POLITECHNIKA GDAŃSKA TECHNIKI NISKOTEMPERATUROWE W MEDYCYNIE.,,Przechowywanie cieczy kriogenicznych i rodzaje izolacji cieplnych.

Transkrypt

1 POLITECHNIKA GDAŃSKA TECHNIKI NISKOTEMPERATUROWE W MEDYCYNIE,,Przechowywanie cieczy kriogenicznych i rodzaje izolacji cieplnych. Kamila Browarczyk Inżynieria Mechaniczno - Medyczna semestr I, II stopień 2012/2013

2 Spis treści: 1. Definicja kriogeniki Zagrożenia związane z cieczami kriogenicznymi Przechowywanie cieczy kriogenicznych Izolacje cieplne Bibliografia... 9

3 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,

4 - 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 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

5 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.

6 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

7 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.

8 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.

9 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