Tepelné izolace a hladinoměry kryokapali Různé typy hladinoměrů pro kryokapaliny Doplňování kryokapalin Dewarova nádoba Přenos tepla vedením, zářením,... Tepelné izolace - vakuová, superizolace, pěnová,.... Plovákové hladinoměry T //// i ss/ss }i C/////A \'{ Obr. 55. Plovákové hladinomčry: a - tyčinkový, b - s vláknovým převodem, c - s elektrickým vyhodnocováním ^Jelínek, Z. Málek: Kryogenní technika, SNTL, Praha, 1982 Fyzika nízkych teplot - 1 >oq.o 2/39 Optické hladinoměry Obr. 56. Optický hladinomčr hodí se pro LN2, ne pro LHe 2 J.Jelínek, Z. Málek: Kryogenní technika, SNTL, Praha,ol982g Fyzika nízkých teplot 3/39 Termoakustický hladinoměr pro LHe Obr. 57. Termoakustický hladinoměr h (mm) Obr. 58. Frekvence tennoakustických kmitů v závislosti na vzdálenosti h ode dna nádoby s LHe (hc výška hladiny) 3_ 3J.Jelínek, Z. Málek: Kryogenní technika, SNTL, Praha, 1982 - ► < i ► i oq,o Fyzika nízkých teplot 4/39 Hladinoměry založené na měření tlaku 4_ 4J.Jelínek, Z. Málek: Kryogenní technika, SNTL, Praha, 1982^ Fyzika nízkých teplot 5/39 Obr. 60. Hladinomčr L N, 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 téfcSi kapalina (obarvený d ich lor met han), £ spojovací hadička, hk výška sloupce LN:, hmj2 méřený údaj; v případe uvedených kapalin je hm = 2Ahk] J.Jelínek, Z. Málek: Kryogenní technika, SNTL, Praha, 1982g 4 = ► < = ► Fyzika nízkých teplot 6/39 Kondenzační hladinoměry a) Obr. 61. Hladinomčry využívající kondenzace par kapalíny: a) Hladinornčr indikující dotyk s hladinou poklesem hodnoty tlaku na manometru, b) hladinomčr pro kontinuálni měřeni výšky sloupce kryokapaltny J.Jelínek, Z. Málek: Kryogenní technika, SNTL, Praha, 1982g = Fyzika nízkých teplot Elektrické odporové hladinoměry Obr. 62. Elektrický hladinomer LHe s uhlíkovým odporem: a) Můstkové zapojení (K,, R2 = 1000Q, Rn nastavovací odpor > 1 000Q, 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 merici odpor napf. Allen-Bradley 50 Cl Z stabilizační Zenerova dioda v emitoru tranzistoru T, S spínací tlačítko) 7J.Jelínek, Z. Málek: Kryogenní technika, SNTL, Praha,o!982g Fyzika nízkých teplot Supravodivý hladinoměr Obr. 63. Kontinuálni h lad i no mé r LHc se supravodivým vláknem 8 8 J.Jelínek, Z. Málek: Kryogenní technika, SNTL, Praha, 1982 = 5 ^y<\(y Fyzika nízkych teplot Kapacitní hladinoměr válcový kondenzátor Kapalina bod varu [K] Sr LAHe 4.21 1.0492 L H2 20.38 1.230 L Ne 27.10 1.187 LN2 77.35 1.431 L02 90.19 1.484 □ {3 Další typy hladinoměrů ultrazvuk optický absorpční radar vážení Fyzika nízkých teplot 11 / 39 Automatické doplňování kryokapalin Obr. 64, Automatické zařízení pro doplňování LN2 s vlnovcovým ventilem 9 9J.Jelínek, Z. Málek: Kryogenní technika, SNTL, Praha,o!982g Fyzika nízkých teplot 12 / 39 10 J.Jelínek, Z. Málek: Kryogenní technika, SNTL, Praha, 1982 11 J.Jelínek, Z. Málek: Kryogenní technika, SNTL, Praha, 1982 Fyzika nízkých teplot 14 / 39 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 akustické kmity, vířivé proudy, elektromagnetické záření,... Příklad: špendlík z výšky 3 mm na 100 g Cu blok o teplotě 10~6K způsobí vzrůst teploty na 10~2K Fyzika nízkých teplot 15 / 39 