Przechowywanie cieczy kriogenicznych i rodzaje izolacji cieplnych

TECHNIKI NISKOTEMPERATUROWE
W MEDYCYNIE
„Przechowywanie cieczy kriogenicznych i rodzaje
izolacji cieplnych”
Imię i nazwisko: Olga Gałązka i Mateusz Pawelec
Rok akademicki: 2011/2012
Semestr: II magisterski
Kierunek: Inżynieria Mechaniczno-Medyczna
Data: 28.12.2011 r.
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. Począwszy od prac Jamesa Dewara, rozwój izolacji kriogenicznych często
decydował o stosowaniu niskich temperatur w coraz to nowszych dziedzinach techniki i
nowych technologiach [1].
W zagadnieniach wymiany ciepła rozróżnia się trzy zasadnicze jej rodzaje [2]:
 Przewodzenie ciepła;
 Konwekcja;
 Promieniowanie.
Podział ten wynika z odmienności mechanizmu przenoszenia energii cieplnej.
W rzeczywistości powyższe rodzaje wymiany ciepła w czystej postaci spotykamy niezwykle
rzadko. Z reguły występują one w pewnych kombinacjach, które uwzględnia się
w obliczeniach [2].
Przewodzenie ciepła to zjawisko, które polega na wymianie energii przez bezpośrednią
styczność cząstek ciała. Należy pamiętać, że w cieczach i ciałach stałych (dielektrykach)
przenoszenie energii odbywa się za pośrednictwem fal sprężystych, w gazach – drogą dyfuzji
atomów i cząstek, natomiast w metalach przez dyfuzję wolnych elektronów [2].
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 [2].
Zjawisko rozchodzenia się energii w postaci faz elektromagnetycznych nazywamy
promieniowaniem ciepła. W odróżnieniu od przewodzenia i konwekcji promieniowania nie
wymaga ośrodka materialnego, w którym mogłoby się rozchodzić, gdyż może się ono także
rozchodzić w próżni. Promieniowanie ciepła różni się od przewodzenia i konwekcji tym,
że wiąże się ono ze zmianą energii cieplnej na energię promieniowania i odwrotnie (energii
promieniowania na cieplną). Wymiana ciepła przez promieniowanie może być często
pomijana przy umiarkowanych temperaturach, a jej wpływ staje się coraz większy w miarę
wzrostu temperatury ciał wymieniających ciepło, co wynika z charakteru zależności ilości
energii wypromieniowanej od temperatury ciała wysyłającego. Energia promieniowania
przenosi się z prędkością równą prędkości światła, co wnioskujemy z elektromagnetycznego
pochodzenia tej energii [2].
Istnieje podział na 2 główne rodzaje izolacji cieplnych: izolacje termiczne wypełnione
gazem i izolacje próżniowe.
W
urządzeniach
kriogenicznych
służących
do
krótkotrwałego
przechowywania
skroplonych gazów lub ich przesyłu na niewielkie odległości stosuje się izolacje cieplne
wypełnione gazem. Izolacje takie wykonuje się w postaci pianek izolacyjnych lub izolacji
proszkowych. [1]
Pianki izolacyjne charakteryzują się zamkniętą strukturą komórkową powstałą na skutek
rozprężania dużej ilości gazów wewnątrz porów polistyrenu, poliuretanu, gumy lub
krzemionki. Gazami stosowanymi do wytwarzania struktury komórkowej w materiałach
pierwotnych są fluorowodory lub CO2. Udział fazy stałej w objętości pianki jest niewielki
i wynosi około 2%. Pozostałą objętość tworzą zamknięte komórki o średnicy od 0,01 do 0,1
mm. W temperaturach kriogenicznych gaz wypełniający komórki ulega skropleniu,
a następnie zestaleniu, wytwarzając w ten sposób w komórkach pianek próżnię i poprawiając
ich własności izolacyjne. Niewątpliwą zaletą pianek jest ich niska cena i łatwa technologia
wykonania [1].
Gazowe izolacje proszkowe można uzyskać przez wypełnienie przestrzeni izolacyjnej
proszkami takimi jak perlit, wermikulit, krzemionka koloidalna, szklane kulki (tzw.
mikrosfery) lub granulki aerożelu. Dzięki obecności proszków w przestrzeni izolacyjnej
konwekcja jest praktycznie wyeliminowana, a promieniowanie silnie ograniczone. Materiały
proszków charakteryzują się niewielką przewodnością cieplną, a powierzchnie kontaktu
pomiędzy poszczególnymi ziarnami są niewielkie [1].
Skuteczność gazowych izolacji proszkowych maleje wraz ze wzrostem ich gęstości
nasypowej powodującym wzrost powierzchni kontaktu pomiędzy poszczególnymi ziarnami
proszków, a w konsekwencji poprawę warunków przewodzenia ciepła przez ciało stałe.
Poprawę ich własności izolacyjnych można uzyskać przez wytworzenie w przestrzeni
wypełnionej proszkiem próżni, bo głównym mechanizmem przenikania ciepła przez
proszkowe izolacje gazowe jest jego przewodzenie przez gaz [1].
