Температура жидкого азота в сосуде дьюара

Температура жидкого азота в сосуде дьюара

Сосу́д Дью́ара — сосуд, предназначенный для длительного хранения веществ при повышенной или пониженной температуре. Перед помещением в сосуд Дьюара вещество необходимо нагреть или охладить. Постоянная температура поддерживается пассивными методами, за счет хорошей теплоизоляции и/или процессов в хранимом веществе (например, кипение). В этом основное отличие сосуда Дьюара от термостатов, криостатов.

Содержание

История изобретения [ править | править код ]

Первый контейнер для хранения сжиженных газов был разработан в 1881 году немецким физиком А. Ф. Вейнхольдом. Он представлял собой стеклянный ящик с двойными стенками с откачанным из межстеночного пространства воздухом и был использован физиками К. Ольшевским и С. Врублёвским для хранения жидкого кислорода [1] [2] .

Шотландский физик и химик сэр Джеймс Дьюар в 1892 году усовершенствовал стеклянный ящик Вейнхольда, превратив его в двустенную колбу с узким горлом для уменьшения испарения жидкости. Межстеночное пространство посеребрено и из него откачан воздух. Свой сосуд Дьюар впервые продемонстрировал перед аудиторией на публичной лекции 20 января 1893 года [3] . Всю эту хрупкую конструкцию Дьюар подвесил на пружинах в металлическом кожухе. Благодаря своей разработке Дьюар первым смог получить и сохранить жидкий (1898) [4] и даже пытался получить твердый (1899) водород [5] .

Первые сосуды Дьюара для коммерческого использования были произведены в 1904 году, когда была основана немецкая фирма Thermos GmbH по производству термосов.

Устройство [ править | править код ]

Оригинальный сосуд Дьюара представлял собой стеклянную колбу с двойными стенками, из пространства между которыми выкачан воздух. Для уменьшения потери на излучение обе внутренние поверхности колбы были покрыты отражающим слоем. Дьюар использовал в качестве отражающего покрытия серебро. Подобная конструкция применяется и в современных дешевых бытовых термосах.

Современные конструкции [ править | править код ]

Современные сосуды Дьюара конструктивно выполнены несколько иначе. Внутренний и внешний сосуды делают из алюминия или нержавеющей стали. Теплопроводность материала не важна, а прочность и вес играют большую роль. Горловина соединяет внутренний и внешний сосуды. В дьюарах объёмом до 50 л внутренний сосуд крепится только на горловине и она испытывает большие механические нагрузки. Также к ней предъявляются высокие требования по теплопроводности. То есть горловина должна быть прочной, но тонкой. В обычных сосудах горловину делают из нержавеющей стали. В высококачественных сосудах Дьюара горловина изготовляется из прочного армированного пластика. При этом возникает проблема вакуумноплотного крепления металла и пластика. Снаружи внутренний сосуд покрывается адсорбентом, который при охлаждении поглощает остаточные газы из вакуумной полости. Для уменьшения теплопотерь внутренний сосуд покрывают дополнительной теплоизоляцией. К крышке дьюара, для снижения конвекционной теплопередачи прикрепляют пенопластовый цилиндр, который негерметично закрывает горловину. Вакуумную полость откачивают до давления 10 −2 Па. От серебрения внутренних поверхностей отказались и заменили его полировкой.

Читайте также:  Почему при включении компьютера появляется черный экран

Современные сосуды Дьюара имеют низкие потери от испарения: от 1,5 % в сутки для больших ёмкостей, до 5 % в сутки — для малых объёмов.

Гелиевые сосуды Дьюара [ править | править код ]

Гелий имеет очень маленькую теплоту испарения. Поэтому для снижения теплопотерь в гелиевых дьюарах применяются тепловые экраны, охлаждаемые жидким азотом. Экраны изготавливают из материалов, хорошо проводящих тепло (медь). Такой сосуд Дьюара имеет две горловины: для жидких азота и гелия. Гелиевая горловина оборудована специальными штуцерами для газосброса, подсоединения сифона, манометра, клапана. Гелиевый дьюар нельзя наклонять, он всегда должен находиться в вертикальном положении.

С развитием техники многослойной экранно-вакуумной термоизоляции на рынке появились предложения гелиевых сосудов Дьюара, в которых не используется охлаждение жидким азотом. По утверждениям производителей, в таких сосудах Дьюара потери на испарение составляют 1 % в день для ёмкостей на 100 л.

Марка азота / состав
Особой чистоты (ОСЧ) Повышенной чистоты Технический
1-й сорт 2-й сорт 1-й сорт 2-й сорт 1-й сорт 2-й сорт
Объемная доля азота, %, не менее 99,999 99,996 99,99 99,95 99,6 99,0
Объемная доля кислорода, %, не более 0,0005 0,001 0,001 0,05 0,4 1,0

Таблица 2. Давление насыщенных паров азота при температурах 20-126К

Т, К p, гПа Т, К p, МПа
над кристаллом над жидкостью
20,0 1,44×10 -10 63,15* 0,0125*
21,2 1,47×10 -10 64 0,0146
21,6 3,06×10 -10 66 0,0206
22,0 6,13×10 -10 68 0,0285
22,5 1,59×10 -9 70 0,0386
23,0 3,33×10 -9 72 0,0513
24,0 1,73×10 -8 74 0,0670
25,0 6,66×10 -8 76 0,0762
26,0 2,53×10 -7 77,36** 0,1013**
26,4 4,26×10 -7 80 0,1371
30,0 3,94×10 -5 82 0,1697
37,4 1,17×10 -2 84 0,2079
40,0 6,39×10 -2 86 0,2520
43,5 1,40×10 -1 88 0,3028
49,6 3,49 90 0,3608
52,0 7,59 92 0,4265
54,0 13,59 94 0,5006
56,0 23,46 96 0,5836
58,0 39,19 98 0,6761
60,0 69,92 100 0,7788
62,0 98,11 102 0,8923
104 1,0172
106 1,1541
108 1,3038
110 1,4669
116 2,0442
120 2,5114
124 3,0564
126,2 *** 3,4000***
Читайте также:  Дизайн для повер поинт 2007

