Słowo kriogenika pochodzi od słów greckich "kruos", co oznacza "zimno" i "genos" - "pochodzenie" lub "tworzenie", a pojęcie to zostało zaproponowane przez Heike Kamerlingh-Onnesa po skropleniu przez niego w roku 1908 ostatniego z tak zwanych gazów trwałych - helu. Obecnie pojęcie kriogenika stosuje się na określenie metod uzyskiwania i wykorzystywania temperatur niższych od 120 K, a dokładnie 111,1 K, tj. temperatury wrzenia metanu pod ciśnieniem normalnym. Większość instalacji i systemów kriogenicznych związanych jest bądź ze stosowaniem ciekłego helu o normalnej temperaturze wrzenia 4,2 K bądź ciekłego azotu o temperaturze 77,3 K. Skroplenie tych gazów, ich transport i wykorzystywanie w różnych procesach technologicznych, badawczych, np. do kriostatowania nadprzewodników, przechowywania materiałów biologicznych i wielu innych, wymaga stosowania wysokoefektywnych izolacji cieplnych, o parametrach niespotykanych w wyższych zakresach temperatur przy chłodniach czy w klimatyzacji.
OZNACZENIA
αk - współczynnik przejmowania ciepła, W/m2K,
φ - wilgotność powietrza,
L - odległość między powierzchniami izolacji, m,
p - ciśnienie, Pa,
σ - stała promieniowania ciała doskonale czarnego, W/m2·K4,
ε' - emisyjność zastępcza układu
q - strumień ciepła, W/m2,
w - moc napędowa urządzenia chłodniczego, W/m2,
T - temperatura, K.
INDEKSY
iz - izolacja,
kon - konwekcja ciepła,
ot - otoczenie,
2,w - wewnętrzna,
1,z - zewnętrzna,
m - ekran czynny.
Przełomem w rozwoju kriogeniki okazało się wynalezienie przez Jamesa Dewara izolacji próżniowej, co pozwoliło mu, w roku 1898, na skroplenie wodoru. Wyprzedził on tym samym Karola Olszewskiego, który wespół z Zygmuntem Wróblewskim skroplił powietrze i jego składniki w roku 1883, natomiast ze względu na brak skutecznej izolacji termicznej nie zdołał uzyskać skroplonego wodoru. Pomimo, że od wynalezienia izolacji próżniowej minęło ponad 100 lat, a termosy już dawno stały się popularnymi przedmiotami codziennego użytku, w kriotechnice ciągle poszukuje się coraz lepszych izolacji cieplnych oraz optymalizuje sposoby wykonania znanych rozwiązań konstrukcyjnych. Znane są rozwiązania polegające na umieszczeniu w przestrzeni próżniowej proszków ograniczających ruch gazu w przypadku degradacji próżni (izolacje proszkowo-próżniowe), czy też wielu warstw ekranów radiacyjnych ograniczających promieniowanie oraz zapewniających skuteczność izolacji termicznej w warunkach słabej próżni (wielowarstwowa izolacja próżniowa). Nowym rozwiązaniem jest propozycja wypełnienia przestrzeni próżniowej kulkami szklanymi o średnicach od kilku do kilkuset mikronów. Największą skutecznością ograniczania dopływów ciepła charakteryzuje się wielowarstwowa izolacja próżniowa określana również mianem superizolacji. Obecnie obserwuje się tendencje zastępowania w kriogenicznych instalacjach przemysłowych izolacji proszkowo-próżniowych izolacjami wielowarstwowymi. Stało się to możliwe dzięki spadkowi kosztów wykonania takiej izolacji termicznej, początkowo stosowanej jedynie w niskotemperaturowych urządzeniach badawczych oraz kosmicznych. Obecnie budowane instalacje kriogeniczne w laboratoriach fizyki wysokich energii wymagają zaizolowania nawet kilkudziesięciu tysięcy metrów kwadratowych powierzchni o temperaturze nadciekłego helu (około 2 K), dzięki czemu izolacje wielowarstwowe stały się przedmiotem zainteresowania przemysłu. Również prowadzone obecnie badania nad możliwością wykorzystania wodoru jako paliwa w środkach transportu, spowodowały wzrost zainteresowania firm motoryzacyjnych nowoczesnymi i nadającymi się do masowej produkcji izolacjami kriogenicznymi, szczególnie wielowarstwowymi izolacjami próżniowymi.
