DEE-54030 Kryogeniikka



Samankaltaiset tiedostot
sähköverkossa Yksikön toiminta, suprajohtavat materiaalit Suprajohtavuus sähköverkossa Risto Mikkonen

Suprajohtavuus sähköverkossa

Energian varastointi ja uudet energialähteet

Luento 2. SMG-2100 Sähkötekniikka Risto Mikkonen

DEE Polttokennot ja vetyteknologia

Kryogeniikka. 1 DEE Suprajohtavuus Risto Mikkonen

Luento 1. 1 SMG-1100 Piirianalyysi I

Luento 1 / SMG-1100 Piirianalyysi I Risto Mikkonen

Passiiviset piirikomponentit. 1 DEE Piirianalyysi Risto Mikkonen

Kryogeniikka. 1 DEE Suprajohtavuus Risto Mikkonen

Johdanto, suprajohtavat materiaalit. DEE Suprajohtavuus

DEE Polttokennot ja vetyteknologia

Luento 1. 1 DEE Piirianalyysi Risto Mikkonen

Sähköiset perussuureet. 1 DEE Piirianalyysi Risto Mikkonen

Luento 2. DEE Piirianalyysi Risto Mikkonen

DEE Kryogeniikka

Kylmäaineiden kehitystyö hiilidioksidista hiilidioksidiin. DI Pertti Hakala

sähköverkossa Suprajohtavan käämin suunnitteluperiaatteita eri käämigeometriat (Cont,) 1 Suprajohtavuus sähköverkossa Risto Mikkonen

DEE-54030Kryogeniikka

Kryogeniikan termodynamiikkaa DEE Kryogeniikka Risto Mikkonen 1

DEE Kryogeniikka

Yleisimmät käämigeometriat. 1 DEE Suprajohtavuus Risto Mikkonen

Luento 2. 1 DEE Piirianalyysi Risto Mikkonen

järjestelmät Diskreettiaikaiset järjestelmät aikatason analyysi DEE Lineaariset järjestelmät Risto Mikkonen

LPK / Oulun yliopisto

DEE Sähkömagneettisten järjestelmien lämmönsiirto

Exercise 1. (session: )

DEE Sähkömagneettisten järjestelmien lämmönsiirto

Parisiin sopimus vs. Suomen energia- ja ilmastostrategia 2030

Exercise 3. (session: )

järjestelmät Luku 2 Diskreettiaikaiset järjestelmät - aikataso DEE Lineaariset järjestelmät Risto Mikkonen

Katri Vala heating and cooling plant - Eco-efficient production of district heating and cooling

Indoor Environment

DEE Kryogeniikka. Kryogeniikan sovellusalueita

TÄUBLER OY. Vuorimiehenkatu Helsinki Finland. Puh: Fax:

Storages in energy systems

JA CHALLENGE Anna-Mari Sopenlehto Central Administration The City Development Group Business Developement and Competence

Kaasutukseen perustuvat CHP-tekniikat. ForestEnergy2020 -tutkimus- ja innovaatio-ohjelman vuosiseminaari, Joensuu,

AKKREDITOITU TESTAUSLABORATORIO ACCREDITED TESTING LABORATORY

Suprajohteet. 19. syyskuuta Syventävien opintojen seminaari Suprajohteet. Juho Arjoranta

AKKREDITOITU TESTAUSLABORATORIO ACCREDITED TESTING LABORATORY LUONNONVARAKESKUS VANTAA, ROVANIEMI

Lausuntopyyntöluettelo HUOM. Komiteoiden ja seurantaryhmien kokoonpanot on esitetty SESKOn komitealuettelossa

Cold Air Containment

AKKREDITOITU TESTAUSLABORATORIO ACCREDITED TESTING LABORATORY VERKOTAN OY VERKOTAN LTD.

