Konstrukcja urządzeń kriogenicznych



Podobne dokumenty
Magnesy nadprzewodzące

TECHNIKI NISKOTEMPERATUROWE W MEDYCYNIE

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

Systemy ekstrakcji energii magnetycznej z nadprzewodzących obwodów LHC

Specyficzne własności helu w temperaturach kriogenicznych

Z21 BADANIE HISTEREZY PRZEMIANY MARTENZYTYCZNEJ METODĄ REZYSTOMETRYCZNĄ. Cel ćwiczenia

Wykład 3. Diagramy fazowe P-v-T dla substancji czystych w trzech stanach. skupienia. skupienia

Nadprzewodniki. W takich materiałach kiedy nastąpi przepływ prądu może on płynąć nawet bez przyłożonego napięcia przez długi czas! )Ba 2. Tl 0.2.

POLITECHNIKA GDAŃSKA WYDZIAŁ MECHANICZNY

Zasady bezpieczeństwa przy pracy z cieczami kriogenicznymi

Czujniki i urządzenia pomiarowe

Stanowiska laboratoryjne przeznaczone do przeprowadzania doświadczeń w zakresie przepływu ciepła

Badanie zależności temperatury wrzenia wody od ciśnienia

POLITECHNIKA GDAŃSKA WYDZIAŁ MECHANICZNY

Układ termodynamiczny Parametry układu termodynamicznego Proces termodynamiczny Układ izolowany Układ zamknięty Stan równowagi termodynamicznej

1. Wprowadzenie: dt q = - λ dx. q = lim F

Skraplarki Claude a oraz Heylandta budowa, działanie, bilans cieplny oraz charakterystyka techniczna

Instrukcja eksploatacji VITOCELL-V 100. Vitocell-V 100 Typ CVA, 750 i 1000 litrów. Pojemnościowy podgrzewacz wody

Prądy wirowe (ang. eddy currents)

wymiana energii ciepła

AGREGATY CHŁODNICZE. AGREGATY WODY LODOWEJ CHŁODZONE POWIETRZEM SERIA RAK.E (5,8 40,2 kw) R 407C. Wersje B podstawowa I INTEGRATA

Przykładowe kolokwium nr 1 dla kursu. Przenoszenie ciepła ćwiczenia

Nadprzewodnictwo i efekt Meissnera oraz ich wykorzystanie.

Wyznaczanie współczynnika efektywności pompy ciepła Peltiera

wrzenie - np.: kotły parowe, wytwornice pary, chłodziarki parowe, chłodzenie (np. reaktory jądrowe, silniki rakietowe, magnesy nadprzewodzące)

SPIS TREŚCI TOMU I. Przedmowa 11. Wprowadzenie 15 Znaczenie gospodarcze techniki chłodniczej 18

Termodynamika. Energia wewnętrzna ciał

Automatyzacja procesu odszraniania wentylatorowych chłodnic powietrza gorącymi parami czynnika w małych urządzeniach chłodniczych

NAGRZEWNICE ELEKTRYCZNE LEO EL 23 LEO EL 23

LABORATORIUM TECHNIKI CIEPLNEJ INSTYTUTU TECHNIKI CIEPLNEJ WYDZIAŁ INŻYNIERII ŚRODOWISKA I ENERGETYKI POLITECHNIKI ŚLĄSKIEJ

Metody eliminacji zakłóceń w układach. Wykład Podstawy projektowania A.Korcala

Załącznik nr. 1 do Zapytania Ofertowego - Szczegółowy Opis Przedmiotu Zamówienia

1 Manometr instalacji górnego źródła ciepła 2 Manometr instalacji dolnego źródła ciepła

Wykład FIZYKA II. 4. Indukcja elektromagnetyczna. Dr hab. inż. Władysław Artur Woźniak

NAGRZEWANIE ELEKTRODOWE

POLITECHNIKA GDAŃSKA

Magazynowanie cieczy

CZTERY ŻYWIOŁY. Q=mg ZIEMIA. prawo powszechnej grawitacji. mgr Andrzej Gołębiewski

