Literatura. M. Chorowski, Kriogenika. Podstawy i zastosowania, IPPU MASTA, 2007 S. Tomasz, Hel, WNT, Warszawa, 1978

Transkrypt

1 Kriogenika

2 M. Chorowski, Kriogenika. Podstawy i zastosowania, IPPU MASTA, 2007 S. Tomasz, Hel, WNT, Warszawa, 1978 Literatura K. Mendelssohn, Na drodze do zera bezwzględnego, PWN, Warszawa, 1966 R.B. Scott, Technika niskich temperatur, WNT, Warszawa, 1963 B. Stefanowski, Technika bardzo niskich temperatur w zastosowaniu do skraplania gazów, PWN, Warszawa, 1964 G.K. White, Technika doświadczalna w fizyce niskich temperatur, PWN, Warszawa, 1965 M.W. Zemansky, Temperatury bardzo niskie i bardzo wysokie, PWN, Warszawa, 1964 J. Groszkowski, Technika wysokiej próŝni, WNT, Warszawa, 1972 F. Pobell, Matter and Methods at Low Temperatures, Springer, 2007 R.C. Richardson, E.N. Smith, Experimental Techniques in Condensed Matter Physics at Low Temperatures, Addison-Wesley Publishing Company, 1988 G.K. White, Experimental Techniques in Low-Temperature Physics, Oxford University Press, 1979

3 Kriogenika nauka zajmująca się wytwarzaniem i wykorzystaniem niskich temperatur. kryos zimno genos pochodzenie, tworzenie Temperatury poniŝej 120 K (-153 C)

4

5 Rys historyczny van Marum - skroplenie amoniaku M. Faraday - m.in.: chlor, siarkowodór, CO 2 temp. ok. 163 K L. Cailetet, R. Pictet - skroplenie tlenu (mgła), ok. 90K Z. Wróblewski, K. Olszewski skroplenie powietrza min. temp. ok. 55 K (ciecz) J. Dewar izolacja próŝniowa J. Dewar skroplenie wodoru: 20,3 K zestalenie wodoru: 14 K

6 Rys historyczny H. Kamerlingh Onnes skroplenie helu: 4,2K H. Kamerlingh Onnes odkrycie nadprzewodnictwa wykorzystanie przemian magnetycznych do chłodzenia: Giauque, Debye propozycja zastosowanie: 0,32 K rozcieńczanie 3 He w 4 He H. London propozycja zastosowanie: 10 mk G. Bednorz, A. Muller nadprzewodnictwo wysokotemperaturowe

7

8 Zastosowania kriogeniki badania właściwości materiałów medycyna przetwórstwo Ŝywności techniki jądrowe i rakietowe metalurgia energetyka

9 Technologia próŝni Wymiana ciepła: - przewodzenie, - konwekcja, - promieniowanie PróŜnia podstawowy rodzaj izolacji termicznej Stan jaki panuje w obszarze wypełnionym gazami lub parami, gdy ich ciśnienie jest niŝsze niŝ ciśnienie powietrza atmosferycznego

10

11 Jednostki ciśnienia paskal, 1 Pa = 1 N/m 2 1 bar = 10 5 Pa 1 mbar = 10 2 Pa atmosfera fizyczna, atmosfera techniczna, 1atm = 1, Pa 1 at = 0, Pa tor, 1 Torr (torr, Tr) = 1atm/760 = 1, Pa = 1mm Hg USA: 1psi = 6, Pa, funt na cal kwadratowy

12 Ruch cząstek w zamkniętym naczyniu zderzenia ze ściankami i ze sobą - warunki lepkie: l «L l średnia droga pomiędzy kolejnymi zderzeniami L rozmiar geometryczny obszaru

13 - warunki molekularne: l» L - warunki pośrednie: l L

14 Przewodzenie cieplne gazu róŝne temperatury powierzchni róŝne prędkości róŝne energie przenoszenie energii od powierzchni o temperaturze wyŝszej do powierzchni o temperaturze niŝszej ilość przepływającego ciepła jest proporcjonalna do współczynnika przewodności cieplnej gazu: q = -Λ c T/ x w warunkach lepkich Λ c nie zaleŝy od ciśnienia w warunkach molekularnych Λ c jest wprost proporcjonalne do ciśnienia niŝsze ciśnienie gazu (wyŝsza próŝnia) lepsza izolacja

15 Wytwarzanie próŝni Wytworzenie i utrzymanie próŝni usunięcie z objętości gazów swobodnych oraz gazów związanych z powierzchnią (zaadsorbowanych) i z wnętrza materiału (zaabsorbowanych i rozpuszczonych) ZaleŜność ciśnienia gazów przenikających z powietrza do zbiornika wykonanego ze szkła

16 Pompy próŝniowe Pompy przepływowe wydalają gaz poza obszar opróŝniany najczęściej mechaniczne, posiadają ruchome części, wlot i wylot Pompy sorpcyjne wiąŝą gaz w objętości pompy statyczne, posiadają jedynie wlot