YVA-lain hankeluettelon päivitys - metalli- ja kemianteollisuus

MEETING PEOPLE COMMUNICATIVE QUESTIONS

Mullistaako liuskekaasu energiamarkkinat? Energiateollisuuden kevätseminaari , Oulun kaupunginteatteri Tiina Koljonen, VTT

FYSE301(Elektroniikka(1(A3osa,(kevät(2013(

DEE Suprajohtavuus

Vesi Energia Ruoka (- ja ekosysteemi) NEXUS. Seppo Rekolainen SYKE

Efficiency change over time

Geoenergian tulevaisuuden visio. Jari Suominen

WAMS 2010,Ylivieska Monitoring service of energy efficiency in housing Jan Nyman,

Social and Regional Economic Impacts of Use of Bioenergy and Energy Wood Harvesting in Suomussalmi

AKKREDITOITU TESTAUSLABORATORIO ACCREDITED TESTING LABORATORY

3D-tulostuksen kaasut. 3D-päivä, Vossi Group Oy.

KYMENLAAKSO- FINLAND S LOGISTICS CENTRE- REGION OF OPPORTUNITIES Kai Holmberg, NELI-North European Logistics Institute RIGA

Arcticfood fromfinland

Markku J. Virtanen, Dr

Suomen kaasuyhdistyksen syysseminaari Kaasuautokonversio. Tommi Kanerva

Tork Paperipyyhe. etu. tuotteen ominaisuudet. kuvaus. Väri: Valkoinen Malli: Vetopyyhe

Energiansäästöideat telakan näkökulmasta. Kari Sillanpää Laradi ry:n syyspäivät

Uutta ja uusiutuvaa Energia-alan kehitys vs. Parisiin sopimus. Prof. Jarmo Partanen Ilmastoseminaari

Kertapullot. Testikaasut. Kaatopaikkakaasujen analyysikaasut. Puhtaat

METSÄT JA ENERGIA Kannattaako keskittyä hajautettuun? Pekka Peura

AJONEUVOTEKNIIKAN KEHITTYMINEN JA UUSIEN ENERGIAMUOTOJEN SOVELTUMINEN SÄILIÖKULJETUKSIIN. Mika Jukkara, Tuotepäällikkö / Scania Suomi Oy

780301A TUTKIMUSHARJOITTELU: ORGAANISEN KEMIAN LABORATORIO-OSUUS TYÖLUENTO SYKSY 2015

Vyöteoria. Orbitaalivyöt

Konetekniikan koulutusohjelman opintojaksomuutokset

Finland and Datacenters huomioita Dr. Osmo Koskisto Goodform Oy

Uudistuva liikenne seminaari

Sähköntuotannon tulevaisuus. Seppo Valkealahti Sähköenergiatekniikan professori Tampereen teknillinen yliopisto

KASVUA JA KUMPPANUUTTA YLI 20 VUOTTA - AIR LIQUIDE JA FINN SPRING OY

Ideaalikaasut. 1. Miksi normaalitila (NTP) on tärkeä puhuttaessa kaasujen tilavuuksista?

Kylmäkuivaus. Uusivu-hankkeen seminaari Luonnonvarakeskus

Varmista oma paikkasi tulevaisuuden digitaalisilla markkinoilla. IPR-aamiaisseminaari, Ravintola Pörssi,

Uusien liikenteen biopolttoaineteknologioiden

REAKTIOT JA ENERGIA, KE3. Kaasut

vetyteknologia Vety yleisiä näkökulmia 1 Polttokennot ja vetyteknologia Risto Mikkonen

DEE Kryogeniikka

AKKREDITOITU TESTAUSLABORATORIO ACCREDITED TESTING LABORATORY PÖYRY FINLAND OY, ENERGIA, MITTAUSPALVELUT

ELEMET- MOCASTRO. Effect of grain size on A 3 temperatures in C-Mn and low alloyed steels - Gleeble tests and predictions. Period

