Przechowywanie cieczy kriogenicznych i rodzaje izolacji cieplnych.

POLITECHNIKA GDAŃSKA
TECHNIKI NISKOTEMPERATUROWE W
MEDYCYNIE
,,Przechowywanie cieczy kriogenicznych i rodzaje
izolacji cieplnych.”
Kamila Browarczyk
Inżynieria Mechaniczno - Medyczna
semestr I, II stopień
2012/2013
Spis treści:
1.
3
Definicja kriogeniki...............................................................................................................
2.
Zagrożenia związane z cieczami kriogenicznymi …............................................................ 3
3.
3
Przechowywanie cieczy kriogenicznych …..........................................................................
4.
5
Izolacje cieplne......................................................................................................................
5.
9
Bibliografia ….......................................................................................................................
1. Definicja kriogeniki.
Kriogenika to dziedzina chłodnictwa zajmująca się techniką niskich temperatur czyli tych
poniżej 120K. Jej zadaniem jest z otrzymywanie, utrzymanie i wykorzystanie tych temperatur.
Systemem kriogenicznym można więc określić zespół urządzeń, których zadaniem jest
otrzymywanie odpowiednio niskich temperatur i utrzymanie optymalnych warunków pracy
urządzenia, poprzez wykorzystanie instalacji chłodniczych pracujących na cieczach kriogenicznych.
Do najpowszechniej używanych w technice kriogenicznych czynników zalicza się:
- azot
- tlen
- hel
- wodór
- argon
2. Zagrożenia związane z cieczami kriogenicznymi.
Z cieczami kriogenicznym związane są liczne zagrożenia, przy stosowaniu cieczy
kriogenicznych należy więc ściśle stosować się do zasad BHP.
Ciecze kriogeniczne charakteryzują się wysokim współczynnikiem ekspansji, a więc nie
mogą być przechowywane w szczelnie zamkniętych pomieszczeniach, ponieważ istnieje
niebezpieczeństwo rozerwania.
Zagrożenia:
- bardzo niska temperatura cieczy i par (szybkie i głębokie odmrożenia podobne do oparzeń),
- bardzo duży współczynnik ekspansji (niebezpieczeństwo rozerwania),
- zmniejszenie zawartości tlenu w powietrzu (poniżej 15% tlenu – może nastąpić uduszenie),
- zagrożenie pożarowe
3. Przechowywanie cieczy kriogenicznych.
Do przechowywania zimnych substancji wykorzystujemy:
- zbiorniki ciśnieniowe, które posiadają zwykle dwa zawory bezpieczeństwa,
- zbiorniki otwarte, do których jest dopasowany luźny korek,
- nie wolno nigdy zostawiać cieczy w zamkniętych przestrzeniach,
- należy stosować zawory bezpieczeństwa,
Zbiornik do przechowywania i transportowania kriocieczy.
1. wewnętrzny zbiornik
2. szyjka (cienkościenna rura ze stali nierdzewnej)
3. kołnierz
4. kołnierz
5. rurowy wymiennik ciepła
6. rurowy wymiennik ciepła
7. rurka
8. otwór wlotowy do wymiennika 5
9. rurka wylotowa wymiennika 6
10. zawór
12. uszczelniony wlew cieczy kriogenicznej
13. zawór
14. ekran cieplny
15. ekran cieplny
16. wielowarstwowa izolacja cieplna
17. wielowarstwowa izolacja cieplna
18. osłona próżniowa
4. Izolacje cieplne.
W każdym urządzeniu kriogenicznym istnieje konieczność izolowania obszarów
niskotemperaturowych od dopływów ciepła z otoczenia. Skuteczność działania izolacji cieplnych
istotnie wpływa na parametry pracy urządzeń kriogenicznych i koszty ich eksploatacji.
W zagadnieniach wymiany ciepła rozróżnia się trzy zasadnicze jej rodzaje:
- przewodzenie ciepa - to zjawisko, które polega na wymianie energii przez bezpośrednią styczność
cząstek ciała. Należy pamiętać, że w cieczach i ciałach stałych przenoszenie energii odbywa się za
pośrednictwem fal sprężystych, w gazach – drogą dyfuzji atomów i cząstek, natomiast w metalach
przez dyfuzję wolnych elektronów.
- konwekcja - pojęcie konwekcji odnosi się do przenoszenia energii drogą mieszania się cząsteczek
i występuje zawsze jednocześnie z przewodzeniem ciepła. Zjawisko to zachodzi tylko w cieczach i
gazach i zależy w dużym stopniu od stanu i rodzaju cieczy.
- promieniowanie - zjawisko rozchodzenia się energii w postaci fal elektromagnetycznych. W
odróżnieniu od konwekcji i przewodzenia, promieniowanie nie wymaga ośrodka materialnego,
ponieważ może się rozchodzić w próżni. Energia promieniowania przenosi się z prędkością równą
prędkości światła, co wnioskujemy z elektromagnetycznego pochodzenia tej energii.
Wyróżniamy dwa główne rodzaje izolacji cieplnych:
-izolacje termiczne wypełnione gazem
-izolacje próżniowe
Izolacje termiczne wypełnione gazem.
