3:

• Ограниченная вместимость

Рекуперация высокого давления

Рекуперация с баллонами для хранения гелия (200 бар)0118 C – криогенный очиститель
E – газовый мешок с контроллером
F – компрессор высокого давления
G – комплект баллонов
H – регулятор давления рекуперации
X – криогенный(е) прибор(ы) настраиваемый и масштабируемый

Против:

• Сравнительно более высокая стоимость
• Требует много места (для 9 баллонов с гелием)0021

Полезные ссылки

Документ Gasworld: глобальный гелиевый саммит 2.

Подробная информация о дефиците гелия

Разжижитель передовых технологий Quantum Design ATL160

Передовой технологический ожижитель гелия

Ожижители гелия NexGen и Advanced Technology Liquefiers (ATL) представляют собой ожижители гелия на основе криоохладителя. ATL — это лабораторные и мобильные устройства, которые позволяют извлекать и сжижать газообразный гелий в настоящее время …

Установки по извлечению и сжижению гелия

Каждый криогенный прибор, использующий жидкий гелий, может быть оснащен системой восстановления. Это значительно снижает эксплуатационные расходы и помогает защитить гелий, который считается конечным …

Калькулятор закона Бойля

Создано Wojciech Sas, PhD

Отзыв от Bogna Szyk и Jack Bowater

Последнее обновление: 20 декабря , 2022

• Определение закона Бойля
• Формула закона Бойля
• Примеры закона Бойля
• Где применяется закон Бойля?
• Другие термодинамические процессы

Калькулятор закона Бойля является отличным инструментом, когда вам нужно оценить параметры газа в изотермическом процессе . Вы найдете ответ на вопрос “Что такое закон Бойля?” в тексте, поэтому читайте дальше, чтобы узнать о формуле закона Бойля , увидеть несколько практических примеров упражнений по закону Бойля и узнать, как распознать, когда процесс удовлетворяет закону Бойля на графике.

Если вам нужно рассчитать результаты изобарического процесса, воспользуйтесь нашим калькулятором закона Чарльза.

Определение закона Бойля

Закон Бойля (также известный как закон Бойля-Мариотта) говорит нам о соотношении между давлением газа и его объемом при постоянной температуре и массе газа . В нем говорится, что абсолютное давление обратно пропорционально объему .

Определение закона Бойля можно также сформулировать следующим образом: произведение давления и объема газа в замкнутой системе постоянно, пока не изменяется температура.

Закон Бойля описывает поведение идеального газа. Мы можем охарактеризовать этот газ уравнением идеального газа, о котором вы можете прочитать больше в нашем калькуляторе законов идеального газа. Закон Бойля говорит нам об изотермическом процессе , что означает, что температура газа при переходе остается постоянной, как и внутренняя энергия газа.

Формула закона Бойля

Уравнение закона Бойля можно записать следующим образом:

p₁ × V₁ = p₂ × V₂ ,

, где p₁ и V₁ — начальное давление и объем соответственно. Точно так же p₂ и V₂ являются конечными значениями этих параметров газа.

Мы можем записать формулу закона Бойля различными способами в зависимости от того, какой параметр мы хотим оценить. Допустим, мы изменили объем газа в изотермических условиях и хотим найти результирующее давление. Тогда уравнение закона Бойля утверждает, что:

p₂ = p₁ × V₁ / V₂ или p₂ / p₁ = V₁ / V₂ .

Как мы видим, соотношение конечного и начального давления является обратным отношением для объемов . Этот калькулятор закона Бойля работает в любом направлении, которое вам нравится. Просто введите любые три параметра, и четвертый будет рассчитан сразу!

Весь процесс можно представить на графике закона Бойля. Наиболее часто используется тип, когда давление является функцией объема. Для этого процесса кривая представляет собой гиперболу. Переход может происходить в обоих направлениях, поэтому и сжатие, и расширение газа удовлетворяют закону Бойля.

🔎 Если переход представляет собой изохорный процесс (постоянный объем), вам пригодится калькулятор закона Гей-Люссака Омни.

Примеры закона Бойля

Закон Бойля можно использовать несколькими способами, поэтому давайте рассмотрим несколько примеров:

1. Представьте, что у нас есть эластичный контейнер с газом. Начальное давление 100 кПа (или 10⁵ Па , если мы используем экспоненциальную запись), а объем сосуда равен 2 м³ . Решаем сжать ящик до 1 м³ , но общую температуру не меняем. Вопрос: «Как меняется давление газа?». Мы можем использовать формулу закона Бойля:

   p₂ = p₁ × V₁ / V₂ = 100 кПа × 2 м³ / 1 м³ = 200 кПа .

   После уменьшения объема вдвое внутреннее давление удваивается. Это является следствием того, что произведение давления на объем должно быть постоянным в течение этого процесса.

2. Следующий пример закона Бойля относится к газу под давлением 2,5 атм , занимая 6 литров пространства. Затем его подвергают изотермической декомпрессии до давления 0,2 атм

   . Узнаем его окончательный объем. Мы должны переписать уравнение закона Бойля:

   V₂ = p₁ × V₁ / p₂ = 2,5 атм × 6 л / 0,2 атм = 75 л .

   Вы всегда можете воспользоваться нашим калькулятором закона Бойля, чтобы проверить правильность своих оценок!

Где применяется закон Бойля?

Закон Бойля описывает все процессы, при которых температура остается постоянной . В термодинамике температура измеряет среднюю кинетическую энергию, которой обладают атомы или молекулы. Другими словами, можно сказать, что средняя скорость частиц газа при этом переходе не меняется. Формула закона Бойля справедлива для широкого диапазона температур.

В расширенном режиме вы можете выбрать любую температуру, и мы рассчитаем количество молекул, содержащихся в газе. Вам нужно только следить за тем, чтобы вещество оставалось в газовой форме (например, не конденсировалось и не кристаллизовалось) при этой температуре.

Есть несколько областей, где применим закон Бойля:

• Тепловая машина Карно – Состоит из четырех термодинамических процессов, два из которых изотермические, удовлетворяющие закону Бойля. Эта модель может сказать нам, каков максимальный КПД тепловой машины.

• Дыхание также можно описать законом Бойля. Всякий раз, когда вы делаете вдох, ваша диафрагма и межреберные мышцы увеличивают объем легких, что снижает давление газа. Когда воздух течет из области более высокого давления в область более низкого давления, воздух попадает в легкие и позволяет нам получать кислород из окружающей среды. При выдохе объем легких уменьшается, поэтому давление внутри выше, чем снаружи, поэтому воздух течет в обратном направлении.

• Шприц – Всякий раз, когда вам делают инъекцию, врач или медсестра сначала набирают жидкость из маленького флакона. Для этого они используют шприц. При вытягивании поршня доступный объем увеличивается, что снижает давление и, согласно формуле закона Бойля, вызывает всасывание жидкости.

Другие термодинамические процессы

Закон Бойля, наряду с законами Шарля и Гей-Люссака, относится к числу фундаментальных законов, описывающих подавляющее большинство термодинамических процессов.

Помимо определения значений конкретных параметров, таких как давление или объем, также можно узнать кое-что о теплопередаче и работе, выполненной газом во время этих переходов, а также изменении внутренней энергии .