NAGRZEWANIE PROMIENNIKOWE

AGREGATY CHŁODNICZE. AGREGATY WODY LODOWEJ ZE SKRAPLACZEM CHŁODZONYM WODĄ - SERIA RAK.W (5,6 47 kw) R 407C

Raport Nr 3/2016 Test szczelności uszczelek w temperaturze pokojowej i ciekłego azotu (77K), wykonanych z płyty GAMBIT AF-GL firmy Gambit

Elementy indukcyjne. Konstrukcja i właściwości

Wykład 4. Przypomnienie z poprzedniego wykładu

3. Przejścia fazowe pomiędzy trzema stanami skupienia materii:

STACJA ODZYSKU FREONU VRR12A/MRB

Instrukcja eksploatacji VITOCELL-L 100. Vitocell-L 100 Typ CVL, 500 do 1000 litrów. Pojemnościowy podgrzewacz wody

OSUSZACZE POWIETRZA AQUA-AIR AQUA-AIR DR120, AQUA-AIR DR190, AQUA-AIR DR250, AQUA-AIR DR310, AQUA-AIR DR70

Magnes kratowy łatwy do czyszczenia

Zawór redukcyjny. Części składowe

Zalecenia projektowe i montaŝowe dotyczące ekranowania. Wykład Podstawy projektowania A.Korcala

Dodatki do wykładu. Franciszek Gołek

DRUGA ZASADA TERMODYNAMIKI

Szczegółowy rozkład materiału z fizyki dla klasy II gimnazjum zgodny z nową podstawą programową.

CIĘŻAR. gdzie: F ciężar [N] m masa [kg] g przyspieszenie ziemskie ( 10 N ) kg

Pompa ciepła do c.w.u. Supraeco W. Nowa pompa ciepła Supraeco W do ciepłej wody użytkowej HP 270. Junkers

Różne dziwne przewodniki

Bezpieczeństwo użytkowania samochodów zasilanych wodorem

Skonstruowanie litowo-deuterowego konwertera neutronów termicznych na neutrony prędkie o energii 14 MeV w reaktorze MARIA (Etap 14, 5.1.

POWIETRZA TVPU CHŁODNICE. PPUCh TARCZYN SP. ZO.O.

Instrukcja zestawu solarnego Heliosin

Obiegi gazowe w maszynach cieplnych

JAK16 - F340L - E. Q rz = Q st * Wk

Techniki niskotemperaturowe w medycynie

Przemiany energii w zjawiskach cieplnych. 1/18

Wyznaczenie parametrów schematu zastępczego transformatora

W8 40. Para. Równanie Van der Waalsa Temperatura krytyczna ci Przemiany pary. Termodynamika techniczna

Wybrane zastosowania nadprzewodników wysokotemperaturowych

Szkło kuloodporne: składa się z wielu warstw różnych materiałów, połączonych ze sobą w wysokiej temperaturze. Wzmacnianie szkła

Zamiast przewodnika z miedzi o bardzo dużych rozmiarach możemy zastosowad niewielki nadprzewodnik niobowo-tytanowy

Jest to graficzna ilustracja tzw. prawa Plancka, które moŝna zapisać następującym równaniem:

Seria M ZAWÓR ELEKTROMAGNETYCZNY NORMALNIE ZAMKNIĘTY

Program szkolenia. dla osób ubiegających się o kategorię I lub II

Kaskadowe urządzenia do skraplania gazów. Justyna Jaskółowska IMM. Techniki niskotemperaturowe w medycynie Gdańsk

Nagrzewnica elektryczna LEO EL

WSPÓŁCZYNNIK PRZEJMOWANIA CIEPŁA PRZEZ KONWEKCJĘ

PRZEPŁYW CIEPŁA PRZEZ PRZEGRODY BUDOWLANE

Temperatura jest wspólną własnością dwóch ciał, które pozostają ze sobą w równowadze termicznej.

Wnikanie ciepła przy konwekcji swobodnej. 1. Wstęp

PL B1. ZAWADA HENRYK, Siemianowice Śląskie, PL ZAWADA MARCIN, Siemianowice Śląskie, PL BUP 09/13

Buduje się dwa rodzaje transformatorów jednofazowych różniące się kształtem obwodu magnetycznego (rdzenia). Są to:

Ciecze kriogeniczne i zasady bezpiecznego ich uŝytkowania

Pomiary ciepła spalania i wartości opałowej paliw gazowych

DRUGA ZASADA TERMODYNAMIKI

I. Pomiar temperatury cieczy kriogenicznych. Przyrządy do pomiaru temperatury

Szczegóły budowy kolektora próżniowego typu HeatPipe. Część 1.