JAKSOLLINEN JÄRJESTELMÄ

Luku 4 SULJETTUJEN SYSTEEMIEN ENERGIA- ANALYYSI

AKKREDITOITU TESTAUSLABORATORIO ACCREDITED TESTING LABORATORY PÖYRY FINLAND OY, ENERGIA, MITTAUSPALVELUT

Hiilineutraalin Turun toimenpiteet ja haaste Lounais-Suomen yhteinen ilmastohaaste, Rauma Turun kaupunginhallituksen puheenjohtaja Olli A

VALTAKUNNALLINEN YLIOPISTOKESKUSSEMINAARI Tulevaisuuden innovaatioiden, oppimisen ja osaamisen ekosysteemejä

Ruoan elinkaariarviointi. Kaisa Manninen Juha Grönroos Suomen ympäristökeskus

Tarkastaja: Yliassistentti Aki Korpela Julkaistu 5. lokakuuta 2007

Tiukentuneet määräykset

AKKREDITOITU KALIBROINTILABORATORIO ACCREDITED CALIBRATION LABORATORY IRCAL OY

Mika Jukkara, Tuotepäällikkö / Scania Suomi Oy. Biokaasu, Biodiesel, HVO vai Sähkö raskaan liikenteen käyttövoimana

Biometaanin tuotannon ja käytön ympäristövaikutusten arviointi

UX NÄKÖKULMA - KONECRANES

Kestävä ja älykäs energiajärjestelmä

Wärtsilä Corporation. Interim Report January-June 2003 Ole Johansson President & CEO. 31 July Wärtsilä

HD 6/15 G Classic. Joustavaan, liikkuvaan käyttöön. Helppo liikuteltavuus. Säilytyspaikat pesuvarusteille. Kestävä ja helppo huoltaa

Maapallon energiavarat

KAASU LÄMMÖNLÄHTEENÄ

Transkriptio:

DEE-54030 Kryogeniikka Luento 2 Kryogeniikan historia 1

Kryogeniikka pakkanen tuottaa, synnyttää Etymylogisesti kryogeniikka (cryogenics) tarkoittaa kylmän tuottamisen tiedettä ja taidetta. Kamerlingh Onnes, 1894 2

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 1894 3

Cryogenic Temperature Region R 700 F 200 C 100 K 400 Water boils 600 500 100 0 0 300 Water freezes (273.15 K) Cryogenics: 400 300 200 100 0-100 -200-300 -400-460 -100-200 -273 200 100 Superconducting region Methane boils Oxygen boils Nitrogen boils CRYOGENIC REGION Hydrogen boils Helium boils 0 Absolute zero T < 120 K or 150 C Broad Defn. Tempscale2.cdr 4

Ice First Use of Cold Ice - A desired product A source of cold in warm weather Food preservation Chinese used in food about 2000 BC Began as local harvesting (late 1700s) Ice A Cold Source Ice Naturally occurring Northern regions (ponds) Harvest in winter time How to store for summer Farmer harvesting ice from private pond 5

Commercial Ice Harvesting (1800-1910) Horse Drawn Scoring (Rochester) Ice sawing Ice Railway to seacoast (Norway) 6

New York City Ice Market Unloading barges into local ice storage along the Hudson River in NYC Local delivery by ice wagon The local ice man Delivery of Cold Home ice box 7

First Ice Machine (1834) Automated Faraday s technique of liquefying gases Vapor-compression cycle 1834 British patent by Jacob Perkins Ether refrigerant (patent) +35 C NBP Made by John Hague in 1834 Condenser Evaporator 8

Modernization of Ice Industry (1890s) Natural Ice (Contaminated water) Gasoline engine ice saws Doomed by artificial ice around 1910 (some survived to 1960) Artificial Ice (pure water) Vapor-compression refrigerators (ammonia) 1868: Cheaper than natural in New Orleans 1920s: Cheaper than natural in Boston Doomed by home refrigerators around 1940 9

