POLITECHNIKA GDAŃSKA Techniki Niskotemperaturowe w Medycynie Temat: Przechowywanie cieczy kriogenicznych i rodzaje izolacji cieplnych Kamila Pers I M-M sem. 2, st. 2 Grupa 2 14.01.2013r.
1. Wstęp 1.1. Definicja, czynniki, bezpieczeństwo Kriogenika to dziedzina chłodnictwa zajmująca się techniką niskich temperatur czyli tych poniżej 120K. Jej zadaniem jest z otrzymywanie, utrzymanie i wykorzystanie tych temperatur. Najbardziej popularne czynniki w technice kriogenicznej to azot, tlen, hel, wodór oraz argon. Bardzo ważne jest bezpieczeństwo przy użytkowaniu tych czynników. Jeżeli pojemniki nie są wyposażone w żadne zawory bezpieczeństwa ani inne zabezpieczenia przed pęknięciem pod wpływem niepożądanego wzrostu ciśnienia, należy pamiętać o tym że nie wolno takich pojemników zamykać szczelnie gdy są w nich przechowywane skroplone gazy. 1.2. Charakterystyka kriocieczy Przyjęto, że kriociecze charakteryzują się normalną temperatura wrzenia (przy ciśnieniu 1 at) od 111 K (temperatura wrzenia metanu). Aby określić termofizyczne własności cieczy kriogenicznych wykorzystuje się wykresy fazowe, które są podobne w swojej budowie dla wszystkich cieczy oprócz helu. Jako typowy można podaję wykres fazowy tlenu (Rys. 1). Rysunek 1. Wykres fazowy tlenu Ciśnienie, temperatura i gęstość w punkcie krytycznym są parametrami opisującymi ciecz oraz pozwalającymi na porównanie jej z innymi. Linie parowania i topnienia oddzielają poszczególne fazy (gazową, ciekłą i stałą) i schodzą się w charakterystycznym punkcie potrójnym. Ważne jest też wydłużenie linii nasycenia (parowania) powyżej punktu krytycznego (linia kreskowana na wykresie) nazwane krytyczną linia transportową. Jej długość maleje wraz ze wzrostem temperatury krytycznej. I M-M Kamila Pers Strona 1
2. Konstrukcja i właściwości cieplne superizolacji 2.1. Koszty odprowadzenia energii Podstawowym zagadnieniem w technice kriogenicznej przy produkcji, magazynowaniu i użytkowaniu cieczy kriogenicznych jest ich izolacja przed dopływem ciepła. Koszt odprowadzenia energii, czyli ochłodzenie jakiegoś układu wzrasta bardzo gwałtownie ze zmniejszaniem się temperatury tego układu. Przedstawia to rys.2. Rysunek 2. Koszt odprowadzenia energii w zależności od temperatury układu Skroplone gazy o niskich temperaturach, szczególnie hel (4,2 K) i wodór (20,4 Κ), są bardzo drogie. Stąd ważne jest ograniczanie odparowywania tych cieczy spowodowane dopływem ciepła, tak aby strat było możliwie jak najmniej. W tym celu stosuje się izolacje o dużo lepszych własnościach izolujących niż stosowane powszechnie styropian czy korek. Stąd też wynika ważność prac dążących do skonstruowania najlepszej izolacji. Izolacje można podzielić na dwie grupy, które są powszechnie stosowane w kriogenice: - proszkowo-prożniowe i włoknisto-prożniowe, - wieloekranowe zwane superizolacjami. Obydwie te grupy mają na celu zmniejszenie do minimum przenikania ciepła do urządzeń kriogenicznych przez stawianie możliwie największego oporu cieplnego każdemu rodzajowi wymiany ciepła, czyli przewodzeniu przez ciało stałe i gaz, konwekcji i promieniowaniu, dużo lepszy efekt izolujący uzyskuje się stosując superizolację. 2.2. Konstrukcja superizolacji Superizolacja zbudowana jest z wielu równoległych do siebie ekranów umieszczonych w szczelnym płaszczu otaczającym zbiornik na skroplony gaz (lub jakieś inne urządzenie kriogeniczne). Ekrany oddzielone są od siebie materiałem o małym współczynniku przewodzenia ciepła. Oprócz tego w szczelnym płaszczu panuje próżnia. Stosuje się warstwę I M-M Kamila Pers Strona 2
