DEE Kryogeniikka

Transkriptio

1 DEE Kryogeniikka Kryogeeninen eristys

2 Mitä lämmönsiirto on? Lämmönsiirto on lämpöenergian välittymistä lämpötilaeron vaikutuksesta. Lämmönsiirron mekanismit Johtuminen Konvektio Säteily

3 Lämmönsiirron mekanismit Johtuminen kiinteässä aineessa Konvektio rajapinnalta väliaineeseen Lämpösäteily kahden pinnan välillä q s q > s > 3

4 Johtuminen / konvektio / säteily 4

5 yhjiöeristys Eliminoi konvektiivisen lämmönsiirron Pienentää lämmönjohtumista jäännöskaasun läpi Kaksi sisäkkäistä astiaa Sisäkkäiset sylinterit / pallot r 4 4 Fe F ( ) F e Q Stefan-Bolzmannin vakio = 5.67 x 0 - W/cm K 4 F e = emissiviteettikerroin F - = näkyvyyskerroin F ja 5

6 Säteilysuojat setettaessa tyhjiötilaan N s kappaletta säteilysuojia, emissiviteetti s, ts. yhteensä N s + heijastavaa pintaa F e( N N s ) 0 s ( N s )( N s s s ) Kun N = 0 ja s = (ei säteilysuojia) F e ( N 0) 0 0 Eseimerkiksi 0 = 0.90 ja s = 0.05 sekä N = 0 N N

7 Jäännöskaasu Korkeilla tyhjiötasoilla (~ 0-0 MPa) vapaiden molekyylien välinen etäisyys on suuri heijastavien pintojen etäisyyteen L verrattuna, jolloin lämmönjohtavuus määräytyy vapaiden molekyylien liikkeestä, jolloin lämpövirta riippuu lineaarisesti paineesta. L vs. fp? fp p R M g c 7

8 Kaasujen sovituskertoimet ' ' ' ' ' ' Lämpötila Helium Vety Ilma (K)

9 äten F a Sovituskerroin F a analoginen emissiviteettikertoimen kanssa. ' ' Sisäkkäiset sylinterit / pallot Jäännöskaasun johtumislämpövirrantiheys on pintaan kohdistuvan molekyylien massavirran tulo molekyylien liike-energian muuotoksella kerrottuna. g m e F a Kineettinen kaasuteoria m V 4 9

10 Kineettinen kaasuteoria... Molekyylien todellinen keskinopeus V 8 g c k Jäännöskaasu kautta tapahtuva lämmönjohtuminen sisäkkäisten sylinterien ja pallojen tapauksessa g 8 g c k F a p 0

11 Esimerkki Nestehappea säilytetään pallon muotoisessa astiassa, jossa ulkoastian sisäsäde on.6 m ja sisäastian ulkosäde. m. stioiden väliin imetään.5 mpa:n tyhjiö. Sisäastian emissiviteetti on 0.04 ja ulkoastian Mikäli ulkoastian lämpötila on 300 K ja sisäastian 90 K, määritä kokonaislampökuorma nestetilaan.

12 Emissiviteettikerroin sisäkkäisille palloille F e D D äten nettolämpösäteily (F - = ja = D ) r D Fe W Sovituskerroin F a Jäännöskaasun johtumislämpövirta g Siis g 8 c k F a p =.5 W t r g W

13 Harjoitus Edellisessä esimerkissä tyhjiötilaan asetetaan säteilysuoja, jonka halkaisija on.4 m. Määritä kokonaislämpövirta nestehappeen, kun säteilysuojan lämpötila on keskimäärin 00 K ja emissiviteetti Harjoitus Kahden levyn välitila on täytetty vetykaasulla. Levyjen lämpötilat ovat 300 K ja 77 K. Mihin tyhjiötasoon levyjen välinen tila tulisi imeä, jotta jäännöskaasun johtumislämpövirran tiheys on 35 W/m? Vetykaasulle ominaislämpösuhde =.40. 3

14 Supereriste a N / x h 3 s 4

15 Pulveri- ja vaahtoeristys Pulverieristeet (perliitit, piipohjaiset geelit) voivat olla tapauksesta riippuen tyhjöimettyjä. Nestetypen lämpötilan alapuolella pelkän tyhjiöeristyksen käyttö tulee useimmiten edullisemmaksi. Fourier: m a x Keskimääräinen lämmönjohtumistien poikkipinta-ala, m m ln m sisäkkäiset sylinterit sisäkkäiset pallot, päistään ellipsin muotoiset 5 pinnat

16 Päistään ellipsin muotoisen pinnan pinta-ala 4 D ln missä D on ellipsipinnan isompi kaarevuus sekä D D D ellipsipinnan pienempi halkaisija Standardi : säilytysastia: = D 6

17 Harjoitus arkastellaan oheista nestetypen säilytysastiaa (standardi :) astia, mikä on eristetty tyhjöimetyllä perliittipulverilla, jonka keskimääräinen lämmönjohtavuus on.7 mw/mk. Mikä on nestekiehuma vuorokaudessa, kun D =.4 m, D =.8 m, L =.0 m ja L =.4 m. 7

18 Case: ee vertailua oheisen säilytysastian nesteen kiehumasta, kun säteilysuojaa (a) jäähdytetään, (b) ei jäähdytetä kylmällä kaasulla. arkasteltava aineena, typpi, vety ja helium. 8