Tepelné izolace a hladinoměry kryokapalin • Různé typy hladinoměrů pro kryokapaliny • Doplňování kryokapalin • Tepelné izolace • Přenos tepla vedením, zářením,... • Izolace - vakuová, superizolace, pěnová,.... Fyzika nízkých teplot □ ► 4 S> 1 / 43 Plovákové hladinoměry T Obr. 55. Plovákové hladinomčry: a - tyčinkový, b - s vláknovým převodem, c - s elektrickým vyhodnocováním J.Jelínek, Z. Málek: Kryogenní technika, SNTL, Praha, 1982 Fyzika nízkých teplot 2/43 Optické hladinoměry Obr. ?6. Optický hladinomer hodí se pro LN2, ne pro LHe J.Jelínek, Z. Málek: Kryogenní technika, SNTL, Praha, 1982 Fyzika nízkých teplot 3/43 Termoakustický hladinoměr pro LHe Obr. 57. Termoakustický hladinoměr h (mm) Obr. 58. Frekvence termoakustických kmitů v závislostí na vzdálenosti h ode dna nádoby s LHe (ho výška hladiny) Málek: Kryogenní technika, SNTL, Praha, 1982 □ s1 Hladinoměry založené na měření tlaku J.Jelínek, Z. Málek: Kryogenní technika, SNTL, Praha, 1982 Fyzika nízkých teplot 5/43 J.Jelínek, Z. Málek: Kryogenní technika, Fyzika nízkých teplot Obr. 60. Hladinomčr LN, pro mořeni v nádobách s přímým hrdlem [/l tepelné vodivá trubice s izolačním pouzdrem, B diferenciální tlakomer, C dvoukomorový zásobník lehčí kapaliny (voda) s relativné velkým průřezem komor, D tézsi kapalina {obarvený d ich lor met han), £ spojovací hadička, hk výška sloupce LN,. hj2 méřený údaj; v případe uvedených kapalin je SNTL, Praha, 1982 6/43 Kondenzační hladinoměry B 0, o* D Obr. 61. Hladinomftry využívající kondenzace par kapalíny: a) Hladinomfir indikující dotyk s hladinou poklesem hodnoty tlaku na manometru, b) hladinom&r pro kontinuálni měřeni výšky sloupce kryokapaliny J.Jelínek, Z. Málek: Kryogenní technika, SNTL, Praha, 1982 Fyzika nízkých teplot 7 / 43 Elektrické odporové hladinoměry m Obr. 62. Elektrický hladinomer LHe s uhlíkovým odporem: a) Můstkové zapojení (K,, R2 = 1000Rn nastavovací odpor > 1 000 ft, Rm merici uhlíkový odpor napf. Allen-Bradley 50 Q/250 mW umístěný v tenkostenné trubičce 0 5 mm), b) zapojení s tranzistorovým zesilovačem T a indikační žárovkou Ž (Kn, Rh nastavovací odpory, Rm méřicí odpor napf. Allen-Bradley 50 d Z stabilizační Zenerova dioda v emitoru tranzistoru T, S spínací tlačítko) J.Jelínek, Z. Málek: Kryogenní technika, SNTL, Praha, 1982 Fyzika nízkých teplot 8/43 Supravodivý hladinoměr Obr. 63. Kontinuální hladinomér LHc se supravodivým vláknem J.Jelínek, Z. Málek: Kryogenní technika, SNTL, Praha, 1982 Fyzika nízkých teplot 9/43 Kapacitní hladinoměr válcový kondenzátor Kapalina bod varu [K] LHe 4,21 1,0492 LH2 20,38 1,230 LNe 27,10 1,187 LN2 77,35 1,431 L02 90,19 1,484 □ t3 Automatické doplňování kryokapalin Obr. 64. Automatické zařízení pro doplňování LN2 s vlnovcovým ventilem J.Jelínek, Z. Málek: Kryogenní technika, SNTL, Praha, 1982 Fyzika nízkých teplot □ S 11 / 43 J.Jelínek, Z. Málek: Kryogenní technika, SNTL, Praha, 1982 Fyzika nízkých teplot 12 / 43 G Obr. 66. Automatické zařízení pro udržování hladiny LHe v požadovaném rozmezí J.Jelínek, Z. Málek: Kryogenní technika, SNTL, Praha, 1982 Fyzika nízkých teplot 13/43 Tepelné izolace cílem tepelné izolace je omezit přenos tepla: • přenos tepla zářením • přenos tepla konvekcí (proudění plynu) • přenos tepla zbytkovým plynem • vedení tepla pevnými látkami Dokonalá tepelná izolace neexistuje, různými typy izolací se snažíme omezit přenos tepla. Při skladování kryokapalin vždy nastává jejich odpai Pro mili a mikro-kelvinovou oblast mají vliv i další efekty - mechanické a akustické kmity, vířivé proudy, elektromagnetické záření,... Příklad: dopad špendlíku z výšky 3 mm na 100 g Cu blok o teplotě 10~6 způsobí vzrůst teploty na 10~2 K Odpar kryokapalin Kapalina bod varu [K] odpar [cm3h x] príkonem 1 mW L3He 3,19 7,2 L4He 4,21 1,40 LH2 20,38 l,15xl0-2 LNe 27,10 3,46xl0"2 LN2 77,35 2,26xl0-2 L02 90,19 l,48xl0-2 □ - = Dewarova nádoba na LN Obr. 67. Jednoduchá Dewarova nádoba pro přechovávání LN2 J.Jelínek, Z. Málek: Kryogenní technika, SNTL, Praha, 1982 Fyzika nízkých teplot 16/43 Přenos tepla zářením černé těleso - šedé těleso - záření v široké frekvenční oblast Wienův zákon: X 2898 ľ Tfl Stefan-Boltzmanův zákon q = aT4 [W/nť dvě plochy s různou teplotou: Q21 = aE21A21 (T24 -jf) [W] . eie2 A2i - Ai ; E2i = e2 + (1 - e2)ei ei,e2 - emisivity povrchů s teplotou Ti a T2 □ t3 Záření černého tělesa T[K] T4[K4] q[Wm-2] Xm [/tm] 300 8,1 x 109 460 9,66 77 3,51 x 107 1,99 37,6 20 1,60 x 105 9,1 x 10" •3 144,9 4 2,56 x 102 1,45 x 10" -5 724,5 1 1 5,67 x 10- -8 2898 0,1 1 x 10-4 5,67 x 10" -12 28980 Součinitel poměrné pohltivosti Látka T[K] a AI elektrolyticky leštěný 300 0,03 76 0,018 4 0,011 AI s vrstvou oxidů 1/im 300 0,30 Ag 76 0,01 Au 76 0,01 Cu oxidovaný 300 0,78 Cu leštěná 300 0,03 Sn 76 0,013 Ni leštěný 75 0,016 nerez 76 0,048 sklo 293 0,94 tloušťka vrstvy alespoň 1% z \m, a - je emisivita Fyzika nízkých teplot 19/43 Reálna experiment: různé materiály zahráte na stejnou teplotu a nasnímané termokamerou a odhad jejich emisivity (druhý sloupec), ve čtvrtém sloupci je jakou teplotu by naměřila termokamera při nastavené emisivitě 1 pro všechny materiály. Bod a teplota a= 1 materiál PI 0,73 103,0 °C 90,8 °C korund P2 0,77 102,8 °C 93,2 °C sklo P3 0,79 103,0 °C 94,9 °c sklo pískované P4 0,07 100,0 °C 40,4 °c AI leštěný P5 0,21 101,9 °C 53,2 °c AI leštěný, pískovaný Snížení radiačního tepelného toku pomocnými mezistěnami n - tepelně izolovaných mezistěn aE21A1(TÍ-Tf) Q = reálně 2-3 krát větší tepelný tok je to princip mnohovrstevné izolace n + 1 Příklad e2 < 1 ; E21 = - ; T2 > Ti T2 = 300 K ; Ti = 4, 2 K ; e = 0, 04 ; Ai = 1 m2 Q = 9 W to je odpar asi 12 lh_1 LHe T2 = 77 K Q = 39 mW to je odpar asi 52 cm3h -1 Fyzika nízkých teplot 22 / 43 Vedení tepla konvekcí - prouděním plyn Q = Cg1/2(T2-T1f/4 g je hustota, C je konstanta zabránit konvekci můžeme: • rozdělení prostoru na malé komůrky • snížením tlaku pod 10 Pa Vedení tepla zbytkovým plynem pro vzduch při atm. tlaku pro molekulární proudění a souosé válcové plochy: /i?