W urządzeniach kriogenicznych służących do krótkotrwałego przechowywania skroplonych
gazów lub ich przesyłu na niewielkie odległości stosuje się izolacje cieplne wypełnione gazem.
Izolacje takie wykorzystuje się w postaci pianek izolacyjnych, izolacji proszkowych lub aerożeli.
Pianki izolacyjne.
Charakteryzują się zamkniętą strukturą komórkową powstałą na skutek rozprężania dużej
ilości gazu wewnątrz porów polistyrenu, poliuretanu, gumy lub krzemionki. Gazami stosowanymi
do wytwarzania struktury są fluorowodory lub CO2. Faza stała stanowi niski udział, pozostałą
objętość stanowią zamknięte komórki. W temperaturach kriogenicznych gaz wypełniający komórki
ulega skropleniu, a następnie zestaleniu, wytwarzając w ten sposób w komórkach pianek próżnię i
poprawiając ich własności izolacyjne. Zawilgocenie pianek pogarsza ich własności izolacyjne a ich
przemarznięcie może uszkodzić mechanicznie izolacje. Silna rozszerzalność cieplna powoduje
pękanie i odrywanie się od zaizolowanych powierzchni w niskich temperaturach. Zaletą pianek
izolacyjnych jest ich niska cena i łatwa technologia wykonania.
Gazowe izolacje proszkowe.
–
–
Uzyskuje się je poprzez wypełnienie przestrzeni izolacyjnej proszkami, takimi jak:
perlit – materiał pochodzenia wulkanicznego, powstał z lawy z uwiezionymi kroplami wody,
wermikulit - materiał pochodzenia wulkanicznego, powstał z lawy z uwiezionymi kroplami
wody,
–
krzemionka koloidalna – cząsteczki krzemienia wytwarzane pod wpływem wysokiej
temperatury,
–
mikrosfery (szklane kulki) – powstają po zmieleniu szkła sodowo-wapienno-bromokrzemowego i ogrzaniu do ukształtowania szklanych kulek,
–
granulki aerożelu - ciała stałe o budowie szkieletowej, 98 % to powietrze,
Obecność proszków eliminuje konwekcję i ogranicza silne promieniowanie. Materiały
proszków charakteryzują się niewielką przewodnością cieplną, a powierzchnie kontaktu pomiędzy
poszczególnymi ziarnami są niewielkie. Wraz ze wzrostem powierzchni kontaktu pomiędzy
ziarnami proszków spada skuteczność a tym samym poprawiają się warunki przewodzenia ciepła.
Izolacje prożniowe.
W izolacjach próżniowych istotą jest zastosowanie naczynia o podwójnych ściankach,
pomiędzy którymi jest próżnia. Powierzchnie ścianek od strony próżni powinny mieć niską
emisyjność a pomiędzy nimi nie powinny występować mostki cieplne. Po obniżeniu ciśnienia gazu
poniżej pewnego poziomu, ilość przewodzonego ciepła przez ten gaz jest wprost proporcjonalna do
jego ciśnienia. W celu obniżenia ciepła przekazywanego przez promieniowanie, wymagane jest
stosowanie materiału o niskiej emisyjności lub pokrywania wewnętrznych powierzchni takimi
materiałami jak srebro lub aluminium. Izolacja ta jest bardzo czuła na poziom próżni. Stosowana
jest w konstrukcjach o niewielkich gabarytach.
Izolacja proszkowo-próżniowa.
W izolacji tej ciśnienie gazu powinno zostać obniżone do takiego poziomu, aby droga
swobodna cząstek gazu była większa niż odległość między ziarnami proszków. Do wypełnień
izolacji proszkowo-prożniowych należą:
–
perlity
–
aerożele
–
mikrosfery szklane
Stosuje się materiały domieszkowe o większej zdolności odbijania promieniowania takie jak
miedź czy aluminium. Izolację tego typu stosuje się do izolowania zbiorników z ciekłymi
składnikami powietrza i metanem oraz kriogenicznych kolumn rektyfikacyjnych oraz do izolacji
dużych zbiorników magazynowych skroplonych gazów oprócz helu.
Wielowarstwowe izolacje próżniowe.
Izolacja ta polega na umieszczeniu w przestrzeni próżniowej od kilku do kilkudziesięciu
biernych ekranów radiacyjnych o niskiej emisyjności powierzchni. Przedziela się je przekładkami z
materiałów o małej przewodności cieplnej. Materiałami na ekrany są:
–
złoto
–
srebro
–
miedź
–
aluminium
W celu ułatwienia wytwarzania próżni pomiędzy ekranami izolacji wykonuje się w nich
otwory.
Izolacje próżniowe z czynnymi ekranami.
O izolacji takiej mówimy jeżeli temperatura ekranu umieszczonego w przestrzeni
próżniowej jest utrzymywana na stałym poziomie przez zastosowanie zewnętrznego chłodzenia.
Chłodzenie może odbywać się z wykorzystaniem zimnych par helu wracających do skroplarki lub z
wykorzystaniem ciekłego azotu.
5. Bibliografia.
1. Chorowski M.: „Kriogenika podstawy i zastosowania“.
2. Wesołowski A.: „Urządzenia chłodnicze i kriogeniczne oraz ich pomiary cieplne”,
Wydawnictwa Naukowo-Techniczne, Warszawa 1980