Ćwiczenie nr 1 Wyznaczanie charakterystyki statycznej termostatycznego zaworu rozprężnego

Ogólne cechy ośrodków laserowych

6. STACJE I ARMATURA AUTOMATYCZNA

40** 750* SI 50TUR. Rewersyjne gruntowe pompy ciepła. Rysunek wymiarowy. Materiały techniczne 2019 rewersyjne pompy ciepła do grzania i chłodzenia

Modelowanie wektora magnetycznego serca na podstawie jonowych prądów komórkowych

gazów lub cieczy, wywołanym bądź różnicą gęstości (różnicą temperatur), bądź przez wymuszenie czynnikami zewnętrznymi.

ZADANIE 28. Wyznaczanie przewodnictwa cieplnego miedzi

Wykład 2 Silniki indukcyjne asynchroniczne

Pompy ciepła powietrze woda serii T-CAP, czyli stała wydajność grzewcza do temperatury zewnętrznej -15stC.

Zjawisko termoelektryczne

Materiałoznawstwo optyczne CERAMIKA OPTYCZNA

6. STACJE I ARMATURA AUTOMATYCZNA

URZĄDZENIE DO ODZYSKU CZYNNIKA CHŁODNICZEGO VRR12A INSTRUKCJA OBSŁUGI

Elektromagnesy prądu stałego cz. 2

Transkrypt:

Konstrukcja urządzeń kriogenicznych

Urządzenia kriogeniczne Zbiorniki do przechowywania i transportu cieczy kriogenicznych Urządzenia do uzyskiwania i utrzymywania niskich temperatur Podstawowy problem zabezpieczenie przed dopływem ciepła Główne mechanizmy przenoszenia ciepła: przewodnictwo cieplne promieniowanie

Zbiorniki do przechowywania i transportu cieczy kriogenicznych Izolacja próŝniowa J. Dewar, 1892 naczynie o podwójnych ściankach Przewodzenie nie ma nośnika, który przekazywałby ciepło z jednej powierzchni do drugiej. Ciśnienie w płaszczu próŝniowym powinno wynosić co najmniej 10-4 Tr, najlepiej rząd lub dwa niŝej 10-4 Tr = 1,33 10-4 mbar = 1,33 10-2 Pa 10-6 Tr = 1,33 10-6 mbar = 1,33 10-4 Pa

Promieniowanie Izolacja próŝniowa Strumień ciepła wypromieniowany przez ciało: 4 Q = σεat σ stała Stefana-Boltzmanna ε emisyjność materiału A powierzchnia promieniująca Zmniejszenia ilości wypromieniowanego ciepła: - zmniejszenie emisyjności - obniŝenie temperatury

Izolacja próŝniowa Zmniejszenie emisyjności warstwa obijająca promieniowanie, polerowanie powierzchni

Izolacja próŝniowa Zmniejszenie emisyjności przegroda odbijająca promieniowanie izolacja wielowarstwowa (Multilayer Insulation, MLI) superizolacja (super insulation) Wymagana wysoka próŝnia

Izolacja próŝniowa Zmniejszenie emisyjności przegroda odbijająca promieniowanie izolacja wielowarstwowa (Multilayer Insulation, MLI) superizolacja (super insulation) Wymagana wysoka próŝnia

Izolacja próŝniowa izolacja porowata włókno szklane, perlit, aeroŝel umiarkowana próŝnia

Izolacja próŝniowa Izolacja proszkowa: - zmniejszenie emisyjności rozpraszanie na ziarnach proszku - wydłuŝenie ścieŝki przewodzenia ciepła bardzo małe powierzchnie styku Szklane mikrokulki w powiększeniu 500x

Porównanie izolacji proszkowej z mirokulek z innymi rodzajami izolacji

Porównanie róŝnych rodzajów izolacji

Izolacja próŝniowa Zmniejszenie emisyjności poprze obniŝenie temperatury ciała gorącego płaszcz azotowy LN2 Q = σεat 4 77 K ObniŜenie temperatury powierzchni promieniującej z 300 K do 77 K zmniejsza ilość wypromieniowanego ciepła ok. 250 razy 300 K LHe 4,2 K

