Сосуд дьюара устройство и эксплуатация

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 счёт хорошей теплоизоляции и/или процессов в хранимом веществе (например, кипение).
В этом основное отличие сосуда Дьюара от термостатов, криостатов.

История изобретения[править | править код]

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 пытался получить твёрдый (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[править | править код]

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

Современные конструкции[править | править код]

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[править | править код]

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.

Назначение и применение[править | править код]

• 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).
• В космонавтике. Детектор прибора NICMOS, установленного на космический телескоп Хаббл, был помещён в сосуд Дьюара с использованием в качестве хладагента азота в твёрдом состоянии.

См. также[править | править код]

• Термос
• Криогеника
• Криостат

Примечания[править | править код]

Источники[править | править код]

• 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.

Ссылки[править | править код]

• 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)

Сосуд Дьюара – ответственная установка, поэтому важно своевременно ее обслуживать и следить за ее состоянием. При таком условии емкость прослужит вам долго и не выйдет из строя преждевременно. Ниже приведены основные правила эксплуатации сосуда, и как проводить его дезинфекцию.

5 основных правил эксплуатации

Срок службы исправного сосуда Дьюара может исчисляться десятками лет. Если вы не хотите нанести себе травму при работе с азотом или чтобы устройство преждевременно поломалось, соблюдайте следующие правила эксплуатации:

1. Храните и используйте сосуд в помещениях с принудительной вентиляцией. При работе с жидким азотом не допускайте снижения концентрации кислорода в воздухе ниже 17-18%. В противном случае вы рискуете отравиться парами криогенной жидкости. Оптимальная концентрация кислорода не должна быть ниже 20%.
2. Не закрывайте емкость плотно – газ должен стравливаться через горловину. В противном случае, пары азота будут искать выход и может произойти взрыв или повреждение сосуда. Чтобы этого не допустить, достаточно использовать стандартную крышку и не закрывать горловину слишком плотно.
3. Изделия нельзя ронять или подвергать другим механическим воздействиям, поврежденный сосуд может потерять вакуумность и азот начнет интенсивно испаряться. При выявлении наледи на внешних стенках следует обратиться в сервисный центр.
4. Не погружайте в наполненный сосуд инородные предметы слишком резко, чтобы не допустить кипения и брызг жидкого азота. Кроме того, нельзя касаться погружаемыми предметами внутреннего сосуда.
5. Сосуд Дьюара необходимо регулярно очищать и дезинфицировать.

Чтобы обеспечить собственную безопасность при работе с жидким азотом, необходимо использовать спецодежду (очки, фартук, перчатки), которую можно приобрести у продавцов сосудов Дьюара.

Дезинфекция сосуда Дьюара

Процедуру дезинфекции сосудов рекомендуется производить не реже 1 раза в год. Если вы используете устройство для хранения и перевозки биологических материалов, рекомендуется увеличить число дезинфекций до 2 раз в год.

Очистить и продезинфицировать сосуд несложно, вы можете выполнить процедуру самостоятельно.

Как происходит очистка:

1. Емкость освобождается от контейнеров с биоматериалом, сливаются остатки криогенной жидкости.
2. Изделие отогревается при комнатной температуре не менее 3-х суток.
3. Сосуд промывается горячей водой, ее температура должна быть не менее 75 градусов по Цельсию.
4. Производится дезинфекция емкости с использованием перекиси водорода. Изделия до 30 л полностью заполняются раствором, сосуды с большим объемом погружаются в специальную емкость с перекисью. Через пару часов раствор сливается, а сосуды тщательно ополаскиваются горячей водой.

После всех манипуляций изделие можно охладить и снова заправить.

Как видите, в использовании и очистки сосудов нет ничего сложного. Самое важное — следовать инструкциям и соблюдать технику безопасности, тогда изделие прослужит вам долгие годы.

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.