Przechowywanie cieczy kriogenicznych i rodzaje izolacji cieplnych.

Wydział Mechaniczny
Katedra Energetyki i Aparatury Przemysłowej
Techniki niskotemperaturowe w medycynie
„Przechowywanie cieczy kriogenicznych
i rodzaje izolacji cieplnych”
Opracowała: Joanna Preis
Kierunek: inżynieria mechaniczno-medyczna
Semestr: I, mgr
Rok akademicki: 2012/2013
Gdańsk 2013
Spis treści
1.
Wprowadzenie .................................................................................................................................... 3
2.
Przechowywanie cieczy kriogenicznych ................................................................................... 4
3.
Mechanizmy wymiany ciepła......................................................................................................... 5
4.
Izolacje termiczne wypełnione gazem ....................................................................................... 6
5.
4.1
Pianki izolacyjne ........................................................................................................................ 7
4.2
Izolacje proszkowe .................................................................................................................... 8
4.3
Aerożele ......................................................................................................................................... 8
Instalacje próżniowe ......................................................................................................................... 9
5.1
Próżniowe ..................................................................................................................................... 9
5.2
Próżniowo – proszkowe ....................................................................................................... 10
5.3
Wielowarstwowe izolacje próżniowe ............................................................................. 10
Bibliografia ................................................................................................................................................. 13
1. Wprowadzenie
Kriogenika jest dziedziną nauki, która zajmuje się uzyskiwaniem bardzo niskich
temperatur (umownie poniżej 111,6K- normalna temperatura wrzenia metanu) oraz
badaniem własności, jakie wykazuje materia w tych temperaturach. Najbardziej
znaczące, dzięki którym kriogenika znalazła tak szerokie zastosowanie, to: spowolnienie
lub zatrzymanie wszelkich reakcji biologicznych (umożliwia to przechowalnictwo
żywności i tkanek), zmniejszanie nieuporządkowania substancji (wykorzystane np. w
detektorach, krioelektronice - znikają szumy) oraz przejawianie się nowych własności
materii (nadprzewodnictwo, nadciekłość). Zespół urządzeń, których zadaniem jest
otrzymanie odpowiednio niskich temperatur i utrzymanie optymalnych warunków
pracy, nazywany jest systemem kriogenicznym, natomiast stosowanym czynnikiem
roboczym jest ciecz kriogeniczna. Do najpowszechniej używanych zalicza się ciekły tlen
(90,2K), azot (77,3K), wodór (20,3K) oraz hel (4,2K). Skroplenie tych gazów, ich
transport i wykorzystywanie wymaga stosowania wysokoefektywnych izolacji
cieplnych.
2. Przechowywanie cieczy kriogenicznych
Ciecze kriogeniczne charakteryzują się wysokim współczynnikiem ekspansji, a więc
nie mogą być przechowywane w szczelnie zamkniętych zbiornikach, ponieważ istnieje
niebezpieczeństwo rozerwania. Z jednego litra cieczy kriogenicznej powstaje nawet
kilkaset litrów gazu.
Tabela 1. Współczynnik ekspansji wybranych cieczy kriogenicznych
tlen
azot
wodór
hel
LNG
O2
N2
H2
He
CH4
dwutlenek
węgla
CO2
temp. wrzenia
-183
-196
-253
-269
-161
-78,5
[° C]
ilość gazu z 1l
853
696
845
749
587
632
cieczy
Nie wolno szczelnie zamykać pojemników, jeśli nie posiadają żadnych zaworów
bezpieczeństwa lub innego zabezpieczenia przed pęknięciem w razie niepożądanego
wzrostu ciśnienia. Do przechowywania cieczy kriogenicznych 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. Jeśli kriogeny używane
są w zamkniętych pomieszczeniach niezbędna jest ich odpowiednia wentylacja.
