Kryogeniikka. 1 DEE Suprajohtavuus Risto Mikkonen

Transkriptio

1 DEE Suprajohtavuus Kryogeniikka 1 DEE Suprajohtavuus Risto Mikkonen

2 A few words of jargon kroz ginomai frost to produce Etymologically, cryogenics means the science and art of producing cold. Kamerlingh Onnes, DEE Suprajohtavuus Risto Mikkonen

3 First Use of the Word Cryogenic COMMUNICATIONS FROM THE PHYSICAL LABORATORY AT THE UNIVERSITY OF LEIDEN BY PROF. H. KAMMERLINGH ONNES No. 14 Dr. H. KAMMERLINGH ONNES on the cryogenic laboratory at Leiden and on the production of very low temperatures. 29 December DEE Suprajohtavuus Risto Mikkonen

4 Cryogenic Temperature Region R 700 F 200 C 100 K 400 Water boils Water freezes ( K) Cryogenics: Superconducting region T < 120 K or 150 C Methane boils Oxygen boils Nitrogen boils CRYOGENIC REGION Hydrogen boils Helium boils 0 Absolute zero Broad Defn 4 DEE Suprajohtavuus Risto Mikkonen

5 What does CRYO mean? CRYO refers to any temperature equal or less than around 120 K Cryocooler Cryogen Cryogenics Cryostat Cryoconductor 5 DEE Suprajohtavuus Risto Mikkonen

6 Safety issues Hindenburg, casualties 6 DEE Suprajohtavuus Risto Mikkonen

7 Embrittlement & Thermal stresses Plastics > 2% Steel 0,3% Low temperature embrittlement Causes overloaded components to fracture spontaneously rather than accommodating the stress by plastic deformation. 7 DEE Suprajohtavuus Risto Mikkonen 77 K

8 Cold burns & Asphyxiation The evaporation of cryogenic liquids in closed or badly ventilated areas can lead to oxygen deficiency. The victim may not even become aware of the oxygen deficiency!!! 8 DEE Suprajohtavuus Risto Mikkonen

9 Pressure build up & Explosions 1 litre LHe 0.74 m 3 He gas 9 DEE Suprajohtavuus Risto Mikkonen

10 High Magnetic Field Earth s Magnetic Field 50 mt MRI NMR 1.5 T / 3 T 21 T 10 DEE Suprajohtavuus Risto Mikkonen

11 Copper can also serve as a cryoconductor A ka-m is the amount of conductor needed to carry 1000 A for 1 meter A ka-m of pure electrical copper when operated at J = 100 A / cm 2, T = 298 K (typical undergroud cable) has a mass of 8.9 kg has a volume of 1000 cm 3 has a price of DEE Suprajohtavuus Risto Mikkonen

12 Cu as a Cryoconductor (Cont.) Cu performance is also sensitive to temperature Less Cu is needed as temperature declines, the savings about 50 % of the Cu at T = 298 K Cu conductor also costs money Lower operating temperature requires less investment in Cu conductor, but investment insensitive to T below 77 K 12 DEE Suprajohtavuus Risto Mikkonen

13 Cu as a Cryoconductor (Cont.) Cu ohmic losses decline with temperature Instead of trying to save money by reducing capital cost by increasing current density with decreasing temperature one could try to save money by reducing operating cost by reducing ohmic losses with decreasing temperature HTS RESISTIVITY DECREASES BUT SO DOES THE COOLING EFFICIENCY! NO GOOD! 13 DEE Suprajohtavuus Risto Mikkonen

14 Properties of Cryogens Properties of Cryogens Cryogen Triple point (K) Boiling point (K) Critical point (K) Krypton, Kr Methane, CH Oxygen, O Argon, Ar Fluorine, F Carbon monoxide, CO Air, 0.76N O Ar Nitrogen, N Neon, Ne Hydrogen (normal), H Hydrogen (para), H Helium-4, He Helium-3, He DEE Suprajohtavuus Risto Mikkonen