Przewodzenie ciepła wzdłuŝ szyi dewara Stosowanie materiałów o niskiej przewodności stal nierdzewna, aluminium

Najdogodniejszym kształtem jeśli chodzi o minimalizację parowania cieczy jest kula: największy stosunek objętości do powierzchni wytrzymałość mechaniczna Wady: Kształt zbiornika łatwo uzyskać jedynie w przypadku małych zbiorników W praktyce walec o znormalizowanych dennicach w kształcie czaszy lub elipsoidy

Przykład konstrukcji zbiornika helowego A wlot do dołączenia linii transferowej B, C zawory bezpieczeństwa D manometr E zawór próŝniowy F zawór do dołączenia butli z gazem (zwiększanie ciśnienia) G pochłaniacz H adsorbent I superizolacja

Dewary badawcze i kriostaty Jeden lub więcej koncentrycznych zbiorników otoczonych przez płaszcz próŝniowy Materiały: najczęściej stal nierdzewna wytrzymałość, łatwość łączenia z innymi metalami (miedź, mosiądz, itp.) aluminium szkło włókno szklane (fiberglass)

Dewar z bezpośrednim dostępem do zbiornika cieczy Do krótkotrwałego przechowywania cieczy kriogenicznych (azot) lub bezpośredniego zanurzania w niej próbek. Chłodzony azotem pochłaniacz (charcoal getter) pomaga utrzymać odpowiednią próŝnię

Dewar helowy

Dewar helowy z wsadem z gazem wymiany Zastawki odbijają promieniowanie, kierują pary helu na ścianki Gaz wymiany zapewnia sprzęŝenie termiczne próbki z kąpielą helową Przed schłodzeniem obszar próbki odpompowany WyŜsza temperatura próbki niŝsze ciśnienie gazu wymiany

Kriostat z optycznym dostępem do próbki

Kriostat przepływowy Kapilara doprowadza hel do komory próbki poprzez parownik temperatura próbki jest równa temperaturze par helu Komora próbki odizolowana od kąpieli helowej zwiększenie temperatury nie powoduje zwiększonego parowania helu MoŜliwość uzyskania temperatury 1,5K poprzez odpompowanie par helu Nie potrzeba grzejnika przy próbce

Systemy kriomagnetyczne z magnesami nadprzewodzącymi Pole magnetyczne jest nieocenionym narzędziem badawczym w połączeniu z niskimi temperaturami Magnesy nadprzewodzące: łatwość wytwarzanie wysokich pól magnetycznych przy niewielkich rozmiarach konieczność pracy w ciekłym helu

Kriostat z magnesem nadprzewodzącym Próbka umieszczona w środku cewki nadprzewodzącej gdzie jest największa jednorodność pola magnetycznego Niezbędny wskaźnik poziomu ciekłego helu i zawór bezpieczeństwa o duŝej średnicy na wypadek przejścia magnesu w stan normalny

Elementy kriostatu Wkład z magnesem i z próbkami są niezaleŝne od siebie Magnes nadprzewodzący utrzymywany jest na specjalnej podporze

Przelewanie cieczy kriogenicznych Ciekły azot na niewielkie odległości wystarczy przewód gumowy, z tworzywa sztucznego lub metalu na dłuŝsze odległości wymagana izolacja Ciekły hel specjalne przewody (linie transferowe)

Szczegóły konstrukcji linii do przesyłania ciekłego helu

Urządzenia do przelewania ciekłego helu

Przelewanie ciekłego helu

Przelewanie ciekłego helu WłoŜyć przewód najpierw do zbiornika z ciekłym helem Schłodzić przewód przy niewielkim ciśnieniu par w zbiorniku Gdy zacznie wypływać ciekły hel włoŝyć drugi koniec do kriostatu Szybkość przelewania regulowana ciśnieniem par w zbiorniku z ciekłym He Wyjmować w odwrotnej kolejności

System kriomagnetyczny z 3 He

System kriomagnetyczny z 3 He Odpompowanie obszarów próŝniowych Schłodzenie wstępne azot Usunięcie azotu wypompowanie i przedmuchanie gazowym He Nalewanie ciekłego He