Konieczne jest ponadto oszacowanie wielkości wycieku. Istotna jest również znajomość
własności cieczy, szczególnie wyporu hydrostatycznego, aby wiedzieć gdzie będzie
umiejscawiał się czynnik oraz w jaki sposób rozprzestrzeniał (np. pary helu lub wodoru
unoszą się do góry zaś azotu, podobnie jak większości gazów, osiadają na dole).
Do przechowywania skroplonych gazów i we wszelkich ich zastosowaniach
potrzebne są naczynia zapewniające maksymalną izolację od dopływu ciepła z
otoczenia.
3. Mechanizmy wymiany ciepła
Ze względu na odmienności mechanizmu przenoszenia energii cieplnej możemy
wyróżnić trzy rodzaje wymiany termicznej:

przewodzenie ciepła- polega na przekazywaniu energii przez bezładny ruch
cząsteczek i ich zderzenia. Zachodzi zarówno w gazach, cieczach, jak i ciałach
stałych. W płynach jest spowodowane zderzeniami i dyfuzją molekuł podczas ich
chaotycznego ruchu, natomiast w ciałach stałych zachodzi na drodze drgań
cząsteczek oraz transportu energii poprzez elektrony swobodne.

konwekcja- to forma wymiany ciepła pomiędzy ciałem stałym a omywającym je
płynem na skutek przemieszczania się masy płynu (cieczy lub gazu):
o naturalna (swobodna) – samoczynny ruch płynu wskutek różnicy gęstości
wynikającej z różnicy temperatury
o wymuszona – ruch płynu wywołany jest czynnikami zewnętrznymi
(pompa, wentylator itp.)

promieniowanieto energia wyemitowana przez materię w formie fal
elektromagnetycznych lub fotonów jako efekt zmian w konfiguracji elektronowej
atomów lub cząsteczek. Zupełnie inaczej niż przy przewodzeniu czy konwekcji
radiacyjna wymiana ciepła nie potrzebuje żadnego medium, ośrodka aby
zaistniała. W rzeczywistości radiacja w próżni jest najszybsza i nie słabnie w niej.
W rzeczywistości powyższe rodzaje wymiany ciepła występują w pewnych
kombinacjach, które uwzględnia się w obliczeniach. Zazwyczaj jeden z
mechanizmów jest dominującym w danym przypadku.
Zadaniem izolacji jest minimalizowanie dopływu ciepła z otoczenia, poprzez
hamowanie wyżej wymienionych procesów.
Skuteczność działania izolacji cieplnych istotnie wpływa na parametry pracy
urządzeń kriogenicznych i koszty ich eksploatacji.
4. Izolacje termiczne stosowane w technice kriogenicznej
Strumień ciepła przenikający przez izolację termiczną o przewodności cieplnej k
z otoczenia o temperaturze
do obszaru o temperaturze
ograniczonego
powierzchnią A wynosi:
Moc chłodziarki kompensującej dopływy ciepła do obszaru o temperaturze
może być wyznaczona ze wzoru:
,
stąd:
Na wykresie przedstawiono linią ciągła wartości przewodności cieplnej izolacji k
w funkcji temperatury kriostatowania (przy założeniu, że grubość izolacji wynosi
0,05m i
) oraz dla porównania przybliżone wartości przewodności
cieplnej izolacji stosowanych w kriotechnice.
Wykres 1. Pożądana wartość przewodności cieplnej k izolacji w zależności od poziomu temperatury kriostatowania
przy założeniu
,
oraz orientacyjne zakresy temparatur, w których stosowane są poszczególne rodzaje izolacji
5. Izolacje termiczne wypełnione gazem
Do krótkotrwałego przechowywania skroplonych gazów lub do ich przesyłu na
niewielkie odległości stosuje się izolacje cieplne wypełnione gazem, co znacznie
ogranicza mechanizm przewodzenia ciepła. Izolacje takie możemy spotkać w formie
pianek izolacyjnych, izolacji proszkowych lub aerożeli.