superizolacji o grubości kilku centymetrów. Taka budowa pozwala znacznie obniżyć dopływ ciepła poprzez: znaczne zmniejszenie przenikania ciepła między zewnętrznymi powierzchniami superizolacji drogą przewodzenia i promieniowania wyeliminowanie konwekcji. Zmniejszenie ciśnienia gazu poniżej 10-4 tora w przestrzeni między ekranami całkowicie eliminuje konwekcję i pomijalnie małe przewodzenie przez gaz. Wymiana ciepła przez promieniowanie przy dużej różnicy temperatur (temperatura otoczenia z jednej i temperatura skroplonego gazu z drugiej strony) jest intensywna. Zmniejsza się ją przez zastosowanie dużej liczby (około 15 + 40 na 1 cm) ekranów o wysokiej zdolności odbijania - stąd pochodzi inna nazwa superizolacji - izolacja wielowarstwowa. Pomimo niewielkiej odległości między ekranami nie powinny się one stykać. Ciśnienie gazu między ekranami może dochodzić wtedy do 10-3 tora, mimo ciśnienia na zewnątrz ekranów 2 ΙΟ - 5 10-6 tora. W tych warunkach ciepło przenikające superizolację wskutek przewodzenia przez gaz osiąga 30 do 50%, a czasem 70 do 85% całkowitego ciepła przenikającego superizolację, co znacznie pogarsza jej skuteczność. Obniżenie ciśnienia między ekranami można osiągać dwiema drogami: wyborem takich materiałów, które charakteryzują się małym wydzielaniem gazów i nie są porowate stosowaniem rozwiązań konstrukcyjnych stwarzających dogodne warunki dla usuwania cząsteczek gazu. Dobór odpowiedniego materiału pozwala w niewielkim stopniu obniżyć ciśnienie gazu, ale nie poniżej 10-4 tora. Druga droga to stosowanie ekranów falistych lub karbowanych, względnie z otworami. Pozwala to osiągać wymagane ciśnienie gazu między ekranami. W przypadku ekranów falistych lub karbowanych zmniejsza się znacznie liczba ekranów przypadająca na jednostkę grubości (N/h), co zwiększa intensywność promieniowania i w końcowym efekcie nie polepsza się skuteczność izolacyjna. Inne rozwiązanie, lepsze, to stosowanie ekranów z otworami. Takie ekrany ułatwiają ucieczkę cząstek gazu z przestrzeni między nimi pogarszając jednocześnie ich skuteczność na promieniowanie. Wymiar charakterystyczny otworu d, oraz współczynnik określający część powierzchni ekranu zajętej przez otwory to wielkości określające wzrost ciepła przenikającego superizolację wskutek polepszenia się warunków dla promieniowania. Przy konstrukcji warstwy superizolacji istnieje możliwość wyboru jednego rozwiązania spośród kilku wariantów. Dotyczy to: materiału z którego wykonane są ekrany, materiału z którego wykonane są tzw. dystansowniki (przekładki) oddzielające sąsiednie ekrany, rodzaju i ciśnienia gazu pozostającego w przestrzeni między ekranami. Ekrany w superizolacjach wykonane są z cienkich folii organicznych o grubości około 6 mikro m, pokrytych - po obu stronach lub po jednej - warstwą aluminium, złota, srebra lub cyny o grubości około 0,25 mikro m. Ekrany mogą też być wykonane z folii aluminiowej. Rożne możliwości zapewnienia odstępu między sąsiednimi ekranami przedstawiono na rys.3. W rozwiązaniu "d" może być użyta np. siatka. Jako materiału na dystansowniki używa się włókna szklanego, tkaniny azbestowej i kwarcowej lub estrafolu. I M-M Kamila Pers Strona 3
Rysunek 3. Sposoby oddzielania ekranów w warstwie superizolacji: 1 - ekran, 2 - dystansownik (przekładka) Rodzaj gazu pozostającego w przestrzeni między ekranami ma najmniejszy wpływ - ze względu na małe ciśnienie - na efektywną przewodność superizolacji. Należy zapewnić bardzo dobrą szczelność płaszcza, wewnątrz którego znajduje się superizolacja. Umieszcza się tam też pochłaniacze gazu. Wykonanie superizolacji jest dość pracochłonne i 'kosztowne. Do najlepszych superizolacji używanych do zbiorników na skroplone gazy należą, superizolacja typu Linde i superizolacja typu NRC-2. Własności ich ujęto w tablicy. Rysunek 4. Własności superizolacji I M-M Kamila Pers Strona 4
