Ein bei kryogenen Temperaturen arbeitendes System ist keine verkleinerte Ausgabe eines Systems bei Raumtemperatur. Mehreres ändert sich qualitativ.
Stoffwerte sind nicht konstant
Um die Raumtemperatur herum ist es meist vertretbar, Wärmeleitfähigkeit und spezifische Wärmekapazität als Konstanten zu behandeln. Im kryogenen Bereich ist es das nicht: Die spezifische Wärmekapazität ändert sich über Größenordnungen mit der Temperatur, und die Leitfähigkeit durchläuft bei vielen Werkstoffen ein Maximum.
Die unmittelbare Folge: Mit konstanten Stoffwerten trifft eine instationäre Analyse die Abkühlzeit und die Temperaturverteilung deutlich falsch. Die Stoffwerte müssen als Funktionen der Temperatur definiert werden.
Die Wärmeeintragsbilanz
Ein paar Watt, die bei Raumtemperatur vernachlässigbar wären, können in einem kryogenen System ein erheblicher Teil der Kältelast sein — weil die Arbeit, die zum Abführen dieses Watts nötig ist, nach der Carnot-Grenze weit größer ausfällt.
Zweck der Analyse ist daher meist nicht „wie hoch ist die Temperatur", sondern „wie groß ist der gesamte Wärmeeintrag, und woher kommt er". Die Posten: Wärmeleitung über Stützen, Konvektion über Restgas, Strahlung zwischen Flächen, Kabel- und Rohrdurchführungen.
Die Wärmestrahlung zählt mehr als erwartet
Weil die Konvektion durch Vakuum nahezu vollständig unterdrückt ist, wird die Strahlung zum Hauptkanal. Mehrlagenisolierung und Strahlungsschilde stehen daher im Zentrum der kryogenen Auslegung, und der Emissionsgrad der Oberflächen bestimmt die Leistung unmittelbar. Siehe die Strahlungsnotiz.
Die Fluidseite
Kryogene Fluide arbeiten nahe am kritischen Punkt; Dichte und spezifische Wärmekapazität ändern sich bei kleinen Druckänderungen stark. Zwei Phasen bilden sich leicht, und die Kavitationsgefahr in Pumpen ist hoch. Siehe die Notiz zur Kavitation.
Auch die thermische Schrumpfung ist nicht vernachlässigbar: Die Abmessungen im kalten und im warmen Zustand unterscheiden sich, was sowohl die Dichtheit als auch den Kontaktwiderstand berührt. Siehe die Notiz zum thermischen Kontaktwiderstand.
Referenzen
- Modest, M. F. & Mazumder, S. (2021). Radiative Heat Transfer, 4th ed. Academic Press. ISBN 978-0-323-98406-5.
- Shah, R. K. & Sekulić, D. P. (2003). Fundamentals of Heat Exchanger Design. John Wiley & Sons. DOI: 10.1002/9780470172605