Household Refrigerators First coupling of refrigerator to application First marketed in 1880s in Australia by Nicolle and Mort First introduced in US in 1911 (ammonia) First freezers introduced in 1920s Modern refrigerators mass produced after WWII 1928 Kelvinator (metal) 1921 Frigidaire (wood, metal liner) 10

Air Liquefaction and Separation Air liquefier 1910 2td.jpg Typical Plant 100 t/d of O 2 1950s Plant Air separation XB-98 @ Institute WV 1961.ppt US Production 3000 t/d (1955) Linde-2stage-10Lhr1895.jpg 1895 Linde O 2 liquefier 10 L/hr 1910 Plant 2 t/d O 2 Welding Welding, O 2 steel furnace (1954) 11

Helium Liquefaction (1950s) Collins helium liquefier Collins2-1946.jpg Invented 1946; commercial 1947 4 L/h (original) 2 Expansion engines (Kapitza) 600 units worldwide Allowed 4 K research worldwide Collins DEE-54030 He liq schematic.tif Kryogeniikka Risto Mikkonen Collins He liquefier-adl.jpg 12

Helium Shortage? 13

Modern Helium Liquefaction and Shipping Helium from natural gas (<2%) World s largest He liquefier 10 9 std. ft 3 /yr; 2.8x10 7 std. m 3 /yr Liberal, Kansas Air Products and Chemicals Liquid shipped via truck and air MRI systems major user Photo courtesy: Air Products and Chemicals 14

Miniature Joule-Thomson Cryocoolers Air Products and APD Cryogenics Used for direct cooling of infrared sensors First direct coupling of cryocooler to device (late 1950s) miniaturejt.cdr 15

1. Yksityisyrittäjät John Gorrie Kryogeniikan esiinmarssi malarian hoidon yhteydessä Kierrätetään jääpaloista täytetyn astian kylmä ilma viuhkan avulla Apalachicola 1833 16

1. Yksityisyrittäjät Gorrien jääkone 1844: kokoonpuristettu kaasu laajentuessaan absorboi ympäristöstä lämpöä Gorrie, ilmastoinnin keksijä! 1851: patentti ensimmäisestä jääntekokoneesta 1855: Laite soveltuu yhtä hyvin käytettäväksi niin laivoihin kuin rakennuksiinkin ja voi olla avuksi säilytettäessä orgaanista ainetta 17

1. Yksityisyrittäjät Thomas Mort Laitteistot lampaan lihan pakastamiseksi (Australia Englanti) James Harrison jää-suola seos ammoniakki Lastit pilaantuivat vuotojen johdosta S.S Norfolk 1873 18

2. Teurastajat Bell & Coleman Ulkoilman käyttö jäähdytysaineena Nosti Britannian johtavaan asemaan pakastetun lihan kaupassa! Ensimmäinen vahingoittumaton lihalasti Australiasta Englantiin Englanti oli pelastettu! S.S. Strathleven 1879 19

3. Panimot Britannia pintahiivaolut, T = 15-20 0 C (5-7 vrk) Saksa pohjahiivaolut, lämpötila juuri veden jäätymispisteen yläpuolella (12 viikkoa); varastointi kylmiin kellareihin lager Carl von Linde kehitti jäähdytyslaitteiston, jonka avulla voitiin valmistaa olutta ympäri vuoden väliaineena ammoniakki 20

4. Teollisuusmiehet Louis-Paul Cailletet - rautasulaton omistaja - hapen nesteytys 1877 - pysyvän kaasun käsitteen kumoutuminen Raoul Pictet Hapen jäähdyttäminen rikkidioksidilla ja nestemäisellä hiilidioksidilla lämmönvaihtimessa 21

4. Teollisuusmiehet Wroblewski & Olszewski Jules Violle Ensimmäinen matalan lämpötilan laboratorio Krakova, 1883 Nestetytettyjen kaasujen fysikaaliset ominaisuudet Lämmönsiirto ympäristöstä Nestemäisen kaasun valmistus teollisessa mittakaavassa Tyhjiön idea lämpöeristeenä 22

