Принцип действия сосуда дьюара

Сосуд Дьюара – это дедушка современных термосов. Сегодня нет проблем с сохранением необходимых продуктов длительное время при определенной температуре. Причиной для изобретения подобного сосуда послужило то, что у физиков не было возможности в течение какого-то времени сохранять газы в жидком состоянии. Сосуд Дьюара для жидкого азота был именно тем изобретением, которое успешно решило проблему. И, как это всегда бывает, находка для научных работ нашла свое применение в быту.

История

Так называемый сосуд Дьюара начинает свою историю с 1881 года. Немецкий ученый Адольф Фердинанд Вейнхольд разработал самый первый контейнер, который использовался для хранения сжиженного газа.

Он представлял собой стеклянный ящик, имеющий двойные стенки. Особенностью конструкции было то, что из межстеночного пространства воздух откачивался. В таком сосуде можно было хранить жидкий кислород. Изобретатель назвал сосуд «бутылкой Вайнхольда».

В 1892 г. шотландский химик и физик сэр Джеймс Дьюар внес в конструкцию А. Ф. Вейнхольда некоторые усовершенствования. Стеклянный ящик изменил форму и стал колбой с узким горлом, что позволило значительно сократить испарение жидкости. Кроме того, по указанию Дьюара было посеребрено межстеночное пространство. Впервые был получен и сохранен не только жидкий, но и твердый водород.

Первая демонстрация состоялась на публичной лекции в январе 1893 года, а массовое производство сосудов было начато в 1904 году. Фирма Thermos GmbH (Германия) была основана для изготовления термосов, она и взялась за внедрение изобретения для коммерческих целей.

Принцип действия

Как же работает сосуд Дьюара? Устройство аппарата поражает своей гениальной простотой: стеклянная или металлическая колба, имеющая двойные стенки, между которыми откачан воздух. Такая система значительно уменьшает теплопроводность стенок.

Оставшееся очень незначительное количество молекул воздуха переносит к содержимому сосуда Дьюара температуру окружающей среды. Такая остаточная теплопроводность провоцирует постоянное и постепенное испарение жидкого газа.

Это, в свою очередь, приводит к увеличению давления внутри емкости. Чтобы избежать неминуемого взрыва, аппарат снабжают предохранительным клапаном либо его неплотно закрывают. На испарение жидкого азота неплотно закрытая пробка влияет мало. Передача тепла снизу вверх происходит медленно, а площадь отверстия в сосуде ничтожно мала.

Таким образом, газ понемногу стравливается. Потери вещества незначительны, например, один килограмм жидкого воздуха за 10 дней при хранении потеряет всего 4 грамма.

Такое устройство позволяет в течение длительного времени сохранять и транспортировать газ в жидком состоянии, что очень важно для современной промышленности.

Модели

Во многих отраслях промышленности сосуд Дьюара применяют для различных целей. Существуют несколько моделей:

• серия Х, ХТ, LD – алюминиевые, горловина стеклопластиковая, применяются для перевозки и хранения жидкого азота и биоматериалов;
• серия СК, СДП – со стеклопластиковой горловиной, изготовлены из алюминия, применяются для транспортировки, хранения небольшого количества жидкого азота;
• серия СДС – алюминиевые, горловина стеклопластиковая применяются для транспортировки и хранения биоматериалов;
• вертикальные (объем 28-660 литров) – изготовлены из нержавеющей стали, применяются для транспортировки и хранения закиси азота жидкого азота, углекислоты, аргона, кислорода;
• горизонтальные – выполнены из нержавеющей стали, служат для хранения жидкого азота.

Кроме того, освоен выпуск огромных железнодорожных и автомобильных цистерн. Есть и специально оборудованные корабли, перевозящие крупные партии сжиженного газа.

Применение

Сосуд Дьюара широко применяется в современных отраслях хозяйствования. Чаще всего аппарат используют:

• в быту – для продолжительного хранения напитков, продуктов питания (термосы);
• в промышленности, лабораториях – для сохранения жидкого азота и прочих криожидкостей;
• в ветеринарии и медицине – для хранения биологического материала;
• в геофизике – для работы в горячих скважинах (в сосуд помещают кристаллы и электронные компоненты).

Стоимость

В настоящее время на рынке представлены самые разнообразные марки и разновидности термосов. Небольшие бытовые изделия используют для продуктов питания или жидкостей (чай, кофе). Цена в зависимости от объема, материала и марки производителя может колебаться от 5 долларов до 50.

На порядок выше стоимость тех сосудов, которые используются в промышленных масштабах и называются сосуд Дьюара. Цена определяется объемом и качеством изготовления. Хороший, на большой объем аппарат может стоить и несколько сотен долларов:

• модель Х-40СП (Харьковского завода транспортного оборудования, Украина) – 650 $;
• модель L2050 (Cryo Diffusion, Франция) – 1050 $;
• модель ХТ-3 (Taylor-Wharton, Словакия) – 220 $.