17 Pompy przepływowe pompy objętościowe obniŝanie ciśnienia dzięki wzrostowi objętości gazu pompy prędkościowe cząsteczkom gazu nadawane są prędkości w kierunku pompowania (od wlotu do wylotu) pompy transporterowe cząsteczki gazu przenoszone są z jednego obszaru do drugiego przez przesuwającą się powierzchnię pompy akomodacyjno-efuzyjne cząstki gazu przechodzą z jednego obszaru do drugiego dzięki róŝnym współczynnikom akomodacji powierzchni sorbujących oraz róŝnym ich temperaturom

18 Pompy objętościowe Zmniejszanie ciśnienia gazu poprzez zwiększanie objętości: p= Q/V jeŝeli V, to p 1. Ruch tłoka w górę cykl napełniania 2. Ruch tłoka w dół cykl wydalania p 0 V 0 = p 1 (V 0 + V max ) po 2 cyklach: p 1 V 0 = p 2 (V 0 + V max ) po N cyklach: p N-1 V 0 = p N (V 0 + V max )

19 Ciśnienie końcowe p N = 1 V max V 0 (1 + ) N - im większy stosunek V max V 0 tym mniej cykli potrzeba do osiągnięcia ciśnienia p N - teoretycznie przy N ciśnienie p N 0 Czynniki uniemoŝliwiające osiągnięcie p N 0: nieszczelności objętości szkodliwe pary oleju uszczelniającego

20 p = µ V min V max p wyl µ strumień powrotny p wyl ciśnienie gazu na wylocie pompy Zmniejszenie p poprzez zmniejszenie: - V min - µ (np. wypełnienie olejem V min ) - p wyl (np. przez szeregowe łączenie pomp) W pompach olejowych (lub rtęciowych) występują pary substancji uszczelniającej p = p gaz + p par

21 Szybkość pompowania geometryczna S g = -dv/dτ = N (V max -V min )=N V max (1-V max /V min ) N częstotliwość ruchów tłoka - zwiększenie V max duŝe i kosztowne konstrukcje - zwiększenie N czas przepływu gazu, ograniczenia konstrukcyjne teoretyczna S t = S g (1- p /p) p ciśnienie na wlocie, jeŝeli p» p, to S t S g

22 rzeczywista S r = ηs t η = f(p, N ) 1 współczynnik napełniania Charakterystyki szybkości pompowania pomp obrotowych 1 S g 2 S t bez składnika p par 2 S t ze składnikiem p par 3 - S r

23 Pompy przepływowe objętościowe posuwowe o ruchu posuwowym tłoka obrotowe ruchu obrotowym tłoka Pompy obrotowe olejowe (ang. rotary vane pump)

24 Cztery fazy pompowania

25 -na wlocie pompy moŝe być filtr (siatka), chroniący przed zanieczyszczeniami stałymi -na wylocie zawór samoczynny, filtr olejowy (odoliwiacz) Pompa obrotowa z suwakiem w statorze

26 Funkcje oleju: smarowanie mechanicznych części pompy (łoŝyska, wirnik, suwaki uszczelnianie ruchomych części odprowadzenie ciepła Wybór oleju: ciśnienie par temperatura zapłonu >200 C środowisko pracy gazy agresywne i powodujące korozję - oleje mineralne palne, większa lepkość, utlenianie - wysoka temp. wzrost ciśnienia par, zmniejszenie lepkości - niska temp. wzrost lepkości, kondensacja pary

27 Pompy z przedmuchem (ang. gas ballast) pompowanie par po przekroczeniu ciśnienia krytycznego następuje ich skraplanie się i rozpuszczanie w oleju do komory spręŝania doprowadza się powietrze: - wzrost ciśnienia mieszaniny powietrze-para wodna - wydalenie pary zanim ulegnie kondensacji wada: - wyŝsze ciśnienie końcowe

28 Łączenie pomp równolegle zwiększenie szybkości pompowania szeregowo lepsza próŝnia końcowa pompy wielostopniowe

29 Szybkość pompowania i ciśnienie końcowe pompy jednostopniowej i dwustopniowej

30 Spadek ciśnienia na wlocie pompy w czasie pompowania

31 Pompy Rootsa pompy bezsmarowe Nie wymagają smaru do zmniejszenia tarcia nie ma styku między wirnikami a statorem (niewielkie szczeliny) Czysta próŝnia DuŜa szybkość pompowania Zakres pracy 0,01 10 Tr, wymagana próŝnia wstępna Ciśnienie końcowe: Tr jednostopniowe Tr dwustopniowe

32 Szybkość pompowania pompy Rootsa

33 Pompy prędkościowe Cząsteczki gazu otrzymują dodatkowe prędkości od szybko poruszających się elementów, co powoduje przepływ gazu od wlotu do wylotu pompy pompy molekularne poruszająca się powierzchnia ciała stałego pompy strumieniowe strumień cieczy lub gazu pompy elektropolowe siły pola elektrycznego

34 Pompy molekularne Zasada działania Zasada budowy Pompy molekularne wymagają próŝni wstępnej PróŜnia końcowa rzędu 10-6 Tr przy próŝni wstępnej 10-3 Tr

35 Pompy turbomolekularne

36 Szybkość pompowania pompy turbomolekularnej

37

38