\1/27 + l T2-T1 Q = l 8^) ^Tflc(MŤj^Ml kde 7 = —, ac je koeficient akomodace clicl2 (Ir — a2 + ai(l - a2)j^ T2 ~ T\ T2L-Ti ai = izr,—tzt 1 a2 = T2'-Ti ' T2-T1Í □ s1 Obr. 72, Vedeni tepla zbytkovým plynem: a) L P d, molekuly plynu maji po srážce se stenami Al a A2 energie odpovídající teplotám T, a T2% b) L % d, závislost teploty plynu mezi oběma sténami schématicky znázorňuje náčrt, c) L < d, průběh teploty mezi stenami je přibližné lineární J.Jelínek, Z. Málek: Kryogenní technika, SNTL, Praha, 1982 Fyzika nízkých teplot 25 / 43 Akomodační koeficient - orientační hodnoty Teplota [K] He H2 vzduch 300 0,3 0,3 0,8-0,9 77 0,4 0,5 1 20 0,6 1 1 4 1 1 1 Fyzika nízkých teplot 26 / 43 Vedení tepla pevnými látkami Q = x_MTk_n1 a vrstev různých materiálů A{T2-TX) „ di e ä, i=l □ S1 Fyzika nízkých teplot 27 / 43 Vakuová izolace - Dewarova nádoba tlak v mezi prostoru asi 10 Pa materiál tvrdé sklo, nerez,... Ag - kvůli radiaci difúze He přes sklo kombinace vakua a jiných druhů izolace tlaku 10~3 Pa je střední volná dráha pro vzduch a teplotu 300 K 6,6 m. Dewarova nádoba na LN Obr. 67. Jednoduchá Dewarova nádoba pro přechovávání LN2 J.Jelínek, Z. Málek: Kryogenní technika, SNTL, Praha, 1982 Fyzika nízkých teplot 29 / 43 Dewarova nádoba na LHe Pro skladování LHe se používá stínění pomocí LN2 (vlevo), nebo mnohovrstevná izolace (vpravo) J. Jelínek, Z. Málek: Kryogenní technika, SNTL, Praha, 1982 Fyzika nízkých teplot 30 / 43 Pronikání He sklem P cm*(NTP)cm cm2 a 101 kPa. Obr. 3.24. Závislost aktivační energie difúze Haá a pronikání helia sklem s různým obsahem sklotvorných složek (Si02 + B203 + P2Os) při teplotě 373 K (podle Nortona, 1953; " Eschbacha, 1960 a dalších). Čísla u křivek odpovídají číslům skel v tab. 3.16 obsah 5/0,+ + P20s J. Groszkowski: Technika vysokého vakua, SNTL, Praha 1981 Tab. 6.2. Přehled skel a jejich některých vlastností (podle W. Espeho a kol.) měkké křemičité (tavený Si02) velmi tvrdé tvrdé (borokřemičité) olovnaté (alkalicko-vápenato- Sklo (borokřemičité bez alkálií) (olovnato-křemičité) křemičité) a) s \LO, b) bez A1203 B203 5-23 "„ >io% A1203 . 3-25% <5% <8% a) 0 b) 1-5% Na20 + K20 <10% 5-8% 13-15% CaO 5-15% PbO 20-35 Si02 >95% zbytek zbytek zbytek zbytek « (°cr i) (0,55-0,65). 1(T 6 (3-6). 10"6 (3,5-6). 10" 6 (8-9). 10~6 a) (6,8-9,5). 10"6 b) (8-11). 10'6 Tch (°C) l) 990-1 040 450-700 430-540 400-450 a) 450-500 b) 40-480 (°c) ') 1 140 490-730 470-590 430-480 a) 480-540 b) 430-510 3; (°c) ') 1 100 470-720 450-570 410-470 a) 470-530 bj 410-500 rra (°c) l) 1 600 700-950 690-780 580-650 490-750 Měrný odpor e20°c (íícm) 1017-1018 1018 1014-1018 1017 a) 10'5 b) 1013 Měrná tepelná vodivost 0,013-0,026 0,01 0,013 0,08 0,01 x(Jcnr's-'K.