Odpar kryokapalin Kapalina bod varu [K] odpar [cm h príkonem 1 mW L3He 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 Dewarova nádoba na LN2 1 I 1 Obr. 67. Jednoduchá Dewarova nádoba pro přechovávání LN2 J.Jelínek, Z. Málek: Kryogenní technika, SNTL, Praha, 1982 Fyzika nízkých teplot 17/39 Přenos tepla zářením černé těleso - šedé těleso - záření v široké frekvenční oblast Wienův zákon: 2898 . Xm = -— \jj,m, K] Stefan-Boltzmanův zákon q = 7"i T2 = 300K , Ti = 4.2K , e = 0.04 , A1 = lm2 Q = 9 W to je odpar asi 12 lh_1 LHe T2 = 77K =>• C? = 39 ml/l/ to je odpar asi 52 crrr h 3u-l Fyzika nízkých teplot 23 / 39 Vedení tepla konvekcí - prouděním plyn Q=CQ1/2(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: //?y/27 + i 7-2-7J kde 7 = ^, ac je koeficient akomodace 3l32 a,- = a2 + ai(l-a2)^ T2-T1 T2-T1 □ r5" 13 I 2 T, I II 4 a, I Obr. 72. Vedení tepla zbytkovým plynem: a) L P rf, molekuly plynu mají po srážce se stěnami Al a A2 energie odpovídající teplotám Tx a r2, b) L % závislost teploty plynu mezi obema stínanú schématicky znázorňuje náčrt, c) L < d, průběh teploty mezi stenami je přibližné lineárni 13 J.Jelínek, Z. Málek: Kryogenní technika, SNTL, Praha, 1982 = Fyzika nízkych teplot 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 □ {3 Fyzika nízkých teplot 27 / 39 Vedení tepla pevnými látkami Q=AA(Wi) n-vrstev různých materiálů n _ A(T2-T!) _ d; E Ri i=l Fyzika nízkých teplot 28 / 39 Vakuová izolace - Dewarova nádoba • tlak asi 10"3 Pa • materiál tvrdé sklo, nerez,... • Ag - kvůli radiaci • difúze He přes sklo • kombinace vakua a jiných druhů izolace Přítlaku 10~3 Pa je střední volná dráha pro vzduch a teplotu 300 K 6.6 m. Mnohovrstevná izolace - superizolace 5 2« > a; 1 i 1* Obr. 75. Příklady dvou typů mnohovrstvé izolace (superizolace): a) A hliníková fólie, B skelná tkanina, b) fólie z plastické hmoty (napf, z mylaru) jednostranné pokovená AI 14 J.Jelínek, Z. Málek: Kryogenní technika, SNTL, Praha, 1982 Fyzika nízkých teplot 30 / 39 Dewarova nádoba na LHe 15 15 J.Jelínek, Z. Málek: Kryogenní technika, SNTL, Praha, 1982 Fyzika nízkých teplot 31 / 39 Prášková izolace jemný prášek z tepelně nevodivého materiálu snížení tlaku nesmí se mechanický stlačit perlit, silikagel, ... Obr. 74. Závislosti efektivní tepelné vodivostí /ef na tlaku p zbytkových plynů pře různé typy prakticky užívaných izolací: a) Idealizovaný případ vakuové izolace {á = 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) vakuoprášková izolace s přímésemi kovových vloček, c) mnohovrstvá izolace (superizolace) 16 J.Jelínek, Z. Málek: Kryogenní technika, SNTL, Praha, 1982 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 34 / 39 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, vesmírne sondy, oblečení, budovy,...; absorpční materiál; léčiva-je biokompatibilní;... Fyzika nízkých teplot 35 / 39 17 17 en.wikipedia.org Fyzika nízkých teplot □ 36 / 39 18 18 en.wikipedia.org Fyzika nízkých teplot □ 37 / 39 Látka [Wm^K'1] 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 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 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