5.1 Pianki izolacyjne
Pianki izolacyjne są materiałami o zamkniętej strukturze komórkowej powstałej na
skutek rozprężania dużej ilości gazów wewnątrz porów polistyrenu, poliuretanu, gumy
lub krzemionki. W temperaturach kriogenicznych gaz wypełniający komórki ulega
skropleniu, a następnie zestaleniu, wytwarzając w ten sposób w komórkach pianek
próżnię i poprawiając ich własności izolacyjne. Izolacja piankowa znacznie zmniejsza
przewodzenie ciepła (tab.2) ze względu na bardzo niską gęstość (udział fazy stałej 2%).
Ponadto ograniczony jest również mechanizm konwekcji, do poszczególnych komórek,
pęknięć lub innych przestrzeni w strukturze pianki. Piankowe materiały izolacyjne są
wrażliwe na wilgoć, która gromadząc się w przestrzeni piankowej znacznie zwiększa
przewodność cieplną takiej izolacji, a nawet (po zamarznięciu) może prowadzić do
uszkodzenia mechanicznego. Dlatego też konieczne jest jej zabezpieczenie przed
zawilgoceniem. Ze względu na te wady izolacja piankowa nie jest preferowana w
zastosowaniach kriogenicznych. Jest jednak jedną z najtańszych form izolacji, o łatwej
technologii wykonania.
Tabela 2. Współczynnik przewodzenia ciepła λ pianek izolacyjnych stosowanych w kriogenice dla różnicy
temperatur 300-80 K
materiał pierwotny pianki
poliuretan
polistyren
guma
krzemionka
gęstość pianki
[kg/m3]
11
10
20
30
80
160
przewodność cieplna
pianki
[MW/m·K]
53
46
39
36
36
55
5.2 Izolacje proszkowe
Gazowe izolacje proszkowe składają się z rozproszonej fazy stałej w postaci
proszków oraz ciągłej fazy gazowej. Najczęściej stosowanymi proszkami są: perlit,
wermikulit, krzemionka koloidalna oraz szklane kulki (tzw. mikrosfery). Możliwe są
ruchy konwekcyjne gazu, ale dzięki obecności proszków w przestrzeni izolacyjnej są one
niewielkie, również promieniowanie jest silnie ograniczone. Materiały proszków
charakteryzują się niewielką przewodnością cieplną, a powierzchnie kontaktu pomiędzy
poszczególnymi ziarnami są niewielkie Współczynniki przewodzenia ciepła gazowych
izolacji proszkowych są zbliżone do wartości tych współczynników wyznaczonych dla
gazów wypełniających pory proszków i przestrzeń między ziarnami. Przykładowe
wartości tych współczynników podano w tabeli (tab.3).
Tabela 3. Współczynnik przewodzenia ciepła λ materiałów proszkowych i włóknistych wypełnionych
gazem (N2, powietrze) stosowanych w kriogenice dla różnicy temperatur 300-80K
materiał
perlit
mikrosfery szklane
wermikulit
przewodność cieplna [mW/m·K]
26-44
22,1
52
5.3 Aerożele
Aerożele są materiałami będącymi rodzajem sztywnej piany o wyjątkowo małej
gęstości. Obecnie są najlżejszymi substancjami stałymi. Mają gęstość rzędu
1,9150 mg/cm³, a zatem niewiele większą od gęstości powietrza (1,2 mg/cm³).
Charakteryzują się bardzo rozrzedzoną budową szkieletową, ponad 98% objętości to
powietrze, resztę stanowi porowaty materiał tworzący strukturę. Aerożele w izolacjach
kriogenicznych to ciała stale wytworzone głównie na bazie krzemionki. Stosuje się je
głównie w postaci granulatu aerożelowego. Aerożele są też obecnie materiałami o
najmniejszym dla ciał stałych współczynniku przewodnictwa ciepła λ= 10-15 mW/m K.
Funkcjonują jako izolatory cieplne przede wszystkim dzięki temu, że minimalizują
przewodnictwo, konwekcję i promieniowanie.
