Сосуды дьюара жидкого гелия

Типы сосудов Дьюара

Самогерметизирующийся дьюар (серебряный, передний план) заполняется жидким азотом из большого резервуара для хранения (белый, задний план).

Сосуды для криогенного хранения

Дьюар для криогенного хранения (в честь разработчика Джеймса Дьюара) – это специализированный вид термоса, используемый для хранения сверххолодных веществ (например, жидкого азота или жидкого гелия), чьи температуры кипения значительно ниже комнатной.

Криогенные дьюары могут принимать несколько различных форм, включая открытие бадьи, фляги с неплотно закрывающимися пробками и самогерметизирующиеся резервуары. Все они имеют стенки, построенные из двух или более слоев, с поддержанием высокого вакуума между слоями.Это обеспечивает очень хорошую теплоизоляцию между содержимым дьюара и наружной средой, что снижает скорость, с которой содержимое выкипает.

Меры предосторожности предусмотрены в конструкции дьюаров, чтобы безопасно управлять газом, который выделяется по мере того, как жидкость медленно кипит. Чтобы предотвратить опасность взрыва самые простые дьюары позволяют газу выходить наружу через открытый верх или мимо неплотной пробки. Более усложнённые дьюары улавливают газ над жидкостью и удерживают его под высоким давлением. Это повышает температуру кипения жидкости, позволяя сохранять её в течение длительного периода. Избыточное давление паров снимается автоматически через предохранительные клапаны.

Метод перемещения жидкости из дьюара зависит от его конструкции. Простой дьюар может быть наклонен, чтобы налить жидкость из горлышка. Самогерметизирующаяся конструкция используют давление газа в верхней части дьюара, чтобы направить жидкость вверх по трубе, ведущей к горловине.

БЕЗОПАСНОСТЬ

Сверххолодные вещества представляют ряд угроз для безопасности и емкости предназначены для уменьшения связанного с ними риска.

Прежде всего, нет дьюара, который может обеспечить идеальную теплоизоляцию и криогенные жидкости медленно выкипают, что производит огромное количество газа. Например, коэффициент расширения криогенного аргона от температуры кипения до комнатной составляет от 1 до 847, жидкого водорода – от 1 до 851, жидкого гелия – от 1 до 757, жидкого азота – от 1 до 696, а жидкого кислорода – от 1 к 860. Неон имеет высочайший коэффициент расширения с 1 до 1438.

В дьюарах с открытым верхом, газ просто улетучивается в окружающее пространство. Однако, внутри герметичных дьюаров может накапливаться очень высокое давление и приняты меры предосторожности, чтобы минимизировать риск взрыва.  Так, клапаны сброса давления (один или более) позволяют стравливать газ из дьюара, если давление становится чрезмерным.

На внутренней поверхности дьюара может образовываться лед, если оо остается открытым на воздухе в течение длительного периода времени. Это может быть крайне опасно, так как отверстие дьюара может быть заблокировано, что приводит к увеличению давления и риску взрыва.

Газ, выходящий из дьюара, может постепенно вытеснять кислород из воздуха в окружающем пространстве, что представляет опасность удушья. Потребители обучаются хранить дьюары только в хорошо проветриваемом помещении, а перед транспортировкой дьюаров в лифте избыточное давление газа сбрасывается  и дьюары отправляются к месту назначения без сопровождения.

Жидкий азот или другие криогенные жидкости для хранения биологических образцов или технологических процессов, таких как жидкостная хроматография, масс-спектрометрия (LCMS) и молекулярно-лучевая эпитаксия (MBE), поставляют сосудами Дьюара и Криоцилиндрами. В большинстве случаев это оптимальное решение для обеспечения небольших объемов потребления криогенных продуктов. Часто используют слово «dewar» дьюар для описания «криоцилиндра», и наоборот. Но это ошибка — есть несколько ключевых отличий.

Что такое Криоцилиндр?