15 Typpi Molekyylipaino g/mol Kaasun ominaistiheys (STP) kg/m 3 Kaasun ominaistilavuus (STP) m 3 /kg Kiehumispiste (1 atm) 77.3 K Jäätymispiste (1 atm) 63.2 K Kriittinen lämpötila K Kriittinen paine 2299 kpa Kriittinen tiheys kg/m 3 Trippelipiste 63.1 K (12.5 kpa) Höyrystymislämpö kiehumispisteessä kj/kg Ominaislämpö C p (STP) 1.04 kj/kgk Ominaislämpö C v (STP) kj/kgk Tiheys (neste) kiehumispisteessä kg/m 3 Kaasu (STP) / neste (kiehumispiste) suhde DEE Suprajohtavuus Risto Mikkonen

16 Typpi (Cont.) Kemiallisesti ei-aktiivinen, räjähtämätön, myrkytön (LN 2 saattaa kondensoitua seokseksi, jossa 50% nestehappea räjähdysvaara) Ilmakehässä n. 78 % (Marsin ilmakehässä 2.6 %). Suojakaasuna (kuivaus- ja hehkutusprosessit), jäähdytysaineena (laserit, infrapunadetektorit), karkaisu (teräs), öljyteollisuus Elintarviketeollisuus! 16 DEE Suprajohtavuus Risto Mikkonen

17 Kryostaatti terminen eristys 17 DEE Suprajohtavuus Risto Mikkonen

18 Neon Molekyylipaino g/mol Kaasun ominaistiheys (STP) kg/m 3 Kaasun ominaistilavuus (STP) m 3 /kg Kiehumispiste (1 atm) 27.1 K Kriittinen lämpötila K Kriittinen paine 2654 kpa Kriittinen tiheys 483 kg/m Trippelipiste K Höyrystymislämpö kiehumispisteessä 86.3 kj/kg Ominaislämpö C p (STP) 1.05 kj/kgk Ominaislämpö C v (STP) kj/kgk Tiheys (neste) kiehumispisteessä 1207 kg/m 3 Kaasu (STP) / neste (kiehumispiste) suhde DEE Suprajohtavuus Risto Mikkonen

19 Neon (Cont.) William Ramsat, Morris Travers 1898 Väritön, inertti, harvinainen jalokaasu (ilmakehässä 1.5 promillea) Valmistus: Ilman nesteytys + tislaus Hyvä jäähdytyskapasiteetti (40 x He, 3 x N 2 ) Mainosvalot, korkeajänniteindikaattorit, tyhjöputket, laserit Suprajohtavuus? 19 DEE Suprajohtavuus Risto Mikkonen

20 Vety Molekyylipaino g/mol Kaasun ominaistiheys (STP) kg/m 3 Kaasun ominaistilavuus (STP) m 3 /kg Kiehumispiste (1 atm) 20.4 K Jäätymispiste (1 atm) 16.2 K Kriittinen lämpötila K Kriittinen paine 1315 kpa Kriittinen tiheys kg/m 3 Trippelipiste 13.95K (0.148 kpa) Höyrystymislämpö kiehumispisteessä 446 kj/kg Ominaislämpö C p (STP) 14.34kJ/kgK Ominaislämpö C v (STP) 10.12kJ/kgK Tiheys (neste) kiehumispisteessä kg/m 3 Tiheys (kaasu) kiehumispisteessä kg/m 3 Kaasu (STP) / neste (kiehumispiste) suhde DEE Suprajohtavuus Risto Mikkonen

21 Vety (Cont,) Kevyin tunnettu alkuaine 90 % maailmankaikkeuden atomeista arvioidaan olevan vetyä Maankuoren massasta 0.76 % (13.5 % maankuoren atomeista) Vety ei ole primäärienergian muoto - höyryrefermointi - termokemiallinen (aurinko!) - sähkökemiallinen - fotolyysi - biokonversio Energiasisältö 120 MJ/kg 21 DEE Suprajohtavuus Risto Mikkonen

22 Vety -sovelluskohteita Kemian ja petrokemian teollisuus (voiteluöljyjen ja kerosiinin valmistus) Ammoniakin ja synteettisen metanolin valmistus Elintarviketeollisuus (ruokaöljyjen ja margariinin valmistus) Metallurgia (rautaoksidin poistaminen rautamalmista) Sähkö- ja elektroniikkateollisuus (moottorien ja generaattorien jäähdytys, tyhjiöputket, kiteen kasvatusprosessit) Polttokennot 22 DEE Suprajohtavuus Risto Mikkonen

