Tepelné izolace a hladinoměry kryokapali Různé typy hladinoměrů pro kryokapaliny Doplňování kryokapalin Dewarova nádoba Přenos tepla vedením, zářením,... Tepelné izolace - vakuová, superizolace, pěnová,.... □ s Plovákové hladinoměry Obr. 55. Plovákové hladinomčry: a - tyčinkový, b - s vláknovým převodem, c - s elektrickým vyhodnocováním 1_ ^.Jelínek, Z. Málek: Kryogenní technika, SNTL, Praha, 1982 Fyzika nízkých teplot - 1 ► 1 000ít Rm méřici uhlíkový odpor napf. Allen-Bradley 50 Q/250 mW umisténý v tenkostenné trubičce 0 5 mm). b) zapojení s tranzistorovým zesilovačem T a indikační žárovkou Ž (Än, Rh nastavovací odpory, Rm merici odpor napf. Allen-Bradley 50 íl 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 hladinomčr LHc se supravodivým vláknem 8 8 J.Jelínek, Z. Málek: Kryogenní technika, SNTL, Praha, 1982 Fyzika nízkých teplot Kapacitní hladinoměr válcový kondenzátor Kapalina bod varu [K] LHe 4,21 1,0492 LH2 20,38 1,230 LNe 27,10 1,187 N2 77,35 1,431 L02 90,19 1,484 □ {3 Další typy hladinoměrů ultrazvuk optický absorpční radar vážení Fyzika nízkých teplot 11 / 41 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 / 41 10 J.Jelínek, Z. Málek: Kryogenní technika, SNTL, Praha, 1982 11 J.Jelínek, Z. Málek: Kryogenní technika, SNTL, Praha, 1982 Fyzika nízkých teplot 14 / 41 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 10~6 K způsobí vzrůst teploty na 10~2 K Fyzika nízkých teplot 15 / 41 Odpar kryokapalin Kapalina bod varu [K] odpar [cm^h 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 L N 1 I 1 Obr. 67. Jednoduchá Dewarova nádoba pro přechovávání LN2 J.Jelínek, Z. Málek: Kryogenní technika, SNTL, Praha, 1982 Fyzika nízkých teplot 17/41 Přenos tepla zářením černé těleso - šedé těleso - záření v široké frekvenční oblast Wienův zákon: x 2898 r m Stefan-Boltzmanův zákon q = aT4 [W/m-dvě plochy s různou teplotou: Q21 = crE21A21(TÍ-T?) [W] A A ele2 A2i ~ Ai ; E2\ = e2 + (1 - e2)ei ei,e2 - emisivity povrchů s teplotou Ti a T2 □ {3 Záření černého tělesa T[K] T4 [K4] q[Wm 2 \m\lim] 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 □ {3 Bod a teplota a= 1 materiál Pl 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 Q = aE21A1(T^-T^) n + 1 reálně 2-3 krát větší tepelný tok je to princip mnohovrstevné izolace Fyzika nízkých teplot 22 / 41 Příklad e2 < 1 ; E21 = - ; T2 > Ti T2 = 300Ä" ; Ti = 4, 2K ; e = O, 04 ; Ai = lm2 ^> Q = 9W to je odpar asi 12 lh_1 LHe T2 = 11K => Q = 39 mVF to je odpar asi 52 cm3h -1 Fyzika nízkých teplot 23 / 41 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 □ rŠ1 13 I 2 T, I II 4 a, I Obr. 72. Vedení tepla zbytkovým plynem: a) L P rf, molekuly plynu maji po srážce se stěnami Al a A2 energie odpovídající teplotám Tx a r2, b) L % závislost teploty plynu mezi obema stenami schématicky znázorňuje náčrt, c) L < d, průběh teploty mezi stenami je přibližné lineární 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 / 41 Vedení tepla pevnými látkami Q = AA(r2-Ti) d n-vrstev různých materiálů [W] e ä, í=i Fyzika nízkých teplot 28 / 41 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 a; 1 ľ 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 AI 14 14 J.Jelínek, Z. Málek: Kryogenní technika, SNTL, Praha, 1982 Fyzika nízkych teplot 1 ► 1 10 Pa, b) vakuoprášková izolace, b) vakuoprášková izolace s příměsemi 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 / 41 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 / 41 17 17 en.wikipedia.org Fyzika nízkých teplot □ 36 / 41 18 18 en.wikipedia.org Fyzika nízkých teplot □ 37 / 41 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 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 Polystyrénový kalíšek - LN2 Fyzika nízkých teplot 40 / 41 Dewarova nádoba - LN 31.5 31 Ol 30.5 30 29.5 L-1 0 10 20 30 40 [h] 50 60 70 80 0,57 kg/den Fyzika nízkých teplot 41 / 41