Криоцилиндр — это герметичные сосуды, специально предназначенные для криогенных жидкостей. Чаще всего криоцилиндр является сосудом работающим под давлением, позволяющим выдавать жидкость и / или газ. Криоцилиндр имеет клапаны/вентили для наполнения и выдачи криогенной жидкости, а также предохранительный клапан с разрушаемым разрывным диском в качестве резервной защиты.

Что такое Дьюар?

Дьюары — это сосуды без давления, как термос. Как правило, они имеют свободную посадочную крышку или пробку, которая препятствует проникновению воздуха и влаги, но позволяет выпускать избыточное давление. Лабораторные дьюары имеют широкие отверстия и не имеют крышек или заглушек. Лаборатории в основном используют эти небольшие контейнеры для временного хранения.

Конструкционные особенности

Дьюар состоит из двух сосудов, один из которых расположен внутри другого и соединены с горлышком. В зазоре между двумя сосудами создается частичный вакуум, который уменьшает теплопроводность или конвекцию. Сосуды Дьюара чаще всего изготавливаются из металла, боросиликатного стекла, пенопласта или пластика, и их отверстие закрывают пробкой или полиэтиленовым пластиком.

Криоцилиндр конструктивно намного сложнее: уровнемер жидкости (показывает сколько газа внутри), транспортировочное кольцо, стойка удержания транспортировочного кольца, защитный колпачок разрывной мембраны, внутренний сосуд, продукционный испаритель для подачи газа, внешний сосуд, резиновые компенсаторы удара, напольное опорное кольцо, сбросной вентиль, манометр давления, разрывная мембрана, вентиль наполнения/выдачи жидкости, редуктор подъема давления, продувочный вентиль, вентиль выдачи газа, регулятор экономайзер, вентиль редуктора подъема давления.

Остановимся на наиболее важных деталях.

Манометр

Манометр — тот элемент, на который стоит смотреть в первую очередь, т.к. он показывает давление газа внутри внутреннего сосуда. Поскольку криогенные жидкости на самом деле являются сжиженными газами, давление внутри резервуара будет постоянно увеличиваться, поскольку законы физики превращают холодную жидкость в более теплый газ. К счастью, это давление поможет вывести жидкость или газ из криоцилиндра. Но для большинства применений давление внутри резервуара должно поддерживаться искусственно. Цепь создания давления может автоматически это сделать. Открытие вентиля редуктора подъема давления, расположенного в верхней части резервуара, забирает жидкость через линию, проходящей по дну внутреннего резервуара, и пропускает ее через испаритель подъема давления, прикрепленный к внутренней стенке внешнего резервуара. Когда жидкость проходит через испаритель/теплообменник, она испаряется под действием тепла внешнего резервуара(тепла окружающего воздуха). Получающийся газ подается через вентиль повышения давления и регулятор повышения давления во внутренний резервуар, вызывая повышение давления.

Клапан использования газа и контур испарителя

Когда давление будет повышено, можно извлечь газ из криоцилиндра, открыв клапан подачи газа. Открытие этого клапана позволяет давлению в баке нагнетать жидкость вверх по линии подачи, а затем вниз в змеевик испарителя. Еще раз, тепло передается через внешние стенки резервуара в испаритель. Когда жидкость движется через змеевик, она испаряется теплом окружающей среды. Получающийся теплый газ течет через вентиль подачи газа к системе потребителя. Как правило, одноступенчатый регулятор подключается непосредственно к газовому клапану для снижения давления подачи в соответствии с требованиями вашего применения.

Схема экономайзера

Если вы не используете баллон в течение нескольких дней, давление будет продолжать расти со скоростью  примерно на 2 бар в день, потому что небольшое количество тепла будет просачиваться во внутренний резервуар. Это тепло испаряет небольшое количество жидкости и вызывает медленное повышение давления. Давление можно нарастить до настройки вашего клапана регулирования давления. Затем клапан откроется и выпустит газ в атмосферу. Чтобы минимизировать потери от этого процесса испарения криогенной жидкости, цилиндры оснащают экономайзерами. Контур экономайзера вступает в действие, когда давление достигает значений выше установленных. В этот момент регулятор позволяет газу из верхней части резервуара течь через внутренний испаритель из газового клапана в основную систему потребителя. Это снижает давление во внутреннем резервуаре и сводит к минимуму потери от сброса газа в атмосферу. Когда давление нормализуется, регулятор экономайзера закрывается, и криоцилиндр затем подает газ, вытягивая жидкость через контур испарителя. Регулятор экономайзера должен иметь установленное давление на 1 бар выше, чем регулятор подъема давления.