Ponieważ głównym mechanizmem przenikania ciepła przez proszkowe i aerożelowe
izolacje gazowe jest jego przewodzenie przez gaz, zatem poprawę ich własności
izolacyjnych można uzyskać przez wytworzenie w przestrzeni wypełnionej proszkiem
próżni.
6. Izolacje próżniowe
Przełomem w rozwoju kriogeniki okazało się wynalezienie przez Jamesa Dewara
izolacji próżniowej, co pozwoliło mu, w roku 1898, na skroplenie wodoru. Wyprzedził
on tym samym Karola Olszewskiego, który wespół z Zygmuntem Wróblewskim skroplił
powietrze i jego składniki w roku 1883, natomiast ze względu na brak skutecznej izolacji
nie zdołał uzyskać skroplonego wodoru.
Naczynie
Dewara to szklany lub metalowy cylinder o podwójnych ściankach.
Wykonuje się go w ten sposób, aby między jego ściankami powstała przestrzeń, z której
wypompowuje się powietrze, tak, aby uzyskać możliwie jak najdoskonalszą próżnię
techniczną w tym miejscu. Bardzo niskie ciśnienie gazu w tej przestrzeni gwarantuje
skrajnie małą przewodność całego układu, gdyż niemal do zera spada możliwość
przekazywania ciepła przez konwekcję.
6.1 Próżniowe
Istotą działania izolacji próżniowej jest obniżanie zdolności przewodzenia ciepła przez
rozrzedzane gazy. Po zmniejszeniu ciśnienia gazu poniżej pewnego poziomu, ilość
przewodzonego ciepła przez ten gaz jest wprost proporcjonalna do jego ciśnienia. W
konsekwencji, uzyskując odpowiednio niskie ciśnienie, można w przestrzeni
oddzielającej kriogen od otoczenia uzyskać warunki, w których ilość przewodzonego
ciepła przez gaz staje się pomijalnie mała. Jeżeli ciśnienie resztkowe gazu jest niższe od
10-5 Pa, to uzasadnione staje się założenie, że poprzez izolację próżniową ciepło jest
przekazywane jedynie na drodze promieniowania. Aby zmniejszyć emisyjność
powierzchni pokrywa się je warstewką srebra. Wadą izolacji próżniowych jest ich duża
czułość na poziom próżni (niewielki wzrost ciśnienia gazu powoduje znaczny wzrost
ilości ciepła dopływającego do powierzchni izolowanej. Dlatego też próżnia powinna być
okresowo regenerowana lub w przypadku dużych instalacji kriogenicznych,
pompowana w sposób ciągły.
6.2 Próżniowo – proszkowe
Przestrzeń pomiędzy ściankami, w której uzyskuje się głębokie podciśnienie,
dodatkowo wypełniona jest rozproszoną faza stałą. Aby utrzymać próżnię na
odpowiednim poziomie należy zastosować materiały izolacyjne, które nie będą
uwalniały gazów powodujących degradację próżni, a co więcej będą posiadać własności
sorpcyjne gazów i wilgoci. Takimi materiałami są perlit oraz aerożele. Izolacje
proszkowo-próżniowe są podstawowym sposobem izolowania dużych zbiorników
magazynowych skroplonych gazów, z wyjątkiem helu. Obecność proszków w
przestrzeni próżniowej jest korzystna ze względów konstrukcyjnych (stanowią one
podporę zbiornika wewnętrznego). W przypadku dużych zbiorników stosunek objętości
do powierzchni jest duży i dopływy ciepła przypadającego na jednostkę
magazynowanego gazu są akceptowalne, pomimo dość wysokich współczynników
przewodzenia ciepła przez te izolacje (tab.4).