Цистерны, автомобильные или железнодорожные, для транспортировки криогенных жидкостей, стоят десятки тысяч долларов.

Источник

Что мы делаем. Каждая страница проходит через несколько сотен совершенствующих техник. Совершенно та же Википедия. Только лучше.

Из Википедии – свободной энциклопедии

Сосу́д Дью́ара – сосуд, предназначенный для длительного хранения веществ при повышенной или пониженной температуре. Перед помещением в сосуд Дьюара вещество необходимо нагреть или охладить. Постоянная температура поддерживается пассивными методами, за счет хорошей теплоизоляции и/или процессов в хранимом веществе (например, кипение). В этом основное отличие сосуда Дьюара от термостатов, криостатов.

История изобретения

Первый контейнер для хранения сжиженных газов был разработан в 1881 году немецким физиком А. Ф. Вейнхольдом. Он представлял собой стеклянный ящик с двойными стенками с откачанным из межстеночного пространства воздухом и был использован физиками К. Ольшевским и  С. Врублёвским для хранения жидкого кислорода[1][2].

Шотландский физик и химик сэр Джеймс Дьюар в 1892 году усовершенствовал стеклянный ящик Вейнхольда, превратив его в двустенную колбу с узким горлом для уменьшения испарения жидкости. Межстеночное пространство посеребрено и из него откачан воздух. Свой сосуд Дьюар впервые продемонстрировал перед аудиторией на публичной лекции 20 января 1893 года[3]. Всю эту хрупкую конструкцию Дьюар подвесил на пружинах в металлическом кожухе. Благодаря своей разработке Дьюар первым смог получить и сохранить жидкий (1898)[4] и даже твердый (1899) водород[5].

Первые сосуды Дьюара для коммерческого использования были произведены в 1904 году, когда была основана немецкая фирма Thermos GmbH по производству термосов.

Устройство

Оригинальный сосуд Дьюара представлял собой стеклянную колбу с двойными стенками, из пространства между которыми выкачан воздух. Для уменьшения потери на излучение обе внутренние поверхности колбы были покрыты отражающим слоем. Дьюар использовал в качестве отражающего покрытия серебро. Подобная конструкция применяется и в современных дешевых бытовых термосах.

Современные конструкции

Схема сосуда Дьюара

1 – подставка; 2 – вакуумированая полость; 3 – теплоизоляция; 4 – адсорбент; 5 – наружный сосуд; 6 – внутренний сосуд; 7 – горловина; 8 – крышка; 9 – трубка для вакуумирования

Современные сосуды Дьюара конструктивно выполнены несколько иначе. Внутренний и внешний сосуды делают из алюминия или нержавеющей стали. Теплопроводность материала не важна, а прочность и вес играют большую роль. Горловина соединяет внутренний и внешний сосуды. В дьюарах объёмом до 50 л внутренний сосуд крепится только на горловине и она испытывает большие механические нагрузки. Также к ней предъявляются высокие требования по теплопроводности. То есть горловина должна быть прочной, но тонкой. В обычных сосудах горловину делают из нержавеющей стали. В высококачественных сосудах Дьюара горловина изготовляется из прочного армированного пластика. При этом возникает проблема вакуумноплотного крепления металла и пластика. Снаружи внутренний сосуд покрывается адсорбентом, который при охлаждении поглощает остаточные газы из вакуумной полости. Для уменьшения теплопотерь внутренний сосуд покрывают дополнительной теплоизоляцией. К крышке дьюара, для снижения конвекционной теплопередачи прикрепляют пенопластовый цилиндр, который негерметично закрывает горловину. Вакуумную полость откачивают до давления 10−2 Па. От серебрения внутренних поверхностей отказались и заменили его полировкой.

Современные сосуды Дьюара имеют низкие потери от испарения: от 1,5 % в сутки для больших ёмкостей, до 5 % в сутки – для малых объёмов.

Гелиевые сосуды Дьюара

Схема сосуда Дьюара для гелия

1 – горловина для заливки азота; 2 – головка со штуцерами; 3 – горловина гелиевой ёмкости; 4 – ёмкость для жидкого азота; 5 – тепловые экраны; 6 – ёмкость для жидкого гелия; 7 – теплоизоляция; 8 – адсорбент

Гелий имеет очень маленькую теплоту испарения. Поэтому для снижения теплопотерь в гелиевых дьюарах применяются тепловые экраны, охлаждаемые жидким азотом. Экраны изготавливают из материалов, хорошо проводящих тепло (медь). Такой сосуд Дьюара имеет две горловины: для жидких азота и гелия. Гелиевая горловина оборудована специальными штуцерами для газосброса, подсоединения сифона, манометра, клапана. Гелиевый дьюар нельзя наклонять, он всегда должен находиться в вертикальном положении.

С развитием техники многослойной экранно-вакуумной термоизоляции на рынке появились предложения гелиевых сосудов Дьюара, в которых не используется охлаждение жидким азотом. По утверждениям производителей, в таких сосудах Дьюара потери на испарение составляют 1 % в день для ёмкостей на 100 л.

