Przechowywanie cieczy kriogenicznych i rodzaje izolacji cieplnych.

Michael Buraczewski
Inżynieria Mechaniczno-Medyczna
Temat: Przechowywanie cieczy
kriogenicznych i rodzaje izolacji
cieplnych.
Spis treścci:
1. Wstęp............................................................................3
2. Zastosowanie cieczy kriogenicznych........................4
3. Zagrożenia..................................................................5
4. Przechowywanie cieczy kriogenicznych...................6
5. Rodzae izolacjii cieplnych..........................................6
6. Bibliografia..................................................................7
1. Wstęp
Kriogenika (gr. krios – zimno, genos – ród) – dziedzina nauki zajmująca
się badaniem i wykorzystaniem właściwości ciał w niskich temperaturach,
uzyskiwaniem i mierzeniem niskich temperatur.
Za niskie temperatury uznaje się temperatury niższe od −150°C (123
K.)Kriogenika ma poważny udział w takich dziedzinach jak: badania
przestrzeni kosmicznej, biologia i chirurgia, w przemyśle spożywczym,
metalurgicznym, chemicznym i urządzeniach nadprzewodzących. Zastosowanie
elementów nadprzewodzących w urządzeniach energetycznych prowadzi do
znacznego zmniejszenia kosztów i masy tych urządzeń oraz zwiększenia
sprawności i wydajności przy zachowaniu ich mocy.
Systemem kriogenicznym można więc określić zespół l urządzeń,
których zadaniem jest otrzymywanie odpowiedni niskich temperatur i
utrzymanie optymalnych warunków pracy urządzenia, poprzez wykorzystanie
instalacji chłodniczych pracujących na cieczach kriogenicznych. Do
najpowszechniej używanych w technice kriogenicznych czynników zalicza się:
-azot
-tlen
-hel
-wodór
-argon
Ciecze kriogeniczne stanowiące czynnik roboczy urządzenia oraz
zapewniające właściwe warunki jego eksploatacji ze względu na swoje
własności, głównie z powodu niskiej temperatury, stają się istotnym
zagadnieniem w przypadku omawiania bezpieczeństwa systemów
kriogenicznych.
2. Zastosowanie cieczy kriogenicznych
Leczenie zimnem stosowali już 2,5 tys. lat temu starożytni Egipcjanie.
Stwierdzili oni, że zimno łagodzi cierpienia w miejscach urazu. Krioterapię
zalecał w V wieku p.n.e. Hipokrates. Jako pierwszy urządzenie uwalniające
pary ciekłego azotu stosowane do leczenia chorób dermatologicznych
skonstruował Whitehouse, a było to w 1907 roku. Stosowanie w praktyce
leczniczej krioterapii przypisuje się Japończykowi, Toshiro Yamauchi, który
skonstruował pierwsze przenośne krioaplikatory i pierwszą w świecie komorę
kriogeniczną (1978 r.). Pierwsza polska wersja kriokomory
niskotemperaturowej powstała w 1989 roku, a zaprojektował ją inż. Zbigniew
Raczkowski. Leczenie zimnem ma szereokie zastosowanie w medycynie.
Metody krioterapii stosujemy,między innymi w:
-dermatologii – np. przy usuwaniu blizn, brodawek czy tzw. pajączków, ale
także żylaków czy hemoroidów.
-reumatologii – ciekłym azotem miejscowo działa się na chore stawy.
Przywraca im to możliwość ruchu i zmniejsza ból.
-chirurgii – kriozabiegi wykorzystywane są w leczeniu chorób
ginekologicznych (np. nadżerek) i w schorzeniach urologicznych (przy
polipach przewodu moczowego).
3.Zagrożenia
Z cieczami kriogenicznym związane są liczne zagrożenia, przy
stosowaniu cieczy kriogenicznych należy więc ściśle stosować się do zasad
BHP. Poniżej omówiono główne zagrożenia związane z cieczami
kriogenicznymi.
Pierwszym zagrożeniem jest bardzo niska temperatura cieczy i par, które
bardzo szybko mogą spowodować u człowieka głębokie odmrożenia podobne
do oparzeń. Szczególnie na odmrożenia narażone są delikatne tkanki. Należy
więc stosować odzież, która odpowiednio osłania ciało.
4. Przechowywanie cieczy kriogenicznych
Ciecze kriogeniczne charakteryzują się wysokim współczynnikiem
ekspansji, a więc nie mogą być przechowywane w szczelnie zamkniętych
pomieszczeniach, ponieważ istnieje niebezpieczeństwo rozerwania. Do
przechowywania zimnych substancji wykorzystujemy :
-zbiorniki ciśnieniowe, które posiadają zwykle dwa zawory bezpieczeństwa
-zbiorniki otwarte, do których jest dopasowany luźny korek.
