Tepelné izolace a hladinoměry kryokapali Různé typy hladinoměrů pro kryokapaliny Doplňování kryokapalin Tepelné izolace • Přenos tepla vedením, zářením,... • Izolace - vakuová, superizolace, pěnová,.... Plovákové hladinoměry T Obr. 55. Plovákové hladinomčry: a - tyčinkový, 6 - s vláknovým převodem, c - s elektrickým vyhodnocováním J.Jelínek, Z. Málek: Kryogenní technika, SNTL, Praha, 1982 Fyzika nízkych teplot <3 - 1 O^O 2/44 Optické hladinoměry Obr. 56. Optický hladinomčr hodí se pro LN2, ne pro LHe J.Jelínek, Z. Málek: Kryogenní technika, SNTL, Praha, 1982 □ Fyzika nízkých teplot 1 ► 1 ^)c\o 3 / 44 Termoakustický hladinoměr pro LHe Obr. 57. Termoakustický hladinoměr h (mm) Obr. 58. Frekvence termoakustických kmitů v závislostí na vzdáleností h ode dna nádoby s LHe (Ao výSka hladiny) J.Jelínek, Z. Málek: Kryogenní technika, SNTL, Praha, 1982 Fyzika nízkých teplot 4/44 Hladinoměry založené na měření tlaku J.Jelínek, Z. Málek: Kryogenní technika, SNTL, Praha, 1982 Fyzika nízkých teplot 5/44 Obr. 60. Hladinomčr L N, pro mořeni v nádobách s přímým hrdlem [/i tepelné vodivá trubice s izolačním pouzdrem, B diferenciální tlakomer, C dvoukomorový zásobník lehčí kapaliny (voda) s relativné velkým průřezem komor, D téfcši kapalina (obarvený d ich lor met han), E spojovací hadička, hk výška sloupce LN:. hJ2 měřený údaj; v případe uvedených kapalin je J.Jelínek, Z. Málek: Kryogenní technika, SNTL, Praha, 1982 < □ ► Fyzika nízkých teplot 6/44 Kondenzační hladinoměry D Obr. 61. Hladinomčry využívající kondenzace par kapalíny: a) Hladinomér indikující dotyk $ hladinou poklesem hodnoty tlaku na manometru, b) hladinomér pro kontinuální měření výSky sloupce kryokapaltny J.Jelínek, Z. Málek: Kryogenní technika, SNTL, Praha, 1982 = 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, Rb nastavovací odpory, Rm merici odpor napf. Allen-Bradley 50 Cl Z stabilizační Zenerova dioda v emitoru tranzistoru T, S spínací tlačítko) J.Jelínek, Z. Málek: Kryogenní technika, SNTL, Praha, 1982 Fyzika nízkých teplot 8/44 Supravodivý hladinoměr Obr. 63. Kontinuálni hladinom£r LHc se supravodivým vláknem J.Jelínek, Z. Málek: Kryogenní technika, SNTL, Praha, 1982 □ <3 = 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 / 44 Automatické doplňování kryokapalin Obr. 64, Automatické zařízení pro doplňování LN2 s vlnovcovým ventilem mek, Z. Málek: Kryogenní technika, SNTL, Praha, 1982 r i j Obr. 65. Automatický regulátor hladiny LN2 s miniaturním ponorným elektromagnetickým kry o ventilem J.Jelínek, Z. Málek: Kryogenní technika, SNTL, Praha, 1982 Fyzika nízkých teplot 13 / 44 G Obr. 66. Automatické zařízení pro udržování hladiny LHe v požadovaném rozmezí J.Jelínek, Z. Málek: Kryogenní technika, SNTL, Praha, 1982 Fyzika nízkých teplot 14 / 44 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 / 44 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 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 / 44 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 □ {3 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 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 / 44 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 23 / 44 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 Obr. 72. Vedení tepla zbytkovým plynem: a) L > d, molekuly plynu mají po srážce se stenami Ax 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 stčnami je přibližné lineárni J.Jelínek, Z. Málek: Kryogenní technika, SNTL, Praha, 1982 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 / 44 Vedení tepla pevnými látkami d n - vrstev různých materiálů 0 = 4^1) E b, Fyzika nízkých teplot 28 / 44 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. 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 30 / 44 Dewarova nádoba na LHe J.Jelínek, Z. Málek: Kryogenní technika, SNTL, Praha, 1982 Fyzika nízkých teplot 31 / 44 Pronikání He sklem H(fCf cg (kJmot) cm°(NTP)cm cm2 s 101 kPa ■50 - J0~'° 3+ 25 18 - JO - V 8 -0 • 10 rfl JO - to 12 13 1* 0» fO 3oj \ iU v 5 \ Pj do. o9 20 40 60 30 100% obsah SiOt* B903 +Ps05 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 J. Groszkowski: Technika vysokého vakua, SNTL, Praha 1981 □ rS1 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 \l:0, 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 sío2 >95% zbytek zbytek zbytek zbytek (0,55-0,65). 1(T6 (3-6). 10~6 (3,5-6). 10-6 (8-9). 10~6 a) (6,8-9,5). JO-6 b) (8-11). 10-6 rch (°C) l) 990-1 040 450-700 430-540 400-450 a) 450-500 b) 40-480 r;h co l) 1 140 490-730 470-590 430-480 a) 480-540 b) 430-510 Tt (°C) '} 1 100 470-720 450-570 410-470 a) 470-530 bj 410-500 Tm (°0 ') 1 600 700-950 690-780 580-650 490-750 Měrný odpor q20°c (flcm) 1017-1018 1018 10I4-1018 1017 a) 10'5 b) 1013 Měrná tepelná vodivost 0,013-0,026 0,01 0,013 0,08 0,01 xpcm^s^K-1 ) Měrné teplo (Jg^K"1) 0,8-1,26 0,4- -U J. Groszkowski: Technika vysokého vakua, SNTL, Praha 1981 Fyzika nízkých teplot 33 / 44 M noh o vrste vn á izolace - superizolace a) I 1 Obr. 75, Příklady dvou typů mnohovrstvé izolace (superizolace): a) A hliníková fólie, B skelná tkanina, b) fólie z plastické hmoty (např, z mylaru) jednostranně pokovená AI J.Jelínek, Z. Málek: Kryogenní technika, SNTL, Praha, 1982 = Fyzika nízkych teplot Prášková izolace jemný prášek z tepelně nevodivého materiálu snížení tlaku nesmí se mechanický stlačit perlit, silikagel, ... Obr. 74. Závislosti efektivní tepelné vodivosti /vr na tlaku p zbytkových plynů pro různé typy prakticky užívaných izolací: a) Idealizovaný případ vakuové izolace (d = 1 cm), kde nemaže vznikat konvekce. a') vakuová izolace (d = I cm) s možností vzniku konvekce při tlaku p.> 10 Pa, b) vakuoprá&ková izolace, b) vakuopráSková izolace s příměsemi kovových vloček, c) mnohovrstvá izolace (superizolace) J.Jelínek, Z. Málek: Kryogenní technika, SNTL, Praha, 1982 Fyzika nízkých teplot □ 36 / 44 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 37 / 44 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 38 / 44 en.wikipedia.org Fyzika nízkých teplot 39 / 44 en.wikipedia.org □ Fyzika nízkých teplot 40 / 44 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 1 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, stěna 20 mm, objem 1,5 I Fyzika nízkých teplot 43 / 44 Dewarova nádoba - LN2, objem 32 I 31.5 31 30.5 30 29.5 L-1 0 10 20 30 40 [h] 50 60 70 80 57 kg/den Fyzika nízkých teplot 44 / 44