Азот испаряется из сосуда Дьюара

Пара 250-литровых сосудов Дьюара с жидким гелием.

Назначение и применение

• Для сохранения температуры еды и напитков используются бытовые сосуды Дьюара – термосы.
• В лабораториях и в промышленности сосуд Дьюара используется для хранения криожидкостей, чаще всего жидкого азота.
• В медицине и ветеринарии специальные сосуды Дьюара используются для длительного хранения биологических материалов при низких температурах.
• В геофизике в сосуды Дьюара помещают электронные компоненты и кристаллы при работах в горячих скважинах (от 400К).

Источники

• Burger, R., U.S. Patent 872 795, «Double walled vessel with a space for a vacuum between the walls», December 3, 1907.
• Сивухин Д. В. Общий курс физики. – М.: Наука, 1975. – Т. II. Термодинамика и молекулярная физика. – 519 с.

См. также

• Термос
• Криогеника
• Криостат

Примечания

1. ↑ Хранить тепло и холод: Термос, Популярная механика - 2005, № 3.
2. ↑ А. ВАСИЛЬЕВ, Университеты Польши, КВАНТ, 2005, № 4
3. ↑ К. Мендельсон. На пути к абсолютному нулю. – Рипол Классик. – С. 52. – ISBN 9785458327268.
4. ↑ Classic Kit: Dewar’s flask, Chemistry World, August 2008, Vol 5, No 8
5. ↑ Annales de chimie et de physique

Ссылки

• Технические характеристики сосудов Дьюара для хранения азота
• Техника безопасности при работе с жидким азотом и Сосудами Дьюара
• Взрыв сосуда Дьюара при наливании жидкого азота (нарушение ТБ)

Источник

Используя сосуды Дьюара для своих нужд, не все имеют представление об их устройстве. Сейчас расскажем, как устроена эта емкость и почему, находясь в ней, криогенные жидкости сохраняют свои свойства.

Прообраз современного сосуда

Первый резервуар для хранения криогенных жидкостей был изобретен в конце девятнадцатого века в Германии. Тогда он представлял собой стеклянный ящик с двойными стенками, между которыми создавался вакуум. Шотландский ученый Дж. Дьюар доработал изобретение, придав ему форму колбы с узким горлом.

Такая конструкция была выбрана неслучайно – узкое горло препятствует быстрому испарению криогенных жидкостей, а вакуум в межстеночном пространстве помогает поддерживать заданную температуру веществ. Стенки с внутренней стороны подвергались серебрению, что обеспечивало дополнительную термоизоляцию. С появлением новых технологий конструкция совершенствовалась, пока мы не получили изделие, которое используем сейчас.

Конструкция современных сосудов Дьюара

Современные изделия, к которым мы привыкли, несколько отличаются от своих предшественников. Если первые сосуды Дьюара изготавливались из стекла, то сейчас их производят из алюминия или нержавеющей стали. Важную роль при выборе материала играют прочность и вес.

Основные составляющие части сосуда Дьюара:

• внешний и внутренний сосуд;
• горловина;
• крышка;
• адсорбент для межстеночного пространства.

Внешний и внутренний сосуды соединяются в горловине. Из пространства между ними воздух откачивается до давления 10−2 Па (создается вакуум). Стенки внутреннего сосуда с внешней стороны покрыты адсорбирующим веществом. Сделано это для удаления остаточных газов из вакуумного пространства.

Горловина соединяет обе части сосуда. В зависимости от модели горловина может быть узкой или достаточно широкой (до 210 мм в диаметре). Она выполняется из армированного пластика, для удешевления производства может использоваться нержавеющая сталь.

Крышка сосуда позволяет плотно (но не герметично) закрывать горловину. К ней дополнительно крепят пенопластовый цилиндр, который закрывает ее и способствует стравливанию излишков жидкого азота. От серебрения стенок сосуда отказались, заменив его полировкой.

Если вы ищете сосуды Дьюара с высокими техническими характеристиками, рекомендуем заказать их в нашем магазине. Все товары сопровождаются гарантией, а большой выбор продукции позволит подобрать оптимальный вариант.

Рекомендуем

Транспортировка, заправка и хранение сосудов Дьюара

Планируете использовать сосуд Дьюара? Тогда рекомендуем вам изучить, как его правильно хранить и транспортировать. Также не лишними будут знания правил заправки и технике безопасности при работе с жидким азотом.

Сосуды Дьюара серии СК

Сосуды для криогенных жидкостей серии СК производятся в Украине. Емкости не укомплектованы контейнерами для биологических материалов, поэтому основное их назначение – хранение и транспортировка жидкого азота и других криогенных жидкостей.

Сосуды Дьюара серии СДС

Многие медицинские учреждения и животноводческие предприятия выбирают именно серии СДС. Их ценят за простоту, доступную стоимость и адаптированность к российским реалиям.

Источник