Tepeln´ e izolace a hladinomˇ ery kryokapalin
• R˚ uzn´e typy hladinomˇer˚ u pro kryokapaliny • Doplˇ nov´an´ı kryokapalin • Dewarova n´ adoba • Pˇrenos tepla veden´ım, z´ aˇren´ım,... • Tepeln´ e izolace - vakuov´a, superizolace, pˇenov´a,....
Fyzika n´ızk´ ych teplot
1 / 39
Plovakov´ e hladinomˇ ery
1 1
J.Jel´ınek, Z. M´ alek: Kryogenn´ı technika, SNTL, Praha, 1982 Fyzika n´ızk´ ych teplot
2 / 39
Optick´ e hladinomˇ ery
hod´ı se pro LN2 , ne pro LHe 2
2
J.Jel´ınek, Z. M´ alek: Kryogenn´ı technika, SNTL, Praha, 1982 Fyzika n´ızk´ ych teplot
3 / 39
Termoakustick´ y hladinomˇ er pro LHe
3 3
J.Jel´ınek, Z. M´ alek: Kryogenn´ı technika, SNTL, Praha, 1982 Fyzika n´ızk´ ych teplot
4 / 39
Hladinomˇ ery zaloˇ zen´ e na mˇ eˇren´ı tlaku
4 4
J.Jel´ınek, Z. M´ alek: Kryogenn´ı technika, SNTL, Praha, 1982 Fyzika n´ızk´ ych teplot
5 / 39
5
5
J.Jel´ınek, Z. M´ alek: Kryogenn´ı technika, SNTL, Praha, 1982 Fyzika n´ızk´ ych teplot
6 / 39
Kondenzaˇ cn´ı hladinomˇ ery
6 6
J.Jel´ınek, Z. M´ alek: Kryogenn´ı technika, SNTL, Praha, 1982 Fyzika n´ızk´ ych teplot
7 / 39
Elektrick´ e odporov´ e hladinomˇ ery
7 7
J.Jel´ınek, Z. M´ alek: Kryogenn´ı technika, SNTL, Praha, 1982 Fyzika n´ızk´ ych teplot
8 / 39
Supravodiv´ y hladinomˇ er
8 8
J.Jel´ınek, Z. M´ alek: Kryogenn´ı technika, SNTL, Praha, 1982 Fyzika n´ızk´ ych teplot
9 / 39
Kapacitn´ı hladinomˇ er
v´alcov´y kondenz´ator Kapalina
bod varu [K]
εr
L4 He
4.21
1.0492
LH2
20.38
1.230
LNe
27.10
1.187
LN2
77.35
1.431
LO2
90.19
1.484
Fyzika n´ızk´ ych teplot
10 / 39
Dalˇs´ı typy hladinomˇ er˚ u
• ultrazvuk • optick´ y absorpˇcn´ı • radar • v´ aˇzen´ı
Fyzika n´ızk´ ych teplot
11 / 39
Automatick´ e doplˇ nov´ an´ı kryokapalin
9
9
J.Jel´ınek, Z. M´ alek: Kryogenn´ı technika, SNTL, Praha, 1982 Fyzika n´ızk´ ych teplot
12 / 39
10 10
J.Jel´ınek, Z. M´ alek: Kryogenn´ı technika, SNTL, Praha, 1982 Fyzika n´ızk´ ych teplot
13 / 39
11
11
J.Jel´ınek, Z. M´ alek: Kryogenn´ı technika, SNTL, Praha, 1982 Fyzika n´ızk´ ych teplot
14 / 39
Tepeln´ e izolace
• pˇrenos tepla z´ aˇren´ım • pˇrenos tepla konvekc´ı (proudˇ en´ı plynu) • pˇrenos tepla zbytkov´ ym plynem • veden´ı tepla pevn´ ymi l´atkami
Pro mili- a mikro-kelvinovou oblast - mechanick´e a akustick´e kmity, v´ıˇriv´e proudy, elektromagnetick´e z´aˇren´ı,... Pˇr´ıklad: ˇspendl´ık z v´yˇsky 3 mm na 100 g Cu blok o teplotˇe 10−6 K zp˚ usob´ı vzr˚ ust teploty na 10−2 K
Fyzika n´ızk´ ych teplot
15 / 39
Odpar kryokapalin
Kapalina
bod varu [K]
odpar [cm3 h−1 ] pˇr´ıkonem 1 mW
L3 He
3.19
7.2
L4 He
4.21
1.40
LH2
20.38
1.15×10−2
LNe
27.10
3.46×10−2
LN2
77.35
2.26×10−2
LO2
90.19
1.48×10−2
Fyzika n´ızk´ ych teplot
16 / 39
Dewarova n´ adoba na LN2
12 12
J.Jel´ınek, Z. M´ alek: Kryogenn´ı technika, SNTL, Praha, 1982 Fyzika n´ızk´ ych teplot
17 / 39
Pˇrenos tepla z´ aˇren´ım ˇcern´e tˇeleso - ˇsed´e tˇeleso - z´aˇren´ı v ˇsirok´e frekvenˇcn´ı oblasti Wien˚ uv z´akon: λm =