Istotą działania izolacji próżniowej jest obniżanie zdolności przewodzenia ciepła przez rozrzedzane gazy. Po zmniejszeniu ciśnienia gazu poniżej pewnego poziomu, ilość przewodzonego ciepła przez ten gaz jest wprost proporcjonalna do jego ciśnienia. W konsekwencji, uzyskując odpowiednio niskie ciśnienie, można w przestrzeni oddzielającej kriogen od otoczenia uzyskać warunki, w których ilość przewodzonego ciepła przez gaz staje się pomijalnie mała. Jeżeli ciśnienie resztkowe gazu jest niższe od 10-5 Pa, to uzasadnione staje się założenie, że poprzez izolację próżniową ciepło jest przekazywane jedynie na drodze promieniowania.
OZNACZENIA
αk - współczynnik przejmowania ciepła, W/m2K,
φ - wilgotność powietrza,
L - odległość między powierzchniami izolacji, m,
p - ciśnienie, Pa,
σ - stała promieniowania ciała doskonale czarnego, W/m2·K4,
ε' - emisyjność zastępcza układu
q - strumień ciepła, W/m2,
w - moc napędowa urządzenia chłodniczego, W/m2,
T - temperatura, K.
INDEKSY
iz - izolacja,
kon - konwekcja ciepła,
ot - otoczenie,
2,w - wewnętrzna,
1,z - zewnętrzna,
m - ekran czynny.
Przełomem w rozwoju kriogeniki okazało się wynalezienie przez Jamesa Dewara izolacji próżniowej, co pozwoliło mu, w roku 1898, na skroplenie wodoru. Wyprzedził on tym samym Karola Olszewskiego, który wespół z Zygmuntem Wróblewskim skroplił powietrze i jego składniki w roku 1883, natomiast ze względu na brak skutecznej izolacji termicznej nie zdołał uzyskać skroplonego wodoru. Pomimo, że od wynalezienia izolacji próżniowej minęło ponad 100 lat, a termosy już dawno stały się popularnymi przedmiotami codziennego użytku, w kriotechnice ciągle poszukuje się coraz lepszych izolacji cieplnych oraz optymalizuje sposoby wykonania znanych rozwiązań konstrukcyjnych. Znane są rozwiązania polegające na umieszczeniu w przestrzeni próżniowej proszków ograniczających ruch gazu w przypadku degradacji próżni (izolacje proszkowo-próżniowe), czy też wielu warstw ekranów radiacyjnych ograniczających promieniowanie oraz zapewniających skuteczność izolacji termicznej w warunkach słabej próżni (wielowarstwowa izolacja próżniowa). Nowym rozwiązaniem jest propozycja wypełnienia przestrzeni próżniowej kulkami szklanymi o średnicach od kilku do kilkuset mikronów. Największą skutecznością ograniczania dopływów ciepła charakteryzuje się wielowarstwowa izolacja próżniowa określana również mianem superizolacji. Obecnie obserwuje się tendencje zastępowania w kriogenicznych instalacjach przemysłowych izolacji proszkowo-próżniowych izolacjami wielowarstwowymi. Stało się to możliwe dzięki spadkowi kosztów wykonania takiej izolacji termicznej, początkowo stosowanej jedynie w niskotemperaturowych urządzeniach badawczych oraz kosmicznych. Obecnie budowane instalacje kriogeniczne w laboratoriach fizyki wysokich energii wymagają zaizolowania nawet kilkudziesięciu tysięcy metrów kwadratowych powierzchni o temperaturze nadciekłego helu (około 2 K), dzięki czemu izolacje wielowarstwowe stały się przedmiotem zainteresowania przemysłu. Również prowadzone obecnie badania nad możliwością wykorzystania wodoru jako paliwa w środkach transportu, spowodowały wzrost zainteresowania firm motoryzacyjnych nowoczesnymi i nadającymi się do masowej produkcji izolacjami kriogenicznymi, szczególnie wielowarstwowymi izolacjami próżniowymi.
Istotą działania izolacji próżniowej jest obniżanie zdolności przewodzenia ciepła przez rozrzedzane gazy. Po zmniejszeniu ciśnienia gazu poniżej pewnego poziomu, ilość przewodzonego ciepła przez ten gaz jest wprost proporcjonalna do jego ciśnienia. W konsekwencji, uzyskując odpowiednio niskie ciśnienie, można w przestrzeni oddzielającej kriogen od otoczenia uzyskać warunki, w których ilość przewodzonego ciepła przez gaz staje się pomijalnie mała. Jeżeli ciśnienie resztkowe gazu jest niższe od 10-5 Pa, to uzasadnione staje się założenie, że poprzez izolację próżniową ciepło jest przekazywane jedynie na drodze promieniowania.
Komentarze
Prześlij komentarz