Istotą izolacji próżniowej jest zastosowanie naczynia o podwójnych ściankach, pomiędzy
którymi wytworzona zostaje próżnia. Powierzchnie ścianek od strony próżni powinny
cechować się możliwie niską emisyjnością. Pomiędzy ściankami 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 konsekwencji uzyskując
odpowiednio niskie ciśnienie, przy braku mostków cieplnych, można w przestrzeni
oddzielającej kriogen od otoczenia uzyskać warunki, w których ilość przewodzonego ciepła
przez gaz staje się pomijalnie mała, a ciepło jest przekazywane jedynie na drodze
promieniowania. Obniżenie ilości ciepła przekazywanego przez promieniowanie wymaga
stosowania materiałów o niskiej emisyjności lub pokrywania wewnętrznych powierzchni
naczyń próżniowych takimi materiałami [1].
Izolacje próżniowe stosuje się w konstrukcjach charakteryzujących się niewielkimi
gabarytami, a wartość emisyjności powierzchni materiałów uczestniczących w wymianie
ciepła zmniejsza się wraz ze spadkiem temperatury. W takich warunkach pracy izolacja
próżniowa często okazuje się najlepszym rozwiązaniem pod względem zdolności
izolacyjnych. Wadą tych izolacji jest duża czułość na poziom próżni, a nawet niewielki
wzrost ciśnienia gazu powoduje znaczny wzrost ilości ciepła dopływającego do powierzchni
izolowanej [1].
Drugim rodzajem izolacji próżniowej jest izolacja proszkowo-próżniowa, gdzie ciśnienie
gazu powinno zostać obniżone do takiego poziomu, aby droga swobodna cząstek gazu była
większa niż odległość między ziarnami proszków. Utrzymywanie próżni na odpowiednim
poziomie wymaga, aby materiały izolacyjne nie uwalniały w dłuższym okresie czasu gazów
powodujących degradację próżni, dlatego typowymi wypełnieniami takich izolacji są perlit,
aerożele oraz mikrosfery szklane. Stosowanie izolacji próżniowych wypełnionych
materiałami włóknistymi jest sporadyczne i bardzo rzadkie w porównaniu z izolacjami
proszkowo-próżniowymi.
Izolacje proszkowo-próżniowe znajdują zastosowanie głównie do izolowania zbiorników
z ciekłymi składnikami powietrza i metanem oraz kriogenicznych kolumn rektyfikacyjnych.
Nie są one stosowane w instalacjach helowych. Ponadto są podstawowym sposobem
izolowania dużych zbiorników magazynowych skroplonych gazów, z wyjątkiem helu.
Obecność proszków w przestrzeni próżniowej jest korzystna ze względów konstrukcyjnych,
ponieważ stanowią one podporę zbiornika wewnętrznego [1].
Wielowarstwowa izolacja próżniowa jest trzecim rodzajem izolacji próżniowej. Polega
ona na umieszczeniu w przestrzeni próżniowej od kilku do kilkudziesięciu biernych ekranów
radiacyjnych o niskiej emisyjności powierzchni (rys. 1). Ekrany takie rozdziela się
przekładkami wykonanymi z materiałów o małej przewodności cieplnej, natomiast
powierzchnie materiałów stosowanych jako ekrany radiacyjne powinny cechować się niską
emisyjnością, dlatego stosuje się na nie: srebro, złoto, miedź i aluminium. Obecnie ekrany
wykonuje się głównie z folii polietylenowych pokrytych jednostronnie lub dwustronnie
warstwą aluminium. Ze względu na bardzo dobre właściwości izolacyjne wielowarstwową
izolację próżniową nazywa się superizolacją [1].
Rys. 1. Wielowarstwowa izolacja próżniowa: schemat ideowy [1].
Na rysunku 2 zaznaczone zostały przybliżone wartości przewodności cieplnej izolacji
stosowanych obecnie w chłodnictwie i kriotechnice. W zakresie temperatur chłodniczych
stosuje się w zasadzie wyłącznie pianki izolacyjne i izolacje wypełnione gazem. Izolacje te są
również sporadycznie używane w urządzeniach kriogenicznych, takich jak linie przesyłowe
cieczy kriogenicznych lub zbiorniki służące do krótkotrwałego przechowywania skroplonych
gazów. Graniczną temperaturą wykorzystania pianek i izolacji wypełnionych gazem jest
temperatura ciekłego wodoru. Do izolacji obiektów o temperaturach kriogenicznych stosuje
się niemal wyłącznie izolacje próżniowe, a w szczególności wielowarstwowe izolacje
próżniowe [1].
Rys. 2. Pożądana wartość przewodności cieplnej k izolacji w zależności od poziomu
temperatury kriostatowania T0, przy założeniu, że W/A=1W/m2 oraz orientacyjne zakresy
temperatur, w których stosowane są poszczególne rodzaje izolacji [1].
Bibliografia
1. Chorowski M.: „Kriogenika podstawy i zastosowania“.
2. Wesołowski A.: „Urządzenia chłodnicze i kriogeniczne oraz ich pomiary cieplne”,
Wydawnictwa Naukowo-Techniczne, Warszawa 1980.