-' ) Měrné teplo 0,8-1,26 0,4- -1,7 J. Groszkowski: Technika vysokého vakua, SNTL, Praha 1981 Fyzika nízkých teplot 32 / 43 M noh o vrste vn á izolace - superizolace í 1 1 I # Obr. 75, Příklady dvou typů mnohovrstvé izolace (superizolace): a) A hliníková fólie, B skelná tkanina, b) fólie z plastické hmoty (např. z mylaru) jednostranné pokovená Al prostor mezi jednotlivými vrstvami je ještě vyčerpán na nízký tlak J.Jelínek, Z. Málek: Kryogenní technika, SNTL, Praha, 1982 Fyzika nízkých teplot 33 / 43 Prášková izolace jemný prášek z tepelně nevodivého materiálu snížení tlaku nesmí se mechanický stlačit perlit, silikagel, ... Obr. 74. Závislosti efektivní tepelné vodivosti /ef na tlaku p zbytkových plynů pro různé typy prakticky užívaných izolaci: a) Idealizovaný případ vakuové izolace {d = 1 cm), kde nemůže vznikat konvekce. a') vakuová izolace (d = I cm) s možností vzniku konvekce při tlaku p.> 10 Pa, b) vakuoprášková izolace, b) vakuopráSková izolace s příměsemi kovových vloček, c) mnohovrstvá izolace (superizolace) J.Jelínek, Z. Málek: Kryogenní technika, SNTL, Praha, 1982 Fyzika nízkých teplot □ rS1 35 / 43 Pěnová izolace malé uzavřené, nebo otevřené komůrky polystyren, polyuretan, epoxid, sklo,... malá hustota vakuum polystyren 41 LN2, síla stěny 3 cm, odpaření asi za 14 h raketová technika - STS 107, start 16.1.2003, 1.2.2003 Columbia, 60x38x7,5 cm, rychlost 185 - 255 m/s Fyzika nízkých teplot 36 / 43 Aerogel • Si, C, Al203, ... • póry 30 nm • nižší tepelná vodivost než vzduch • hustota asi 1900 g/m3 • nejmenší hustota 2013 aerographene 160 g/m3, vzduch 1200 g/m3 • využití: tepelná izolace - raketová technika, vesmírne sondy, oblečení, budovy,...; absorpční materiál; léčiva-je biokompatibilní;... en.wikipedia.org Fyzika nízkých teplot 38 / 43 Fyzika nízkých teplot 39 / 43 Měrná tepelné vodivost látek Látka [Wm^K"1] graphene 4840 c-BN 740 Ag 429 Au 318 Ni 90,9 korund 30 nerez 18 a-BN 3 sklo 0,8-1,4 polyethylen HDPE 0,5 plexisklo 0,2 korek 0,04-0,07 papír 0,05 polystyren 0,033 aerogel 0,03 - 0,004 vzduch 0,026 _□_e? Komerční nádoby na skladování L N a LHE LN2 Typ objem T odpar [%/den] materiál IKL32 31,5 1,8 AI + nerez Bo 50 50 3,5 nerez EC 75 75 1,25 nerez T600 632 1 nerez He Typ objem ľ stínění odpar He [%/den] materiál He50 50 LN2 3,5 nerez STG40 40 LN2 1 nerez STG100 100 S 1,5 nerez LHe 500 S 0,75 nerez S - mnohovrstevná izolace Fyzika nízkých teplot 41 / 43 Polystyrénový kalíšek - LN2, stěna 20 mm, objem 1,5 I reálné měření, na ose y změna výšky hladiny Fyzika nízkých teplot 42 / 43 Dewarova nádoba - LN2, objem 32 I reálné měření, starší Dewarova nádoba, odpař už je dost velký asi 0,57 kg/den 31.5 31 30.5 30 h 29.5 0 10 20 Fyzika nízkých teplot 30 40 [h] 50 60 70 80 43 / 43