Zasada działania skraplacza do pompy rotacyjnej zawór próŝniowy 1) schłodzić 3 He poniŝej temperatury skraplania 2) obniŝyć temperaturę wrzenia 3 He poprzez obniŝenie ciśnienia par 3) powtórzyć czynności zawór iglicowy pary ciekły 4 He 4 He gazowy 3 He płaszcz próŝniowy 4 ciekły He komora próbki 3 ciekły He ciekły 4 He

Magnesy nadprzewodzące Znikoma rezystancja moŝliwość przewodzenia duŝych prądów, wysokie pola magnetyczne przy małej objętości magnesu Nadprzewodniki II rodzaju NbTi, Nb 3 Sn: cienkie włókna osadzone w matrycy z miedzi Do 9 Tesli NbTi, powyŝej NbTi + Nb 3 Sn Warunki pracy poniŝej wartości krytycznych temperatury i pola magnetycznego NbTi Nb 3 Sn T c, K 9,8 18, 05 H c, T 12 przy 4,2 K 14,8 przy 1,2 K 22,1 przy 4,2 K

Magnesy nadprzewodzące current density (A/cm) 2 10 7 critical J-H-T surface 10 6 10 5 10 4 NbSn 3 Nb-Ti 20 15 10 5 10 3 5 10 15 20 temperature (K) magnetic field (T)

Magnesy nadprzewodzące quench Przejście nadprzewodnika w stan normalny: miejscowe wydzielenie ciepła I 2 R (prądy w uzwojeniach rzędu 50-100 A) obszar rezystywny rozprzestrzenia się aŝ do chwili gdy: a) cała energia zostanie rozproszona b) cały magnes przejdzie w stan normalny c) odpowiednie chłodzenie powstrzyma propagację strefy normalnej Zjawisko niekorzystne i niebezpieczne

Magnesy nadprzewodzące quench

Magnesy nadprzewodzące quench Energia zgromadzona w magnesie: E = ½ LI 2 L indukcyjność, kilkadziesiąt H I prąd w uzwojeniu, kilkadziesiąt A W typowych magnesach laboratoryjnych jest to kilka do kilkuset kj Napięcie na zaciskach cewki: U = L di/dt, niebezpieczeństwo uszkodzenia izolacji przez wysokie napięcie

Magnesy nadprzewodzące Siły działające w magnesie: F = I przyciąganie dwóch sekcji cewki dzielonej odpychanie zwojów w cewce dąŝenie do zwiększenia średnicy zwoju Minimalny ruch zwoju moŝe spowodować wydzielenie ciepła na skutek tarcia trenowanie magnesu Magnesy zapuszkowane w Ŝywicy, materiale ceramicznym lub innym B

Magnesy nadprzewodzące tryb pracy persistent Praca bez zasilania prąd krąŝy zamknięty w cewce Nie ma rozpraszania ciepła w uzwojeniach Wyłącznik nadprzewodzący (persistent switch): łączy końce cewki po ogrzaniu ma duŝą rezystancję ładowanie cewki zimny zamyka prąd w cewce

Magnesy nadprzewodzące tryb pracy persistent Dwie zasadnicze zalety trybu persistent: zredukowanie ciepła doprowadzanego do kriostatu wyłączenie zasilacza powoduje, Ŝe nie w przewodach zasilających nie wydziela się ciepło Joule a moŝliwość całkowitego odłączenia przewodów nie ma przewodzenia ciepła wzdłuŝ przewodów bardzo dobra stabilność pola magnetycznego H = H 0 e -T/t gdzie T = L/R stała czasowa

Magnesy nadprzewodzące przewody zasilające magnes Łączą obszary o temp. 300 K i 4 K Wykluczające się właściwości duŝa przewodność elektryczna mała przewodność cieplna Odpowiednia konstrukcja zapewniająca dobre chłodzenie: wiązka przewodów przepływ par helu wewnątrz przewodu

Zasilacze magnesów nadprzewodzących Odpowiednia wydajność prądowa (50...100 A) Układy zabezpieczające (np. diody) i absorbujące energię Ładowanie magnesu z odpowiednią szybkością (current rate) maksymalna szybkość ładowania określona przez indukcyjność cewki i dopuszczalne napięcie: U = L di/dt, di/dt = U/L Pomiar napięcia na zaciskach magnesu Zmiana kierunku prądu