Криогенные установки и системы

Московский государственный технический университет 
имени Н.Э. Баумана 

И.К. Буткевич 

КРИОГЕННЫЕ УСТАНОВКИ 
И СИСТЕМЫ 

 

Рекомендовано редсоветом МГТУ им. Н.Э. Баумана 
в качестве учебного пособия 

М о с к в а 
Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана 
2 0 0 8 

УДК 621.59(075.8) 
ББК 31.392 
Б932 

Рецензенты: К.О. Кешишев, Н.А. Лавров 

Буткевич И.К.  
Б932 
Криогенные установки и системы: Учеб. пособие. – М.: 
Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2008. – 151 с.: ил.  

ISBN 978-5-7038-3140-3 

Пособие написано на основе курса лекций, в котором рассматриваются схемы криогенных систем и установок, их классификация, принципы построения и особенности расчета; приводятся схемы подсистем и конструкции криогенного оборудования. 
Для студентов старших курсов, обучающихся по специальностям «Техника и физика низких температур» и «Холодильная, 
криогенная техника и кондиционирование». 

УДК 621.59(075.8) 
                                                                                  ББК 31.392 

ISBN 978-5-7038-3140-3 
© МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2008 

ВВЕДЕНИЕ 

Пособие основано на курсе лекций «Криогенные установки и 
системы», который автор читает в МГТУ им. Н.Э. Баумана. 
В первой главе представлены определения основных понятий 
связанных с содержанием курса. Эти сведения содержатся в 
ГОСТ 21957–76 «Термины и определения в криогенной технике», 
а также в проекте РТМ и специальной технической литературе.  
Вторая глава содержит материал, связанный с применением 
криогенных установок и систем в различных отраслях науки и 
техники, основными техническими устройствами, работоспособность которых обеспечивается криогенным уровнем температур.  
В третьей главе рассмотрены структурные схемы различных 
криогенных установок (КУ) и криогенных систем (КС), а также 
классификационные признаки, облегчающие дальнейшее изучение 
многообразных КС.  
В четвертой главе показаны особенности построения и расчета 
циклов криогенных установок, приведены примеры расчета отдельных ступеней и установок в целом, а также криогенных систем, в 
том числе двухконтурных с циркуляционными насосами и рефрижераторами с избыточным обратным потоком (РИОП).  
Пятая глава посвящена описанию схем и состава оборудования наиболее типичных азотных, водородных и гелиевых криогенных систем, отечественных и зарубежных.  
В шестой главе рассматривается оборудование криогенных 
систем; менее подробно – оборудование, которое уже рассматривалось в специальных курсах (компрессоры, расширительные 
машины, теплообменники и др.), и более подробно − оборудование, не охарактеризованное в других курсах (системы очистки, 
криогенная арматура, компоновка и криоизоляция криогенных 
блоков и др). 
В начале пособия даны список условных обозначений и список 
аббревиатур, с которыми следует ознакомиться до чтения глав. 
Пособие предназначено для студентов старших курсов, обучающихся по специальностям «Техника и физика низких температур» и «Холодильная, криогенная техника и кондиционирование», 
может быть использовано при выполнении курсовых и дипломных 
проектов. 

1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ 

Основные понятия в области криогенной техники включены в 
ГОСТ 21957–76 «Термины и определения в криогенной технике». 
После утверждения ГОСТа работа в этом направлении была продолжена в рамках создания РТМ отрасли, так как в ГОСТ вошел 
весьма ограниченный перечень понятий. Однако РТМ так и не был 
окончательно согласован из-за больших расхождений во мнениях 
специалистов. Тем не менее целесообразно ознакомить читателя 
не только с определениями, включенными в ГОСТ, но и с рядом 
других, согласованных большинством специалистов, терминов и 
понятий криогенной техники, достаточно широко используемых в 
специальной технической литературе.  
Ниже приводятся основные понятия и их определения по указанному ГОСТу. 
Криогенная температура − температура в интервале 0…120 К.  
Криогенная техника − область техники, связанная с достижением или практическим использованием криогенных температур. 
Криогеника − область науки, охватывающая исследование, 
развитие и применение криогенной техники.  
Микрокриогенная техника − область криогенной техники, 
связанная с охлаждением объектов и (или) систем с диапазоном 
требуемой холодопроизводительности, которому в обратимом 
цикле отвечают затраты мощности до 500 Вт. 
Холодопроизводительность − количество теплоты, отводимое 
криогенной установкой (системой) в единицу времени при температуре ниже температуры окружающей среды. 
Криогенный процесс − термодинамический процесс, частично 
или полностью протекающий при криогенных температурах.  
Криогенный цикл − термодинамический цикл, частично или 
полностью протекающий при криогенных температурах. 
Криогенный агент (криоагент) − вещество или смесь веществ, используемых в криогенной технике как рабочее тело в газообразном или конденсированном состоянии и находящихся при 
криогенных температурах хотя бы на одной из стадий рабочего 
цикла. 