2898 [µm, K ] T
Stefan-Boltzman˚ uv z´akon: q = σT 4 [W /m2 ] dvˇe plochy s r˚ uznou teplotou: Q21 = σE21 A21 (T24 − T14 ) [W ] A21 ≈ A1 ; E21 =
e1 e2 e2 + (1 − e2 )e1
e1 , e2 - emisivity povrch˚ u s teplotou T1 a T2 Fyzika n´ızk´ ych teplot
18 / 39
Z´ aˇren´ı ˇ cern´ eho tˇ elesa
T[K]
T 4 [K 4 ]
q[Wm−2 ]
λm [µm]
300
8.1 × 109
460
9.66
77
3.51 × 107
1.99
37.6
20
1.60 × 105
9.1 × 10−3
144.9
4
2.56 × 102
1.45 × 10−5
724.5
1
1
5.67 × 10−8
2898
0.1
1 × 10−4
5.67 × 10−12
28980
Fyzika n´ızk´ ych teplot
19 / 39
Souˇ cinitel pomˇ ern´ e pohltivosti L´atka Al elektrolyticky leˇstˇen´y
Al s vrstvou oxid˚ u 1µm Ag Au Cu oxidovan´y Cu leˇstˇen´a Sn Ni leˇstˇen´y nerez sklo
T [K ] 300 76 4 300 76 76 300 300 76 75 76 293
a 0.03 0.018 0.011 0.30 0.01 0.01 0.78 0.03 0.013 0.016 0.048 0.94
tlouˇst’ka vrstvy alespoˇ n 1% z λm Fyzika n´ızk´ ych teplot
20 / 39
Bod P1 P2 P3 P4 P5
a 0.73 0.77 0.79 0.07 0.21
teplota 103.0 ◦C 102.8 ◦C 103.0 ◦C 100.0 ◦C 101.9 ◦C
Fyzika n´ızk´ ych teplot
a=1 90.8 ◦C 93.2 ◦C 94.9 ◦C 40.4 ◦C 53.2 ◦C
materi´al korund sklo sklo p´ıskovan´e Al leˇstˇen´y Al leˇstˇen´y, p´ıskovan´y
21 / 39
Sn´ıˇ zen´ı radiaˇ cn´ıho tepeln´ eho toku pomocn´ ymi mezistˇ enami
n- tepelnˇe izolovan´ych mezistˇen Q=
σE21 A1 (T24 − T14 ) n+1
re´alnˇe 2-3 kr´at vˇetˇs´ı tepeln´y tok je to princip mnohovrstevn´e izolace
Fyzika n´ızk´ ych teplot
22 / 39
Pˇr´ıklad:
e , T2 T1 2 e Q = σA1 T24 2
e1 = e2 1 , E21 =
T2 = 300K , T1 = 4.2K , e = 0.04 , A1 = 1m2 ⇒ Q = 9 W to je odpar asi 12 lh−1 LHe T2 = 77K ⇒ Q = 39 mW to je odpar asi 52 cm3 h−1
Fyzika n´ızk´ ych teplot
23 / 39
Veden´ı tepla konvekc´ı - proudˇ en´ım plynu
Q = C %1/2 (T2 − T1 )5/4 % je hustota, C je konstanta zabr´anit konvekci m˚ uˇzeme: • rozdˇ elen´ı prostoru na mal´e kom˚ urky • sn´ıˇ zen´ım tlaku pod 10 Pa
Fyzika n´ızk´ ych teplot
24 / 39
Veden´ı tepla zbytkov´ ym plynem pro vzduch pˇri atm. tlaku: Q=
λA1 (T2 − T1 ) d
pro molekul´arn´ı proudˇen´ı a souos´e v´alcov´e plochy: Q= kde γ =
cp cv ,
R 8π
1/2
γ + 1 T2 − T1 ac pA1 γ − 1 (MT )1/2
ac je koeficient akomodace ac =
a1 =
Fyzika n´ızk´ ych teplot
a1 a2 2 a2 + a1 (1 − a2 ) A A1
T2 ‘ − T1 ‘ T2 ‘ − T1 ‘ , a2 = T2 ‘ − T1 T2 − T1 ‘ 25 / 39
13
13
J.Jel´ınek, Z. M´ alek: Kryogenn´ı technika, SNTL, Praha, 1982 Fyzika n´ızk´ ych teplot
26 / 39
Akomodaˇ cn´ı koeficient - orientaˇcn´ı 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
Fyzika n´ızk´ ych teplot
27 / 39
Veden´ı tepla pevn´ ymi l´ atkami
Q=
λA(T2 − T1 ) [W ] d
n-vrstev r˚ uzn´ych materi´al˚ u Q=
A(T2 − T1 ) di , Ri = n P λi Ri i=1
Fyzika n´ızk´ ych teplot
28 / 39
Vakuov´ a izolace - Dewarova n´ adoba
• tlak asi 10−3 Pa • materi´ al tvrd´e sklo, nerez,... • Ag - kv˚ uli radiaci • difuze He pˇres sklo • kombinace vakua a jin´ ych druh˚ u izolace
Pˇr´ı tlaku 10−3 Pa je stˇredn´ı voln´a dr´aha pro vzduch a teplotu 300 K asi 6.6 m.
