Tepelné izolace a hladinoměry kryokapalin Různé typy hladinoměrů pro kryokapaliny • Doplňování kryokapalin • Dewarova nádoba • Přenos tepla vedením, zářením,... • Tepelné izolace - vakuová, superizolace, pěnová,.... Fyzika nízkých teplot 1 / 38 Plovákové hladinoměry Obr. 55. Plovákové hladinomčry: a - lyčinkový. b - s vláknovým převodem, c - s elektrickým vyhodnocováním ^.Jelínek, Z. Málek: Kryogenní technika, SNTL, Praha, 1982 ■OQ.O Ky/IKA nízkých ii ji ■ i < > i Optické hladinoměry Obr. ?6. Oplický hladinomčr 2 2J.Jelínek, Z. Málek: Kryogenní technika, SNTL, Praha,aL982g ■< i ► i ono Fyzika nízkých teplot 3/38 Termoakustický hladinoměr h (mm) Obr. 58. Frekvence termoakustických kmitů v závislosti na vzdálenosti h ode dna nádoby s LHe (kg výika hladiny) 3_ 3J.Jelínek, Z. Málek: Kryogenní technika, SNTL, Praha,dl982fc5 < i ► i -OQ.O Fyzika nízkých teplot Hladinoměry založené na měření tlaku 4_ 4J.Jelínek, Z. Málek: Kryogenní technika, SNTL, Praha,d!983s 5/38 Fyzika nízkých teplot 1000 Obr. 6<). Hladinomer LN, pro míření v nádobách s přímým hrdlem [A tepelné vodivá trubice s izolačním pouzdrem, B diferenciální tlakoměr, C dvoukomorový zásobník lehčí kapaliny (voda) s relativné velkým průřezem komor. D léřii kapalina (obarvený dichlormethan). £ spojovací hadička. /it výska sloupec LN,. hj2 miřený údaj; v případe uvedených kapalin je hm = 2,4 hk] 5 5J.Jelínek, Z. Málek: Kryogenní technika, SNTL, Praha,d!983s 6/38 Fyzika nízkých teplot Kondenzační hladinoměry i) b) Obr. 61. Hladinomčry využívající /fa kondenzace par kapaliny: a) Hladinomtr indikující dotyk $ hladinou poklesem hodnoty tlaku na manometru, b) hladinomér pro kontinuálni měřeni výšky sloupce kryokapaliny 6_ 6J.Jelínek, Z. Málek: Kryogenní technika, SNTL, Praha,d!983s < i ► i -OQ.O 7/38 Fyzika nízkých teplot Elektrické odporové hladinoměry :m Obr. 62. Elektrický hladinomčr LHe s uhlíkovým odporem: a) Mustkové zapojení (R,, R2 = '000 & nastavovací odpor > 1 000íl. 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 (Rn, Rb nastavovací odpory, R„ mčŕicí odpor napf. Allen-Bradley 50 íl. Z stabilizační Zenerova dioda v emitoru tranzistoru T, S spínací tlačítko) 7 7J.Jelínek, Z. Málek: Kryogenní technika, SNTL, Praha,ľI9823? 3/33 Fyzika nízkých teplot Supravodivý hladinoměr — B --A N ir-c Obr. 63. Kontinuálni hladinoměr LHc se supravodivým vláknem 3J.Jelínek, Z. Málek: Kryogenní technika, SNTL, Praha,nl9825í 00.0 Fyzika nízkych teplot Kapacitní hladinoměr válcový kondenzátor Kapalina bod varu [K] LAHe 4.21 1.0492 LH2 20.38 1.230 L Ne 27.10 1.187 LN2 77.35 1.431 L02 90.19 1.484 4 □ ► 4 (5 ► 4 Fyzika nízkych teplot Další typy hladinoměrů ultrazvuk optický absorpční radar vážení Automatické doplňování kryokapalin 9 J.Jelínek, Z. Málek: Kryogenní technika, SNTL, Praha,n!9823? ■< i ► i ono 12 / 38 Fyzika nízkých teplot 10 10J Jelínek, Z. Málek: Kryogenní technika, SNTL, Praha,aL982g ■< i ► i ono 13 / 38 Fyzika nízkých teplot Obr. 66. Automatické zařízení pro udržování hladiny LHe v požadovaném 11 J.Jelínek, Z. Málek: Kryogenní technika, SNTL, Praha,dl982b5 < i ► i -OQ.O 14 / 38 Fyzika nízkých teplot Tepelné izolace • přenos tepla zářením • přenos tepla konvekcí (proudění plynu) • přenos tepla zbytkovým plynem • vedení tepla pevnými látkami Pro mili- a mikro-kelvinovou oblast - mechanické a kustické kmity, vířivé proudy, elektromagnetické záření,... př. špendlík z výšky 3 mm na 100 g Cu blok o teplotě 10~6K způsobí vzrůst teploty na 10~2K Fyzika nízkých teplot 15 / 38 Odpar kryokapalin Kapalina bod varu [K] odpar [cm3/; -1] příkonem 1 mW L? H e 3.19 7.2 LAHe 4.21 1.40 L H2 20.38 1.15xl0-2 L Ne 27.10 3.46xl0~2 LN2 77.35 2.26xl0-2 L02 90.19 1.48xl0-2 Fyzika nízkých teplot 16 / 38 Dewarova nádoba na LN2 Obr. 67. Jednoduchá Dewarova nádoba pro přechováváni LN2 12_ 