Теплоизолированные сосуды с трубкой
СОДЕРЖАНИЕ
1. Введение 2
2. Классификация тепловой изоляции сосудов 4
3. Гелиевый сосуд Дьюара 6
4. Список используемой литературы 9
5. Приложение (о современных сосудах Дьюара для хранения гелия) 10
ВВЕДЕНИЕ
Сосуд Дьюара — техническое устройство, ёмкость предназначенная 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.
Применение сосудов Дьюара в различных отраслях
Область применения сосудов различная, но в последние годы его можно чаще всего увидеть в области криогенной техники, медицины. Сосуд применяется, как правило для хранения сжиженных криогенных продуктов. В отличии от криостатов, которые служат для эксперимента различных образцов, сосуды Дьюара служат, только для хранения и транспортировании криогенного продукта. За последние десятилетия различные институты РАН Российской Федерации проводят новые эксперименты с низкими температурами. Часто можно встретить эти сосуды в таких университетах, как:
– Институт РАН высокомолекулярных соединений в г. Санкт-Петербурге;
– Университет ИТМО в г. Санкт-Петербурге.
В последнее время наука развивается в нанаоиндустрию в связи с эти большое значение по применению сосудов получили в таких отраслях науки, как:
– научные исследования наноструктур при низких температурах;
– медицинские исследования различных образцов ДНК.
Этим область применения данного технического средства не ограниченно. В эпоху социализма в СССР развивалось космическое направление страны. В шаг за этим развивались и низкотемпературные технологии. Сосуды Дьюара используются так же:
· 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, и других сжиженных криогенны продуктах.
· 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).
КЛАССИФИКАЦИЯ ТЕПЛОВОЙ ИЗОЛЯЦИЯ СОСУДОВ
Тепловая защита от теплопритоков необходима для низкотемпературной аппаратуры, емкостей с сжиженными газами, низкотемпературных коммуникаций и других криогенных систем. Для этой цели, как правило, применяют вакуумную теплоизоляцию различных типов, которая отличается значительно лучшими характеристиками, чем обычные виды изоляции. Необходимость в высококачественной теплоизоляции вызвана тем, что с понижением температуры теплопритоки из окружающей среды возрастают, а их отрицательное влияние резко увеличивается. Кроме того, у таких веществ, как водород и особенно гелий, теплота парообразования низка, это приводит к интенсивному испарению больших количеств жидкости от теплопритоков.
Приток тепла из окружающей среды происходит как через теплоизолирующее пространство, так и через подвески, опоры, трубопроводы — тепловые «мосты». Задача конструктора криогенного оборудования заключается в сведению к минимуму теплопритоков; нередко без успешного решения этого вопроса нельзя создать те или иные типы криогенных систем. Работы Д. Дьюара, создавшего в 1892 г. теплоизолированный сосуд с вакуумным пространством между двойными стенками, положили начало созданию высокоэффективной теплоизоляции.
Концепция Дьюара до сих пор широко используются при разработке современной теплоизоляции. В последнее десятилетие найдены новые теплоизолирующие материалы, усовершенствована порошково-вакуумная, создана экранно-вакуумная изоляция.
Благодаря этим достижениям значительно возросли масштабы и области применения криогенной техники. Обычно применяют следующие виды вакуумной теплоизоляции: высоковакуумную, порошково-вакуумную и многослойно-вакуумную.
Высоковакуумная теплоизоляция. Создание высокого вакуума 1-10-5—1-10 -4 в мм pm. cm. в теплоизолирующем пространстве практически исключает перенос тепла из-за теплопроводности и конвекции газа. Лучистый теплоприток может быть существенно уменьшен принятием специальных мер; таким образом, обеспечивается высокая эффективность этого вида теплоизоляции.
Порошково-вакуумная теплоизоляция. Механизм передачи тепла через изоляционное пространство, заполненное порошкообразным материалом, определяется тремя составляющими: теплопроводностью газа, теплопроводностью твердых частиц, излучением. Перенос тепла газом можно практически исключить, создав вакуум в пустотах между частицами. Перенос тепла через твердые частицы излучением сравнительно невелик; поэтому теплопроводность такой изоляции примерно в 10 раз ниже, чем обычной (без вакуума).