Fyzika n´ızk´ ych teplot
29 / 39
Mnohovrstevn´ a izolace - superizolace
14
14
J.Jel´ınek, Z. M´ alek: Kryogenn´ı technika, SNTL, Praha, 1982 Fyzika n´ızk´ ych teplot
30 / 39
Dewarova n´ adoba na LHe
15 15
J.Jel´ınek, Z. M´ alek: Kryogenn´ı technika, SNTL, Praha, 1982 Fyzika n´ızk´ ych teplot
31 / 39
Pr´ aˇskov´ a izolace
• jemn´ y pr´aˇsek z tepelnˇe nevodiv´eho materi´alu • sn´ıˇ zen´ı tlaku • nesm´ı se mechanick´ y stlaˇcit • perlit, silikagel, ...
Fyzika n´ızk´ ych teplot
32 / 39
16
16
J.Jel´ınek, Z. M´ alek: Kryogenn´ı technika, SNTL, Praha, 1982 Fyzika n´ızk´ ych teplot
33 / 39
Pˇ enov´ a izolace
• mal´ e uzavˇren´e, nebo otevˇren´e kom˚ urky • polystyren, polyuretan, epoxid, sklo,... • mal´ a hustota • vakuum • polystyren 4l LN2 , s´ıla stˇ eny 3 cm, odpaˇren´ı asi za 14 h • raketov´ a technika - STS 107, start 16.1.2003, 1.2.2003 Columbia,
60x38x7.5 cm, rychlost 185-255 m/s
Fyzika n´ızk´ ych teplot
34 / 39
Aerogel
• Si, C, Al2 O3 , ... • p´ ory 30 nm • niˇ zˇs´ı tepeln´a vodivost neˇz vzduch • hustota asi 1900 g/m3 • nejmenˇs´ı hustota 2013 aerographene 160 g/m3 , vzduch 1200 g/m3 • vyuˇ zit´ı: tepeln´a izolace - raketov´a technika, vesm´ırn´e sondy, obleˇcen´ı,
budovy,...; absorpˇcn´ı materi´al; l´eˇciva- je biokompatibiln´ı;...
Fyzika n´ızk´ ych teplot
35 / 39
17 17
en.wikipedia.org Fyzika n´ızk´ ych teplot
36 / 39
18 18
en.wikipedia.org Fyzika n´ızk´ ych teplot
37 / 39
L´atka graphene c-BN Ag Cu Au Ni korund nerez a-BN sklo polyethylen HDPE plexisklo korek pap´ır polystyren aerogel vzduch Fyzika n´ızk´ ych teplot
[Wm−1 K −1 ] 4840 740 429 401 318 90.9 30 18 3 0.8-1.4 0.5 0.2 0.04-0.07 0.05 0.033 0.03 - 0.004 0.026 38 / 39
LN2 Typ IKL32 Bo 50 EC 75 T600
objem [l] 31.5 50 75 632
odpar [%/den] 1.8 3.5 1.25 1
materi´al Al + nerez nerez nerez nerez
He Typ He50 STG40 STG100 LHe
objem [l] 50 40 100 500
Fyzika n´ızk´ ych teplot
st´ınˇen´ı odpar He [%/den] LN2 3.5 LN2 1 S 1.5 S 0.75
materi´al nerez nerez nerez nerez
39 / 39