23 Helium Molekyylipaino 4.00 g/mol Kaasun ominaistiheys (STP) kg/m 3 Kaasun ominaistilavuus (STP) m 3 /kg Kiehumispiste (1 atm) 4.22K Jäätymispiste (1 atm) Ei ole Kriittinen lämpötila 5.25 Kriittinen paine 227 kpa Kriittinen tiheys kg/m 3 Trippelipiste Ei ole Höyrystymislämpö kiehumispisteessä kj/kg Ominaislämpö C p (STP) 5.19 kj/kgk Ominaislämpö C v (STP) kj/kgk Tiheys (neste) kiehumispisteessä kg/m 3 23 DEE Suprajohtavuus Risto Mikkonen

24 Helium (Cont.) Isotooppi 4 He: Muuttuu kiinteäksi, kun p > 25 MPa Muuttuu supranesteeksi kun T < 2.17 K (höyrynpaineessa) 24 DEE Suprajohtavuus Risto Mikkonen Isotooppi 3 He: Kaksi erilaista supratilaa Muutoslämpötila alle K Kiinteän heliumin rakenne on joko heksagonaalinen tiivis pakkaus (hcp) tai tilakeskeinen kuutio (bcc)

25 Helium (Cont.) Supraneste: ei kitkaa, ei viskositettia Supratila on kvanttimekaaninen ilmiö, virtausnopeus vorteksiviivan ympäri määrytyy vakiosta h/m Kvantisoidut vorteksit Supranesteiden pyöriminen on epähomogeenista Supranesteen virtaus kiertää kvantisoituja vorteksiviivoja Suprajuoksevuus Suprajohtavuus 25 DEE Suprajohtavuus Risto Mikkonen

26 Economy of the Cryogenic Fluids 26 DEE Suprajohtavuus Risto Mikkonen

27 27 DEE Suprajohtavuus Risto Mikkonen

28 28 DEE Suprajohtavuus Risto Mikkonen

29 Jäähdytysmoodit Sulze r 50 L/hr Turboexpanders Heliquefier.cdr 29 DEE Suprajohtavuus Risto Mikkonen

30 Kryostaatti neste- vs mekaaninen jäähdytys 30 DEE Suprajohtavuus Risto Mikkonen

31 MRI-magneetin jäähdytys Shield cooling 15 K GM 31 DEE Suprajohtavuus Risto Mikkonen

32 Example Cooling of a MgB 2 coil for induction heating 32 DEE Suprajohtavuus Risto Mikkonen

33 Cryogenic Interface Consist of Oxygen Free High Conductivity (OFHC) copper Stycast epoxy 2850-FT is used to connect the comb structure to the magnet 33 DEE Suprajohtavuus Risto Mikkonen

34 Cryogenic setup an example 34 DEE Suprajohtavuus Risto Mikkonen

35 Kryostaatti - lämpökuorma LÄMMÖNJOHTUMINEN Sisäastian kaula Tukirakenteet LÄMPÖSÄTEILY Tyhjiötilan läpi Sisäastian kaula VIRTAJOHDOT Johtumislämpö Joule-lämpö 35 DEE Suprajohtavuus Risto Mikkonen

36 Tukirakenteiden jäähdytys Heliumkaasu pystyy sitomaan noin 75 kertaa höytystymislämmön suuruisen lämpömäärän ennen kuin se on lämmennyt 300 K. H ( T ) H Cp ( T 4.2 K) 1559 J / g H 20.9 J / g C p 5.2 J / gk 36 DEE Suprajohtavuus Risto Mikkonen

37 Lämmönjohtuminen Q C A l T 2 T 1 ( T) dt Temperature range 300 K 4.2 K Stainless steel Epoxy 3100 W/m 150 W/m 37 DEE Suprajohtavuus Risto Mikkonen