Примечание: * — тройная точка; ** — точка нормального кипения; *** — критическая точка

Таблица 3. Плотность жидкого азота в диапазоне температур 63-126К

Т, К ρ, кг/м3
63,15 868,1
70 839,6
77,35 807,8
80 795,5
90 746,3
100 690,6
110 622,7
120 524,1
126,25 295,2

Таблица 4. Приблизительный расход жидкого азота на охлаждение некоторых металлов

Хладагент Температурный интервал
охлаждения металла, К
Расход хладагента, л на 1 кг металла
Алюминий Нержавеющая сталь Медь
При использовании теплоты парообразования
Жидкий азот 300 до 77 1,0 0,53 0,46
При использовании теплоты парообразования и теплоемкости пара
Жидкий азот 300 до 77 0,64 0,34 0,29

Таблица 5. Основные физические свойства жидкого азота

Параметр, свойство Азот
Температура кипения, К 77,36
Критическая точка
  • Температура Ткр, К
  • Давление ркр, МПа
  • Плотность ρкр, кг/м3
  • 126,6
  • 3,398
  • 304
Тройная точка
  • Температура Ттр, К
  • Давление ртр, кПа
  • 63,15
  • 12,53
  • Плотность ρ, кг/м3: пара
  • жидкости
  • 4,54
  • 808
  • Уд. Теплоёмкость пара Ср, кДж/(кг°К):
  • жидкости
  • 0,190
  • 1,97
  • Теплота парообразования r, кДж/кг
  • кДж/л
  • 197,6
  • 159,6
Отношение разницы энтальпий газа при Т=300К и Т=4,2К к теплоте парообразования, Δi/r 1,2
  • Коэф. теплопроводности λ, мВт/(м°К) пара
  • жидкости
  • 7,62
  • 136
Диэлектрическая постоянная жидкости 1,434
Газ при нормальных условиях (t= 0 °C, p=101,325кПа)
  • Плотность ρ, кг/м3
  • Уд. теплоёмкость Ср, кДж/(кг°К)
  • Коэф. теплопроводн. λ, мВт/(м°К)
  • Объем насыщенного пара из 1 л жидкости:
  • Объем газа из 1 л жидкости:
  • 1,252
  • 1,041
  • 23,96
  • 178
  • 646
  • Молярная масса μ,кг/моль
  • Газовая постоянная R, Дж/(кг°К)
  • Показатель адиабаты γ= Cp/C
  • 28,2
  • 296,75
  • 1,4

125367, г.Москва,
Полесский проезд, д. 14а

Общие вопросы

При испарении жидкого азота образуется газообразный азот с низкой температурой, при этом плотность его больше, чем у воздуха. Поэтому азот после испарения может накапливаться вначале на нижнем уровне помещения и затем постепенно создавать повышенную концентрацию во всем помещении. Это приводит к понижению концентрации кислорода в воздухе и когда ее величина становится ниже 18%, человек в таком помещении подвергается серьезной опасности — происходит нарушение ритма дыхания, учащается пульс, затем — нарушение сознания, снижение чувствительности, теряется способность двигаться, появляется тошнота и рвота, отключается сознание, и через несколько минут наступает смерть. Особая опасность заключается в том, что это происходит безболезненно и человек не осознает свое состояние.

Читайте также:  Утилиты для работы драйверов ошибка установки

В помещениях с естественной вентиляцией допускается работа с открытыми криогенными сосудами в том случае, если объем помещения в м 3 превышает объем жидкости, находящейся в сосудах Дьюара в литрах, не менее чем в 7 раз.

Вопросы по жидкому азоту и сосудам Дьюара

Согласно Правил «Европейского соглашения о международной перевозке опасных грузов (ДОПОГ) жидкий азот в количестве до 333 кг может перевозиться без соблюдения ограничений, установленных для опасных грузов. Это правило подтверждено Приказом Минтранса РФ от 08.08.1995 г. № 73.

Допускается к перевозке в одной транспортной единице без соблюдения вышеуказанных Правил сосудов Дьюара СК-16, заполненных жидким азотом, в количестве до 15 шт.

Действие переливного устройства основано на повышении давления в криогенном сосуде при введении в жидкость «теплой» массы и использовании эффекта газ-лифт. Испарившаяся часть жидкости после герметизации горловины сосуда создает в нем избыточное давление, которое заставляет жидкость по сифону устройства переливается в заполняемую емкость.

Никаких дополнительных устройств для перелива жидкости не требуется.

Часть переливного устройства, вставляемая в сосуд Дьюара, является жесткой конструкцией и приспособлена только к сосуду определенной высоты.

Использование переливного устройства для сосудов Дьюара с горловинами разного диаметра возможно применением дополнительного уплотнителя.

Сосуды Дьюара СК-16 или СК-25 в зависимости от потока пациентов. Криохирургический аппарат КриоИней необходимо периодически заправлять, поэтому нужно выбирать сосуды, к которым есть переливное устройство. Переливать через воронку будет неудобно и тяжело.

Ссылка на основную публикацию
Adblock detector