12J.Jelínek, Z. Málek: Kryogenní technika, SNTL, Praha,aL982g ■< i ► i ono 17 / 38 Fyzika nízkých teplot Přenos tepla zářením černé těleso - šedé těleso - záření v široké frekvenční oblasti Wienův zákon: x 2898 r ia Stefan-Boltzmanův zákon: q = oTA [W/m2] dvě plochy s různou teplotou: Q2i = aE21A21{TŽ- 7?) [1/1/] A2i « A1 ; E2i 6162 e2 + (1 - e2)e1 ei, e2 - emisivity povrchů s teplotou 7~i a T2 4n*i&* ^ ono Fyzika nízkych teplot Záření černého tělesa T[K] T4[K4] q[Wm-2] Xm[fim] 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 lfím 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 A Fyzika nízkých teplot 20 / 38 Snížení radiačního tepelného toku pomocnými mezistěnami n- tepelně izolovaných mezistěn aE2íAí{T$- 7?) Q reálně 2-3 krát větší tepelný tok je to princip mnohovrstevné izolace n + 1 Fyzika nízkých teplot 21 / 38 Príklad: e ei = e2 7"i Q = aAíTf- T2 = 300K , "Ti = 4.2K , e = 0.04 , = Im2 Q = 9 W to je odpar asi 12 lh_1 LHe T2 = 77K=> Q = 39 mW to je odpar asi 52 cm3h_1 Fyzika nízkých teplot 22 / 38 Vedení tepla konvekcí - prouděním plynu Q = ce1/2{T2-T1f/" g }e hustota, C je konstanta zabránit konvekci můžeme: • rozdělení prostoru na malé komůrky • snížením tlaku pod 10 Pa Fyzika nízkých teplot 23 / 38 Vedení tepla zbytkovým plynem pro vzduch při atm. tlaku: Q = ^(T2-Tl) pro molekulární proudění a souosé válcové plochy: n (R\1/2l + l 7-2-7-! kde 7 = ^, ac je koeficient akomodace 3i32 a2 + ai(l - 32)^ t-2' - 7"i' r2' - 7"i 7-2' - 7"i r2 - 7"i' Fyzika nízkych teplot Obr. 72. Vedeni tepla zbytkovým plynem: a ) L P d, molekuly plynu maji po srážce se stenami A, a Át energie odpovidajici teplotám 7", a Tj, b) L * d, závislost teploty plynu mezi obéma sténami schématicky znázorňuje náčrt, c) L < d. průběh teploty mezi stěnami je približní lineami 13 J.Jelínek, Z. Málek: Kryogenní technika, SNTL, Praha, 1982 2s / 38 Fyzika nízkých teplot Akomodační koeficient - orienta ční 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 Vedení tepla pevnými látkami n-vrstev různých materiálů Ľ R/ /=1 A; Fyzika nízkych teplot Vakuová izolace typický příklad Dewarova nádoba tlak asi 1CT3 Pa materiál tvrdé sklo, nerez,... Ag - kvůli radiaci difúze He přes sklo kombinace vakua a jiných druhů izolace Mnohovrstevná izolace - superizolace a) 1 Obr. 75. Příklady dvou typů mnohovrstvé b) izolace (superizolace): a) A hliníková fólie, B skelná tkanina, b) fólie z plastické hmoty (napf. z mylaru) jednostranné pokovená AI 14 1J.Jelínek, Z. Málek: Kryogenní technika, SNTL, Praha, 1982 ■0 0,0 Fyzika nízkých teplot Dewarova nádoba na LHe 15 15J.Jelínek, Z. Málek: Kryogenní technika, SNTL, Praha,aL982g ■< i ► i ono 30 / 38 Fyzika nízkých teplot Prášková izolace jemný prášek z tepelně nevodivého materiálu snížení tlaku nesmí se mechanický stlačit perlit, silikagel, ... Obr. 74. Závislosti efektívni tepelné vodivosti /.,, na tlaku p zbytkových plynů pro různé typy prakticky užívaných izolaci: a) Idealizovaný případ vakuové izolace ( 10 Pa, b) vakuoprásková izolace, b) vakuopráskovi izolace s příměsemi kovových vloček, c) mnohovrstvá izolace (superizolace) 16 J.Jelínek, Z. Málek: Kryogenní technika, SNTL, Praha,6i.982g 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 33 / 38 Aerogel • Si, c, ai2o3, ... • 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, vesmírné sondy, oblečení, budovy,...; absorpční materiál; léčiva-je biokompatibilní;... Fyzika nízkých teplot 34 / 38 .wikipedia.org Fyzika nízkych teplot 4 □ ► 4 (5? ► 4 18_ 18en.wikipedia.org Fyzika nízkých teplot 36 / 38 Látka graphene 4840 c-BN 740 Ag 429 Cu 401 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 Typ objem [1] 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 [1] stínění odpar H e [%/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 Fyzika nízkých teplot 38 / 38