Un sistema che lavora a temperature criogeniche non è la versione rimpicciolita di uno a temperatura ambiente. Diverse cose cambiano qualitativamente.
Le proprietà dei materiali non sono costanti
Intorno alla temperatura ambiente, trattare conducibilità termica e calore specifico come costanti è di norma ragionevole. Nel campo criogenico non lo è: il calore specifico varia di ordini di grandezza con la temperatura, e la conducibilità presenta un massimo in molti materiali.
La conseguenza diretta: usare proprietà costanti in un'analisi in transitorio sbaglia nettamente il tempo di raffreddamento e la distribuzione di temperatura. Le proprietà vanno definite come funzioni della temperatura.
Il bilancio delle infiltrazioni termiche
Qualche watt che a temperatura ambiente sarebbe trascurabile può essere una parte significativa del carico frigorifero in un sistema criogenico — perché il lavoro necessario a rimuovere quel watt è, per il limite di Carnot, assai maggiore.
Lo scopo dell'analisi non è quindi di solito «quanto vale la temperatura» ma «quanto vale l'infiltrazione termica totale, e da dove viene». Le voci: conduzione attraverso i supporti, convezione nel gas residuo, irraggiamento fra superfici, passaggi di cavi e tubi.
L'irraggiamento conta più del previsto
Poiché il vuoto sopprime quasi del tutto la convezione, l'irraggiamento diventa il canale principale. L'isolamento multistrato e gli schermi radiativi sono perciò centrali nel progetto criogenico, e l'emissività delle superfici fissa direttamente le prestazioni. Si veda la nota sull'irraggiamento.
Il lato fluido
I fluidi criogenici lavorano vicino al punto critico; densità e calore specifico cambiano molto per piccole variazioni di pressione. Due fasi si formano facilmente e il rischio di cavitazione nelle pompe è alto. Si veda la nota sulla cavitazione.
Nemmeno la contrazione termica è trascurabile: le dimensioni differiscono fra stato freddo e caldo, il che incide sia sulla tenuta sia sulla resistenza di contatto. Si veda la nota sulla resistenza termica di contatto.
Riferimenti
- 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