2.3. Analiza wymiany ciepła przez superizolację Ciepło przenikające przez warstwę superizolacji można rozważyć jako sumę strumieni cieplnych powstających wskutek: promieniowania - należy uwzględnić tutaj istnienie w ekranach otworów, niezbędnych do osiągnięcia wymaganego ciśnienia gazu między ekranami, zabezpieczają one również ekrany przed zniszczeniem, względnie niepożądanym odkształceniem podczas spadku i wzrostu ciśnienia; przewodzenia przez ciało stałe, ekrany chroniące przed promieniowaniem stykają się (rys.3.a,b) lub oddzielone są dystansownikami (rys.3.c,d,e,f), przez miejsca styku ekranów bądź dystansownikow z ekranami przewodzone jest ciepło; przewodzenie przez gaz znajdujący się między ekranami. Rysunek 5. Przekrój przez warstwę superizolacji o N ekranach Rys.5 przedstawia superizolację o N ekranach. Odległości między nimi w porównaniu z ich wymiarami są małe, tak że całkowite promieniowanie będące sumą energii wypromieniowanej przez ekran i odbitej ze strony np. A ekranu n-tego trafia na stronę В ekranu (n + 1). Można wtedy policzyć ciepło przekazane przez promieniowanie. Istnienie otworów w ekranach zwiększa ciepło przekazywane przez promieniowanie. Wymiary otworów d i współczynnik mają decydujący wpływ na wzrost przepływu ciepła przez promieniowanie. Wyróżnia się trzy następujące zakresy wymiarów otworów w ekranach: - otwory duże, d rzędu centymetrów, - otwory małe, d rzędu milimetrów, - otwory o średnicy rzędu mikronów, które praktycznie nie przepuszczają promieniowania. 3. Zbiornik do przechowywania i transportu cieczy kriogenicznych Wewnętrzny zbiornik 1 na ciecz kriogeniczną zawieszony jest na szyjce 2 stanowiącej cienkościenną rurę ze stali nierdzewnej. Do szyjki 2 przymocowane są kołnierze 3 i 4, na których nawinięte są rurowe wymienniki ciepła 5 i.6. Wymienniki ciepła połączone są między sobą rurką 7, przy czym wlot gazu do wymiennika 5 stanowi otwór 8 a wylot wymiennika 6 I M-M Kamila Pers Strona 5
poprzez rurkę 9 wyprowadzony jest na zewnątrz zbiornika do zaworu 10. Wylot szyjki 2 zbiornika zakończony jest uszczelnionym wlewem cieczy kriogenicznej 12 i zaworem 13 dla odprowadzenia odparowującego gazu. Do kołnierza 3 przymocowany jest ekran cieplny 14, a do kołnierza 4 ekran cieplny 15. Na ekranach 14 i 15 znajduje się wielowarstwowa izolacja cieplna 16 i 17. Wszystkie wymienione elementy znajdują się w osłonie próżnioszczelnej 18. Rysunek 6 Przekrój przez zbiornik do transportowania kriocieczy I M-M Kamila Pers Strona 6
4. Bibliografia [1] T. Fodemski mgr inż.: Konstrukcja i własności cieplne superizolacji - Biuletyn Informacyjny Instytutu Techniki Cieplnej Politechniki Warszawskiej nr 39, 1973r [2] G. Konopka, M. Chorowski: Laboratorium z kriogeniki, Zasady bezpiecznego posługiwania się czynnikami kriogenicznymi - Politechnika Wrocławska, Instytut Techniki Cieplnej i Mechaniki Płynów, Zakład Chłodnictwa i Kriogeniki, Wrocław 1999 [3] M. Łaciak, S. Nagy, J. Szpytko: Problemy techniczne i technologiczne związane z rozładunkiem lng, Kraków 2012 [4] K. Balcerek, Z. Raczkowski, A. Grzegorczyk: Zbiornik do przechowywania i transportu cieczy kriogenicznych, zwłaszcza ciekłego helu, Opis patentowy 31.05.1983 I M-M Kamila Pers Strona 7