Tabela 4. Współczynnik przewodzenia ciepła λ izolacji próżniowej wypełnionej materiałami proszkami
i włóknistymi dla różnicy temperatur 300-80K, ciśnienia gazu p<102 Pa
materiał proszków
perlit
aerożel
mikrosfery szklane
aerożel +Al
wełna mineralna
gęstość [kg/m3]
60
140
80
230
160
50
przewodność cieplna
[mW/m·K]
2,1
1,0
1,6
0,72
0,35
1,7
6.3 Wielowarstwowe izolacje próżniowe
Obecnie obserwuje się tendencje zastępowania w kriogenicznych instalacjach
przemysłowych izolacji proszkowo-próżniowych izolacjami wielowarstwowymi
zwanymi również supeizolacjami. Stało się to możliwe dzięki spadkowi kosztów
wykonania takiej izolacji, początkowo stosowanej jedynie w niskotemperaturowych
urządzeniach badawczych oraz kosmicznych. Superizolacja utworzona jest z wielu
równoległych do siebie ekranów umieszczonych w szczelnym płaszczu otaczającym
zbiornik na skroplony gaz (lub też inne urządzenie kriogeniczne). Ekrany oddzielone są
od siebie materiałem o małym współczynniku przewodzenia ciepła.
Ponadto w szczelnym płaszczu panuje próżnia. Na rysunku (rys.1.) przedstawiono
schemat ideowy izolacji wielowarstwowej.
Rysunek 1. Wielowarstwowa izolacja próżniowa - schemat ideowy
Stosuje się warstwę superizolacji o grubości kilku centymetrów. Taka konstrukcja
pozwala znacznie obniżyć dopływ ciepła dzięki:


znacznemu zmniejszeniu "przenikania” ciepła między zewnętrznymi
powierzchniami superizolacji drogą przewodzenia i promieniowania,
wyeliminowaniu konwekcji.
Wymiana ciepła przez promieniowanie przy dużej różnicy temperatur (temperatura
otoczenia z jednej i temperatura skroplonego gazu z drugiej strony) jest intensywna.
Zmniejszanie jej uzyskuje się przez zastosowanie dużej liczby (około 15 - 40 na 1 cm)
ekranów o wysokiej zdolności odbijania.
Rysunek 2. Schemat wymiany ciepła przez wielowarstwową izolację próżniową
Ekrany w superizolacjach wykonane są z cienkich folii organicznych o grubości
około
6 μm, pokrytych, po obu stronach lub po jednej, warstwą aluminium, złota,
srebra lub cyny o grubości około 0,25μm. Może być też stosowana na ekrany folia
aluminiowa.
Uzyskiwanie najefektywniejszego sposobu izolowania cieplnego wymaga stosowania
materiałów o odpowiednich właściwościach. Równie duży wpływ na ilość ciepła
przenikającego przez wielowarstwową izolację próżniową ma odpowiedni sposób
instalacji dobranych materiałów na izolowanej powierzchni. Może bowiem dojść do
sytuacji, że pomimo zastosowania wysokiej jakości materiałów izolacja nie osiągnie
wymaganych właściwości cieplnych.
Bibliografia
1. Chorowski M., Poliński J., „Kriogeniczne izolacje próżniowe w modelowaniu i
praktyce inżynierskiej cz. I i II”, Chłodnictwo&Klimatyzacja, nr 5. i 6., 2004 r.
2. Chorowski M., Konopka G., „Zasady bezpiecznego posługiwania się czynnikami
kriogenicznymi”, Laboratorium z kriogeniki, Politechnika Wrocławska, Instytut
Techniki Cieplnej i Mechaniki Płynów, Zakład Chłodnictwa i Kriogeniki, Wrocław
1999r.
3. Chorowski M., „Kriogenika : podstawy i zastosowania”, IPPU Masta, Gdańsk,
2007r.
4. Fodemski T., „Konstrukcja i własności cieplne superizolacji”, Biuletyn
Informacyjny Instytutu Techniki Cieplnej Politechniki Warszawskiej nr 39, 1973r.
5. http://www.aerogels.pl/
6. http://www.technifab.com/cryogenic-resource-library/cryogenicinsulation.html