Продукт криогенной установки − вещество, получаемое с 
применением криогенных процессов и используемое вне пределов 
установки, в которой оно получено. 
Криостатирование − поддержание постоянной криогенной 
температуры. 
Криостат − устройство, предназначенное для криостатирования. 
Криогенный сосуд − сосуд, предназначенный для хранения и 
транспортирования криопродукта. 
Еще до появления ГОСТа в технической документации на гелиевые криогенные системы стал употребляться термин «система 
криогенного обеспечения» (СКО), который впоследствии стал 
широко использоваться в технической литературе. В проекте 
РТМ СКО определялась как «часть криогенной системы, выполняющая функции криогенерации и организации потока криоагента с заданными параметрами через систему криостатирования», 
которая, в свою очередь, определялась как часть криогенной системы, предназначенная для криостатирования объектов. Определение нуждается в корректировке, так как не позволяет провести 
даже физическую границу между СКО и СК (для чего, собственно, термин «система криостатирования» и был введен конструкторами). Вместе с тем в ГОСТе существует понятие «криогенный 
комплекс», определяемый как «совокупность технологически 
объединенных криогенных установок и (или) систем». По смыслу 
это определение больше подходит как раз системе криогенного 
обеспечения, а в определение понятия «криогенный комплекс», 
по аналогии с определением понятия «криогенное хранилище», 
целесообразно добавить слово «сооружения». 
Криогенное хранилище − совокупность технологически и 
(или) территориально объединенного оборудования и сооружений, 
предназначенных для хранения криопродуктов. 
Криогенный комплекс − совокупность технологически и 
(или) территориально объединенных криогенных установок и 
(или) систем и сооружений (выделенное курсивом дополнение 
сделано автором). 
Приведенные ниже термины и определения заимствованы из 
проекта РТМ «Термины и определения криогенной техники». 
Они не являются обязательными к применению, тем более, что не 
бесспорны, и приводятся с примечаниями автора настоящего пособия. Однако эту терминологию полезно знать, так как она достаточно широко используется в отечественной технической 
литературе. 

Охлаждение − операция (процесс) понижения температуры и 
(или) отвода теплоты 1.  
Захолаживание − нестационарный процесс охлаждения объекта до рабочих температур 2.  
Отогрев оборудования − операция по повышению температуры объекта и (или) системы до заданной температуры. 
Криогенная установка − совокупность технологически объединенного оборудования, предназначенного для переноса тепла в 
окружающую среду от объекта или вещества при криогенной температуре и (или) для выработки продуктов с использованием криогенных процессов. 
Криорефрижератор − криогенная установка, предназначенная для отвода тепла от любых объектов в интервале температур Т < 120 К 3. 
Криоожижитель − криогенная установка, предназначенная 
для перевода вещества из газообразного состояния с температурой, близкой к температуре окружающей среды, в конденсированное состояние при Т < 120 К 4. 
Ступень охлаждения − ступень криогенной установки, в которой производится охлаждение прямого потока криоагента. 
Ступень внешнего охлаждения − ступень охлаждения, в которой отвод тепла (холодопроизводительность) предварительно 
обеспечивается с помощью внешнего холодильного или криогенного цикла, или с помощью другого криоагента, кипящего при более высокой температуре 5. 
Детандерная ступень охлаждения − ступень охлаждения, в 
которой холодопроизводительность обеспечивается за счет расширения криоагента в детандере. 
Дроссельная ступень охлаждения − ступень охлаждения, в 
которой холодопроизводительность обеспечивается за счет изотермического дроссель-эффекта. 
Криогенный потребитель (криопотребитель) − совокупность технологически объединенного оборудования, потребляющего продукцию криогенной техники в виде криопродукта и (или) 
холодопроизводительности при криогенной температуре. 
Криостатируемый объект − объект, криостатируемый за счет 
работы криогенной системы. 