5. Tiedemiehet James Dewar Vedyn nesteytys 1898 Tyhjiöön asetettavat pulverit Pintojen hopeointi Kaasujen sekoitus (vety + typpi) 1902 Reinhold Burger ryhtyi Saksassa markkinoimaan pulloja nimellä Thermos Laajentuminen ilmaan yhden atmosfäärin paineessa seoksesta, jossa on 10% typpeä vedyssä, sai aikaan paljon alhaisemman lämpötilan kuin mitä tähän mennessä on rekisteröity. 23

5. Tiedemiehet Heike Kamerlingh Onnes Heliumin nestetys Leidenin yliopistossa 1908 Suprajohtavuusilmiö elohopealle Vuonna 1910 Onnes saavutti 1.04 K:n lämpötilan epäonnistuessaan heliumin kiinteytyksessä, jota hän yritti laskemalla nestemäisen heliumin yläpuolella olevaa painetta. 24

6. Insinöörit Dr. Hampson - Ilman nesteytin - Kierukkalämmönvaihdin - Joule-Thompson efektin hyödyntäminen - Kapasiteetti 3 l/h Charles Tripler Kahden 75 kw:n höyrykoneen avulla 15 l nesteilmaa tunnissa. Käytti nesteyttämäänsä ilmaa tuottamaan korkeapaineista ilmaa paisuntahöyrykoneessa kompressoria varten pyrkimys tuottaa enemmän nesteytettyä ilmaa kuin mitä kulutti. 25

6. Insinöörit Georges Claude 1917 USA:n rakennettiin kolme kokeellista tehdasta, joissa erotettiin heliumia maakaasusta. Samuel Collins - Kaasun isentrooppinen paisunta, 1902 - Käytännöllisempi ilman nesteytysprosessi Heliumnesteyttimet taloudellisiksi, 1947 Heliumkryostaatti T ~ 2 K 26

7. Raketit Konstantin Tsiolkovsky Robert H. Goddard Ensimmäiset rakettikokeilut, 1900 luvun alussa Ensimmäinen raketti lentoon nestehapella; kesto 2.5 s, huippunopeus 22 m/s, 1926 Kehitti rakettiaan vuoteen 1941 asti 27

7. Raketit Herman Oberth Werner von Braun Avaruussovellutusten kryogeniikka Vergeltungswalfe 2, V-2, Lontoon pommitukset Saturn-V 16.7.1969! One small step for a man, a giant leap for mankind. 28

8. Fyysikot ja suprajohtavuus No resistivity! = 0 T < T c No magnetic B = 0 in sc. induction! material Meissner effect 29

8. Fyysikot ja suprajohtavuus BCS teoria Bardeen, Cooper, Schrieffer 30

8. Fyysikot ja suprajohtavuus NbTi; T c ~ 10 K Bi 2 Sr 2 Ca 1 Cu 2 O 8+x ; T c ~ 85 K Nb 3 Sn; T c ~ 18 K YBa 2 Cu 3 O 7-x ; T c ~ 90 K [Bi, Pb] 2 Sr 2 Ca 2 Cu 3 O 10+x ; T c ~ 110 K MgB 2 ; T c ~ 40 K 31

8. Fyysikot ja suprajohtavuus MgB 2 Cu Fe Ni 32

8. Fyysikot ja suprajohtavuus LTS vs. HTS - Cooling Efficiency Efficiency 0.1 % 1 % 10 % Operational Range LTS HTS Temperature -273 ºC -253 ºC -233 ºC -213 ºC -193 ºC -173 ºC 0 K 20 K 40 K 60 K 80 K 100 K 33

9. Kehitys jatkuu Donald Glaser Ensimmäinen kuplakammio (valokuva ionisoivien partikkeleiden liikeradasta) CERN 34

9. Kehitys jatkuu Vuosina 1902 2003 on fysiikan Nobel palkinto myönnetty kryogeniikkaan jollain tavalla kytkeytyen 22 kertaa! 35