Michael Buraczewski Inżynieria Mechaniczno-Medyczna Temat: Przechowywanie cieczy kriogenicznych i rodzaje izolacji cieplnych.
Spis treścci: 1. Wstęp...3 2. Zastosowanie cieczy kriogenicznych...4 3. Zagrożenia...5 4. Przechowywanie cieczy kriogenicznych...6 5. Rodzae izolacjii cieplnych...6 6. Bibliografia...7
1. Wstęp Kriogenika (gr. krios zimno, genos ród) dziedzina nauki zajmująca się badaniem i wykorzystaniem właściwości ciał w niskich temperaturach, uzyskiwaniem i mierzeniem niskich temperatur. Za niskie temperatury uznaje się temperatury niższe od 150 C (123 K.)Kriogenika ma poważny udział w takich dziedzinach jak: badania przestrzeni kosmicznej, biologia i chirurgia, w przemyśle spożywczym, metalurgicznym, chemicznym i urządzeniach nadprzewodzących. Zastosowanie elementów nadprzewodzących w urządzeniach energetycznych prowadzi do znacznego zmniejszenia kosztów i masy tych urządzeń oraz zwiększenia sprawności i wydajności przy zachowaniu ich mocy. Systemem kriogenicznym można więc określić zespół l urządzeń, których zadaniem jest otrzymywanie odpowiedni 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 Ciecze kriogeniczne stanowiące czynnik roboczy urządzenia oraz zapewniające właściwe warunki jego eksploatacji ze względu na swoje własności, głównie z powodu niskiej temperatury, stają się istotnym zagadnieniem w przypadku omawiania bezpieczeństwa systemów kriogenicznych. 2. Zastosowanie cieczy kriogenicznych
Leczenie zimnem stosowali już 2,5 tys. lat temu starożytni Egipcjanie. Stwierdzili oni, że zimno łagodzi cierpienia w miejscach urazu. Krioterapię zalecał w V wieku p.n.e. Hipokrates. Jako pierwszy urządzenie uwalniające pary ciekłego azotu stosowane do leczenia chorób dermatologicznych skonstruował Whitehouse, a było to w 1907 roku. Stosowanie w praktyce leczniczej krioterapii przypisuje się Japończykowi, Toshiro Yamauchi, który skonstruował pierwsze przenośne krioaplikatory i pierwszą w świecie komorę kriogeniczną (1978 r.). Pierwsza polska wersja kriokomory niskotemperaturowej powstała w 1989 roku, a zaprojektował ją inż. Zbigniew Raczkowski. Leczenie zimnem ma szereokie zastosowanie w medycynie. Metody krioterapii stosujemy,między innymi w: -dermatologii np. przy usuwaniu blizn, brodawek czy tzw. pajączków, ale także żylaków czy hemoroidów. -reumatologii ciekłym azotem miejscowo działa się na chore stawy. Przywraca im to możliwość ruchu i zmniejsza ból. -chirurgii kriozabiegi wykorzystywane są w leczeniu chorób ginekologicznych (np. nadżerek) i w schorzeniach urologicznych (przy polipach przewodu moczowego). 3.Zagrożenia Z cieczami kriogenicznym związane są liczne zagrożenia, przy stosowaniu cieczy kriogenicznych należy więc ściśle stosować się do zasad BHP. Poniżej omówiono główne zagrożenia związane z cieczami kriogenicznymi. Pierwszym zagrożeniem jest bardzo niska temperatura cieczy i par, które bardzo szybko mogą spowodować u człowieka głębokie odmrożenia podobne do oparzeń. Szczególnie na odmrożenia narażone są delikatne tkanki. Należy więc stosować odzież, która odpowiednio osłania ciało. 4. Przechowywanie cieczy kriogenicznych Ciecze kriogeniczne charakteryzują się wysokim współczynnikiem ekspansji, a więc nie mogą być przechowywane w szczelnie zamkniętych pomieszczeniach, ponieważ istnieje niebezpieczeństwo rozerwania. Do przechowywania zimnych substancji 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
-należy stosować zawory bezpieczeństwa Gazy cieczy kriogenicznych cechują się bezbarwnością, bezwonnością oraz brakiem smaku. Nie są toksyczne ale zmniejszają zawartość tlenu w otoczeniu. Dlatego ważna jest odpowiednia wentylacja. W każdym urządzeniu kriogenicznym istnieje konieczność izolowania obszarów niskotemperaturowych od dopływu 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 -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. Przewodzenie ciepła 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. 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 dużynstopniu od stanu i rodzaju cieczy. Promenowaniem ciepła nazywamy 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 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. Pianki izolacyjne charakteryzują się zamkniętą strukturą komórkową powstałą na skutek rozprężenia dużej ilości gazów wewnątrz porów polistyrenu, poliuretanu, gumy lub krzemionki. Gazami stosowanymi do wytwarzania struktury komórkowej w materiałach pierwotnych są fluorowodory lub CO2. W temperaturach kriogenicznych gaz wypełniający komórki ulega skropleniu, a następnie zestaleniu, wytwarzając w ten sposób w komórkach pianek próżnię i poprawiając ich własności izolacyjne. Niewątpliwe zaletą pianek jest ich niska cena. 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 ciśnienia, przy braku mostków cieplnych, można w przestrzeni oddzielającej kriogen od otoczenia uzyskać warunki, w których ilość przewodzonego ciepła przez gaz staje się pomijalne 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.
Bibliografia: 1. Chorowski M: Kriogenika podstawy i zasosowania. 2. Wesołowski A.: Urządzenia chłodnicze i kriogeniczne oraz ich pomiary cieplne, Wydawnictwo Naukowo- Technologiczne, Warszawa 1980. 3. Bodio E.: Skraplarki i chłodziarki kriogeniczne ; skrypt Politechniki Wrocławskiej, Wrocła 1987. 4. Gabriela Konopka, Maciej Chorowski: Zasady bezpiecznego posługiwania się czynnikami kriogenicznymi ; Politechnika Wrocławska, Wrocław 1999