                                                           
1 Правильнее – тепловой энергии. 
2 Термин аналогичен англ. “cool down”. 
3 Определение неудачно, так как не соответствует термодинамическому смыслу. 
4 См. предыдущее примечание.  
5 Определение неудачно, так как оставляет некоторые неясности. 

Погружной криостатируемый объект − объект, криостатирование которого осуществляется за счет погружения его в жидкий 
криоагент (криопродукт). 
Прокачной криостатируемый объект − криостатируемый 
объект, криостатирование которого осуществляется за счет прокачки криоагента по специально организованным каналам. 
Заливная система криостатирования − система криостатирования, осуществляющая криостатирование объектов путем залива их жидким криоагентом (криопродуктом) 6. 
Циркуляционная система криостатирования − система 
криостатирования, представляющая собой систему организованных каналов для циркуляции криоагента 7.  
Криогенерация − процесс, в котором при криогенных температурах создается холодопроизводительность или криопродукт. 
Криогенератор − криогенная машина, аппарат, установка, 
осуществляющие процесс криогенерации. 
Контур криогенной системы − совокупность криооборудования, объединенного технологическим потоком криоагента и выполняющего хотя бы одну из двух функций: криогенерации или криостатирования (или проведения операций с одним криопродуктом). 
Одноконтурная криогенная система − криогенная система, 
состоящая из одного контура и выполняющая по крайней мере одну из двух функций контура КС. 
Двухконтурная криогенная система − криогенная система, 
состоящая из двух контуров, каждый из которых выполняет по 
крайней мере одну из двух функций контура КС. 
Открытая криогенная система − криогенная система, вступающая в организованные массообменные взаимодействия с окружающей средой. 
Закрытая криогенная система − криогенная система, не 
вступающая в организованные массообменные взаимодействия с 
окружающей средой. 
Большинство вышеприведенных терминов широко используется в технической документации и литературе, однако авторы иногда вкладывают в одни и те же термины разный смысл.  

                                                           
6 Заливная система криостатирования предназначена для погружных криостатируемых объектов. 
7 Эта система предназначена для прокачного криостатируемого объекта. 

2. ОБЛАСТИ НАУКИ И ТЕХНИКИ,  

В КОТОРЫХ ИСПОЛЬЗУЮТСЯ  

КРИОГЕННЫЕ УСТАНОВКИ И СИСТЕМЫ 

2.1. Криостатирование сверхпроводящих устройств 

В этом разделе основное внимание уделено отраслям науки и 
техники, в которых используются те или иные СПУ, а также характеристикам СПУ как криостатируемых объектов. 
Энергетика будущего, очевидно, немыслима без использования 
СП магнитов, машин и кабелей. Можно выделить четыре основные 
направления энергетики, где перспективно использование СПУ.  
Производство энергии. Наиболее продвинутыми являются два 
направления: термоядерный синтез и использование магнитогидродинамических генераторов (МГД). На обоих направлениях основным элементом установки являются СП магнитные системы 
(СПМС), однако существенно отличающиеся друг от друга. СПМС 
установок типа Токамак представляет собой набор магнитных 
блоков тороидального типа, навитых сверхпроводящей шиной, 
содержащей каналы для прокачки гелия. Таким образом, каждый 
СПМ блок − типичный представитель прокачного криостатируемого объекта, а все вместе они образуют циркуляционную систему 
криостатирования. Криостатирование может осуществляться как 
однофазным, сверхкритическим, так и двухфазным и даже сверхтекучим (Не II) потоком гелия. Помимо основной системы криостатирования установки типа Токамак, как правило, используют 
целый ряд вспомогательных систем, в основном с погружными 
криостатируемыми объектами, но с существенно меньшей тепловой нагрузкой по сравнению с СПМС обмоток тороидального поля. Особенности МГД генераторов для прямого преобразования 
тепловой энергии низкотемпературной плазмы в электрическую 
требуют использования седлообразного СП магнита, являющегося 
пока наиболее крупным погружным криостатируемым объектом. 
Он размещается в уникальном криостате горизонтального типа, в 
котором количество залитого жидкого гелия, в зависимости от 
мощности МГД генератора, достигает нескольких десятков кубических метров. 