38 Esimerkki Nesteheliumiin siirtyy lämpöä johtumalla teräksestä valmistet-tua sylinterimäistä tukirakennetta pitkin, jota ei jäähdytetä höy-rystyvällä heliumkaasulla. Umpinaisen sylinterin poikkipinta-ala on 20 mm 2 ja pituus 200 mm. Mikäli tukiputken puoleenväliin liitetään kryojäähdytin, on ankkurointipisteessä putken lämpö-tila 70 K. Kuinka paljon edullisemmaksi käyttökustannuksiltaan ratkaisu on verrattuna tilanteeseen, jossa kryojäähdytintä ei käytetä? Teräksen lämmönjohtavuuden integraali lämpötilavälillä 300 K 4.2 K on 3100 W/m ja välillä 70 K 4.2 K 200 W/m. Nesteheliumin höyrystymislämpö on 20.4 J/g ja tiheys 125 kg/m 3. Kryojäähdyttimen vaatima teho huoneen lämpötilassa on 10 kw, sähkön hinta 0.1 /kwh ja nesteheliumin hinta 10 /l. 38 DEE Suprajohtavuus Risto Mikkonen

39 Lämpösäteily Q R Net Radiation A T2 T1 ) ( f 1,2 View Factor f 1,2 A 1 Cocentric cylinders Superinsulation (MLI) Q 1 Mylar N 1 R Q R A 2 2 DEE Suprajohtavuus Risto Mikkonen

40 Kryostaatin lämpötase 40 DEE Suprajohtavuus Risto Mikkonen

41 Separarointimagneetin kryostaatti 41 DEE Suprajohtavuus Risto Mikkonen

42 Suprajohdemagneetin virtajohdot Materiaalivaihtoehtoja Kupari Alumiini Ruostumaton teräs Messinki Mistä materiaalista virtajohtimet kannattaa valmistaa, jotta niiden aiheuttama lämpökuorma minimoituisi? Wiedemann-Franz ( T) r( T) L0 T HTS 42 DEE Suprajohtavuus Risto Mikkonen

43 Kaasujäähdytteiset virtajohdot Mikäli lämmönvaihto virtajohdon ja heliumkaasun välillä on ideaalinen d dt ( ) dt A T mc p( T ) dx dx dx Kokonaislämpökuorma nesteheliumiin r( T) I A 2 0 Siis dt r m C I dx A dt dx 0 2 p0 x 0 x0 r0 I AmC 2 p DEE Suprajohtavuus Risto Mikkonen

44 Kaasujäähdytteiset virtajohdot (Cont.) Kylmässä päässä lämpövuoto johtumista Joten Q I A( T ) dt dx x0 I 0 r0 mc p0 2 m H Jolloin m Q I I I 0 r 0 C H p0 H 0 r0 C p0 44 DEE Suprajohtavuus Risto Mikkonen

45 Kaasujäähdytteiset virtajohdot (Cont.) Esimerkiksi kuparille Suhteelle l A T T l 0 Q I 1 mw A I / saadaan optimilauseke dt I l H r( T ) A C r opt p DEE Suprajohtavuus Risto Mikkonen

46 HTS-virtajohdot 46 DEE Suprajohtavuus Risto Mikkonen

47 Suprajohdemagneetin jäähdytys dq dq s He M s C dm s ( T ) dt He h He ( T) h He (4.2 K ) M Kun lämmönvaihto ideaalista T i M s Cs( T ) He hhe( T ) h 4.2 He T i 4.2 H M C s He i (4.2 K) Cs( T ) dt ( T 4.2 K) dt 1. Esijäähdytys (LN 2 ) 2. Stabilointi 3. Typen poisto 4. Heliumin siirto 47 DEE Suprajohtavuus Risto Mikkonen

48 1000 kg:n kuparimassan jäähdytys T i (K) M He (=1) (L) M he (=0) (L) DEE Suprajohtavuus Risto Mikkonen

49 Jäähdytyksen hyötysuhde SECOND LAW OF THERMODYNAMICS (Relation of work and heat) Kelvin Statement Hot reservoir Q. Q. W. Q. System Surrounding Clausius Statement Surrounding h 0 System c Cold reservoir Of the heat supplied at a high temperature to a system not all can be converted to work; a fraction of it must be rejected as heat at a lower temperature. No process is possible whose sole result is the removal of heat from a reservoir at one temperature and the rejection of an equal quantity of heat to a reservoir at a higher temperature. Refrig9c.cdr 49 DEE Suprajohtavuus Risto Mikkonen