Процесс поддерживания постоянной температуры на уровне ниже 120 к в каком-либо объеме или среде. Для этого необходимо обеспечить перенос теплоты с нижнего температурного уровня Тх на верхний Т 0, равный температуре окружающей среды.
Для цикла термостатирования наилучшим образом в качестве идеального подходит цикл Карно (рис. 14).
Процесс переноса теплоты с нижнего температурного уровня на верхний осуществляют с помощью рабочего вещества − криоагента, циркулирующего в установке.
В качестве рабочего вещества в реальных установках используют различные газы, такие, как азот, гелий, неон, воздух и др.
Количество теплоты Q х, отводимой с использованием установки в единицу времени при температуре ниже окружающей среды, называют полезной холодопроизводительностью. Часто полезную холодопроизводительность относят к единице расхода циркулирующего в системе криогента Gi. Такую величину называют удельной холодопроизводительностью:
(26)
 а)
|  б)
|
Рис. 14. Обратимый цикл термостатирования.
а) схема обратимого цикла термостатирования; б) изображение обратимого цикла термостатирования в T − s координатах:
1-2 − изотермическое сжатие; 2-3 – адиабатическое расширение; 3-4 – изотермическое расширение; 4-1 – адиабатическое сжатие
Минимальная работа, которую надо затратить в цикле Карно определяется по формуле:
. (27)
Количество теплоты, отводимой в окружающую среду,
(28)
соответствует площади a −2−1− b (рис. 14, б).
Количество теплоты, отводимое от объекта термостатирования
(29)
соответствует площади a −3−4− b (рис. 14, б).
Таким образом,
(30)
Работе lmin на диаграмме соответствует площадь 1−2−3−4.
Кроме цикла Карно с двумя изотермами и двумя изоэнтропами, можно представить другие обратимые циклы для получения холода на уровне температуры Tx. Такие циклы называют обобщенными цикламиКарно. Обобщенный цикл Карно состоит из двух изотерм и двух конгруэнтных (эквидистантных) линий.
В качестве примера рассмотрим цикл, состоящий из двух изотерм и двух изобар.
Такой цикл называют циклом Эриксона (рис. 15). Минимальная работа в таком цикле определяется по формуле:
(31)
и соответствует 
.
Рис. 15. Изобарно-изотермический цикл термостатирования:
а − схема; б − диаграмма Т − s
Криогенное охлаждение
Рассмотрим охлаждение газа при установившемся изобарном процессе.
Принципиальная схема и идеальный цикл такого процесса представлены на рис. 16.
а)
| 
б)
|
| рис. 16. Принципиальная схема и цикл охлаждения: а) схема обратимого цикла охлаждения газа (сплошная линия − рабочее вещество, штриховая линия − охлаждаемый газ); б) обратимый цикл охлаждения газа в диаграмме Т − s | |
Если температура охлаждаемого вещества снижается от Tx ’ до Tx ”, то от единицы массы вещества отводится теплота
, (32)
где 
и 
− энтальпии охлаждаемого вещества при давлении p х и температуре 
и 
.
Цикл для осуществления процесса охлаждения 4 ′ -3 ′ состоит из процессов: 1-2 − изотермического сжатия; 2-3 − адиабатического расширения; 3-4 − изобарного нагрева в теплообменнике; 4-1 − адиабатического сжатия.
Процесс теплообмена в теплообменнике характеризуется отсутствием гидравлических потерь, а также равенством температур охлаждаемого и нагреваемого газа во всех сечениях аппарата.
Работа, затрачиваемая в таком цикле, может быть определена из уравнения энергетического баланса:
(33)
Заменив qk и qx соответствующими значениями, получим
. (34)