Клапан управления давлением и разрывные диски

Клапан управления давлением установлен на том же штоке, что и манометр. Клапан регулирования давления, который часто устанавливается на давление 16 бар, работает вместе с разрывной мембраной во внутреннем баке. В качестве вспомогательного предохранительного устройства на внешней емкости также имеется разрывная мембрана для защиты пространства между внутренней и внешней емкостью от высокого давления.

Жидкостный клапан

Чтобы извлечь жидкость из вашего цилиндра, сначала закройте клапаны сброса давления и использования газа. Затем откройте клапан для использования жидкости, чтобы давление в верхней части резервуара заставляло жидкость подниматься в отводящую трубу и выходить из клапана для использования жидкости.

Отбор жидкости следует производить при низком давлении, чтобы предотвратить потери на испарение. Если во время перекачки давление в резервуаре превышает нормальное давление забора жидкости, откройте вентиляционный клапан, чтобы понизить давление. Перед отбором жидкости, давление в сосуде снижают. Обычно жидкость отводится при давлении 1 бар.

При заполнении открытого контейнера (дьюара), если требуется большее давление или скорость отбора жидкости, квалифицированный персонал может отрегулировать регулятор повышения давления.

Не снижайте остаток жидкости до ноля!

В центре резервуара находится датчик жидкого содержимого. Это может быть датчик поплавкового типа, который обеспечивает приблизительное указание содержимого резервуаров.

Если вы хотите более точные измерения, попробуйте датчик, который

использует перепад давления для определения уровня жидкости. Эти современные приборы имеют графические цифровые дисплеи для точных измерений. Плюс у них часто есть логический элемент, чтобы устранить потребность в таблицах пересчета.

Кроме того, многие из этих цифровых измерителей содержания жидкости имеют возможности телеметрии, чтобы упростить мониторинг уровней главных криоцилиндров.

Остерегайтесь мороза и воды

Поскольку испаритель повышения давления содержит криогенную жидкость, он охлаждает внешний резервуар, и вполне нормально, что на внешней стороне цилиндра образуется наледь. Во время длительного высокого потребления газа температура подачи газа значительно упадет, и внешняя поверхность криоцилиндра будет очень сильно обмерзать. Это обмерзание в конечном итоге превращается в воду, которая может повредить пол, а также просочиться в промежуточное пространство вашего объекта, чтобы нанести больший ущерб другим системам. Капельный лоток избавит вас от многих проблем. Поместите криоцилиндр и / или его испаритель на поддон или поднос, чтобы отводить воду, когда испарится наледь.

Стоит запомнить

• Манометр показывает давление внутри внутреннего сосуда.
• Открытие клапана повышения давления повышает давление в баке до нормального рабочего уровня.
• Клапан отбора газа позволяет газу истекать из криоцилиндра.
• Схема экономайзера сводит к минимуму потери продукта.
• Чтобы извлечь жидкость, закройте клапаны для использования газа и давления и откройте клапан для использования жидкости.
• Если вам необходимо точно знать, сколько жидкости находится в вашем цилиндре, используйте цифровой датчик.
• Изморозь и наледь — ничего страшного. Но используйте поддон, чтобы избежать повреждения водой.

Получить консультацию по подбору оптимального криогенного сосуда для азота, аргона, гелия, покрывающие все ваши потребности можно по тел.: 8 (800) 600 81 29.

При подготовки статьи использованы материалы с ресурса  www.westairgases.com

Рекомендуем