-nie wolno nigdy zostawiać cieczy w zamkniętych przestrzeniach
-należy stosować zawory bezpieczeństwa
Gazy cieczy kriogenicznych cechują się bezbarwnością, bezwonnością
oraz brakiem smaku. Nie są toksyczne ale zmniejszają zawartość tlenu w
otoczeniu. Dlatego ważna jest odpowiednia wentylacja.
W każdym urządzeniu kriogenicznym istnieje konieczność izolowania
obszarów niskotemperaturowych od dopływu ciepła z otoczenia. Skuteczność
działania izolacji cieplnych istotnie wpływa na parametry pracy urządzeń
kriogenicznych i koszty ich eksploatacji. W zagadnieniach wymiany ciepła
rozróżnia się trzy zasadnicze jej rodzaje:
-przewodzenie
-konwekcja
-promieniowanie
Podział ten wynika z odmienności mechanizmu przenoszenia energii cieplnej.
W rzeczywistości powyższe rodzaje wymiany ciepła w czystej postaci
spotykamy niezwykle rzadko. Z reguły występują one w pewnych
kombinacjach, które uwzględnia się w obliczeniach.
Przewodzenie ciepła to zjawisko, które polega na wymianie energii przez
bezpośrednią styczność cząstek ciała. Należy pamiętać, że w cieczach i ciałach
stałych przenoszenie energii odbywa się za pośrednictwem fal sprężystych, w
gazach – drogą dyfuzji atomów i cząstek, natomiast w metalach przez dyfuzję
wolnych elektronów.
Pojęcie konwekcji odnosi się do przenoszenia energii drogą mieszania się
cząsteczek i występuje zawsze jednocześnie z przewodzeniem ciepła. Zjawisko
to zachodzi tylko w cieczach i gazach i zależy w dużynstopniu od stanu i
rodzaju cieczy.
Promenowaniem ciepła nazywamy zjawisko rozchodzenia się energii w
postaci fal elektromagnetycznych. W odróżnieniu od konwekcji i przewodzenia,
promieniowanie nie wymaga ośrodka materialnego, ponieważ może się
rozchodzić w próżni. Energia promieniowania przenosi się z prędkością równą
prędkości światła, co wnioskujemy z elektromagnetycznego pochodzenia tej
energii.
Wyróżniamy dwa główne rodzaje izolacji cieplnych:
-izolacje termiczne wypełnione gazem
-izolacje próżniowe
W urządzeniach kriogenicznych służących do krótkotrwałego przechowywania
skroplonych gazów lub ich przesyłu na niewielkie odległości stosuje się
izolacje cieplne wypełnione gazem. Izolacje takie wykonuje się w postaci
pianek izolacyjnych lub izolacji proszkowych. Pianki izolacyjne charakteryzują
się zamkniętą strukturą komórkową powstałą na skutek rozprężenia dużej ilości
gazów wewnątrz porów polistyrenu, poliuretanu, gumy lub krzemionki. Gazami
stosowanymi do wytwarzania struktury komórkowej w materiałach
pierwotnych są fluorowodory lub CO2. W temperaturach kriogenicznych gaz
wypełniający komórki ulega skropleniu, a następnie zestaleniu, wytwarzając w
ten sposób w komórkach pianek próżnię i poprawiając ich własności izolacyjne.
Niewątpliwe zaletą pianek jest ich niska cena.
Istotą izolacji próżniowej jest zastosowanie naczynia o podwójnych ściankach,
pomiędzy którymi wytworzona zostaje próżnia. Powierzchnie ścianek od strony
próżni powinny cechować się możliwie niską emisyjnością. Pomiędzy
ściankami nie powinny występować mostki cieplne. Po obniżeniu ciśnienia
gazu poniżej pewnego poziomu, ilość przewodzonego ciepła przez ten gaz jest
wprost proporcjonalna do jego ciśnienia. W konsekwencji uzyskując
odpowiednio niskie ciśnienia, przy braku mostków cieplnych, można w
przestrzeni oddzielającej kriogen od otoczenia uzyskać warunki, w których
ilość przewodzonego ciepła przez gaz staje się pomijalne mała, a ciepło jest
przekazywane jedynie na drodze promieniowania. Obniżenie ilości ciepła
przekazywanego przez promieniowanie wymaga stosowania materiałów o
niskiej emisyjności lub pokrywania wewnętrznych powierzchni naczyń
próżniowych takimi materiałami.
Bibliografia:
1. Chorowski M: „Kriogenika podstawy i zasosowania”.
2. Wesołowski A.: „Urządzenia chłodnicze i kriogeniczne oraz ich pomiary
cieplne”, Wydawnictwo Naukowo- Technologiczne, Warszawa 1980.
3. Bodio E.: „Skraplarki i chłodziarki kriogeniczne”; skrypt Politechniki
Wrocławskiej, Wrocła 1987.
4. Gabriela Konopka, Maciej Chorowski: „ Zasady bezpiecznego
posługiwania się czynnikami kriogenicznymi”; Politechnika Wrocławska,
Wrocław 1999