Накопление энергии. В качестве СП накопителей энергии 
предполагается использовать индуктивные накопители с СП магнитами. В их задачу входит как «покрытие» пиковых нагрузок сетей, так и решение ряда специальных задач, например для обеспечения работы таких импульсных систем, как систем для накачки 
лазеров и др. СП магниты для индуктивных накопителей, предназначенных для «покрытия» пиковых нагрузок, имеют диаметр в 
несколько десятков метров и используют естественно циркуляционную систему криостатирования. 
Преобразование энергии. Для преобразования энергии используются генераторы и двигатели переменного и постоянного 
тока. В отличие от предыдущих применений сверхпроводимости, 
для которых необходимо проведение значительного объема исследований и совершенствование различных устройств и систем, в 
том числе и не связанных с проблемами охлаждения, то для электрических машин таких проблем не существует или они представляются относительно несложными. Наиболее продвинуты работы 
в области синхронных генераторов переменного тока, позволяющих не только поднять электрический КПД, но и существенно 
увеличить единичную мощность (более 2000 МВт), что является 
наиболее актуальным для современных мощных электростанций. 
Не менее интересными и перспективными представляются работы 
по использованию СП двигателей и генераторов в надводном и 
подводном флоте, позволяющие не только снизить их весогабаритные характеристики, но и получить новые тактико-технические 
параметры. 
Передача энергии. В мире существует более десятка проектов 
СП линий электропередачи, криостатируемых однофазным сверхкритическим гелием с температурой до 10…12 К. 
Однако их практическое применение в большой степени зависит от конкурентоспособности альтернативных методов передачи 
электроэнергии. Не исключено, что по мере роста энергонасыщенности крупных промышленных центров применение СП ЛЭП 
большой мощности окажется предпочтительнее других способов 
передачи электроэнергии, однако в настоящее время работы по 
исследованию и проектированию крупных линий электропередач 
законсервированы практически во всех передовых странах мира. 
В физике высоких энергий применение СП магнитных устройств дает эффект, который был бы невозможен без использования 
криогенных систем. Речь идет об ускорителях со сверхпроводящими магнитами. Работающие ускорители HERA, TEVATRON, проекты таких мощных комплексов, как УНК-3000 и SUPER COLLIDER, 

подтверждают, что без использования криогенной техники дальнейшее продвижение в глубь мироздания невозможно. Однако 
стоимость таких комплексов настолько высока, что работы над 
ними сегодня приостановлены и в России, и в США. Очевидно, 
как и в случае с проектом международного опытного термоядерного реактора (ITER), финансируемого практически всеми развитыми странами, реализация названных комплексов будет возможна при объединении усилий большинства ведущих стран мира. 
Эти СПУ, как и СПК, характеризуются большой протяженностью 
(до 100 км), однако, в отличие от СПК, предъявляют жесткие требования к нагреву гелия в каждом из многих сотен диполей, расположенных вдоль ускорительного кольца. Поэтому циркуляционная система криостатирования имеет своеобразную конфигурацию, обеспечивающую минимальный нагрев закритического гелия 
в каждом из магнитов за счет теплообменивающегося с ним двухфазного потока гелия. 
Следующим по проработанности идеи и реализации в ближайшие годы может стать высокоскоростной наземный транспорт на 
магнитном подвесе. Данные о первых успехах в этой области были 
опубликованы еще в 1970-х годах, когда японские специалисты испытали первый вагон на магнитном подвесе с использованием СП 
магнитов. Увеличение скоростей движения наземного транспорта 
особенно актуально для стран с большой ежедневной миграцией 
населения на работу из загородных районов в мегацентры, что характерно для Японии и ряда европейских стран, а также для стран, в 
которых наблюдается большой сезонный пассажирский поток на 
значительные расстояния (Россия, США, Канада). Предполагается, 
что оптимальная скорость таких поездов составит 500 км/ч. 
На пути создания поездов на магнитном подвесе не ожидается 
каких-либо серьезных препятствий, однако отсутствие сегодня подобных линий наводит на мысль об их неконкурентоспособности с 
авиа- и автотранспортом, или на существование сил, препятствующих развитию этого направления. Что касается СП магнитов, 
установленных на транспортном средстве, то это чаще всего погружные криостатируемые объекты. 
СПУ применяются также в таких процессах, как обогащение 
руд, фильтрация воды и др., т. е. в процессах, где СП магниты обладают значительным преимуществом перед магнитами с точки 
зрения одного или нескольких свойств магнитного поля: градиент, 
величина и изменение по времени. Наибольший интерес до сих 
пор вызывают процессы разделения с использованием градиентных полей. Это естественное развитие хорошо отработанной тех