Многослойно-вакуумная теплоизоляция. Идея многократного экранирования была принята в качестве основного принципа при разработке многослойной изоляции. Эта изоляция состоит из чередующихся слоев материалов с высокой отражательной способностью и малой теплопроводностью. В качестве таких материалов чаще всего применяют алюминиевую фольгу и стеклоткань. При снижении давления в теплоизолирующем пространстве до 10 -3 — 10 -4 мм pm. cm. перенос тепла газом резко уменьшается, остается лишь излучение и контактная теплопроводность слоистого материала. Условная теплопроводность многослойной изоляции А зависит от давления. Величина условной теплопроводности снижается примерно в 10 раз по сравнению с вакуумно-порошковой и в 100 раз по сравнению с обычной насыпной теплоизоляцией.
Конструктивные формы теплоизолирующих поверхностей.Существует ряд способов размещения теплоизоляции внутри корпуса низкотемпературного блока. Корпусы ожижителей, криостатов и многих других криогенных систем чаще всего выполняются ввиде цилиндра с полусферическим днищем.
ГЕЛИЕВЫЙ СОСУД ДЬЮАРА
В низкотемпературной технике широко используются различные типы емкостей для хранения и транспортировки криогенных жидкостей. Объем небольших емкостей — от одного до нескольких десятков литров; объем крупных сосудов — сотни тысяч литров. Известные трудности, возникающие при хранении и обращении с криогенными жидкостями, в первую очередь вызваны их малой теплотой испарения. Следствием этого является интенсивное испарение этих жидкостей даже при малых теплопритоках. Поэтому высококачественная теплоизоляция является непременным условием длительного и надежного хранения криогенных жидкостей.
Рис. 1. Сосуд Дьюара с экраном, охлаждаемым жидким азотом:
1 —жидкий Не или Н2; 2 — жидкий N2; 3 — камера высокого вакуума; 4 — адсорбент:
5 — горловина
Классическим типом сосуда для хранения небольших количеств таких жидкостей, как гелий, водород и неон, является сосуд Дьюара с экраном, охлаждаемым жидким азотом (рис. 1,2). Криогенная жидкость хранится во внутреннем сосуде 1, окруженном полостью с высоким вакуумом. Пространство между вакуумными полостями 3 заполнено жидким азотом. Поверхности, обращенные в вакуумное пространство, должны иметь малую степень черноты Е. Для поддержания высокого вакуума в этих полостях помещен адсорбент. Горловина внутреннего сосуда представляет собой тонкостенную трубку из материала с малой теплопроводностью (нержавеющая сталь, монель). Теплоприток к криогенной жидкости подсчитывается по методике, приведенной в [1]. Лучистый теплоприток пропорционален четвертой степени температуры, поэтому применение охлаждаемого азотом экрана при хранении гелия уменьшает этот теплоприток примерно в 220 раз.
Рис. 2. Сосуд для жидкого гелия с многослойно-вакуумной теплоизоляцией и экраном, охлаждаемый паром:
1- сосуд с жидким гелием; 2 – экран; 3 – горловина; 4 – змеевик; 5 – изоляция; 6 – линия выхода пара в змеевик; 7 – корпус сосуда.
Потери на испарение жидкости в таких сосудах малы и составляют около 1 % в сутки. Суточный расход азота составляет 2— 4 л, в зависимости от емкости сосуда.
Применение многослойно-вакуумной теплоизоляции позволяет обойтись без охлаждаемого азотом экрана. Если же применить охлаждаемый выходящими парами экран, то качество изоляции такого сосуда еще более улучшаются. Рассмотрим устройство сосуда Дьюара с многослойно-вакуумной изоляцией емкостью 25 л, для гелия (рис. 2). Медный экран 2 крепится к горловине сосуда 2. Экран охлаждается парами гелия, проходящими по змеевику 4; змеевик припаян к экрану по его поверхности.
Специальная пробка позволяет направлять пары из горловины в змеевик. Потери на испарение в этом сосуде составляют 2,8% в сутки, что можно считать удовлетворительным. При расчете теплопритоков к жидкости в сосудах с экраном, охлаждаемым парами, необходимо знать температуру экрана Тэ. Для любого вида теплоизоляции эту температуру можно вычислить из системы уравнений, аналогичной формулам по методике приведённой в [1].
Большие емкости, которые применяются главным образом для жидкого водорода, чаще всего имеют вакуумно-порошковую теплоизоляцию; иногда используют также и многослойно-вакуумную. Например, крупное хранилище емкостью 340 м3 имеет внутренний сосуд диаметром 10,7 м из алюминия. Наружный кожух изготовлен из углеродистой стали, расстояние между внутренним и наружным сосудами (по изоляционному пространству) составляет 750 мм, потери на испарение 0,13% в сутки. Внутренние сосуды изготовляют также из нержавеющей стали и титана. Применение многослойной – вакуумной и порошково-вакуумной теплоизоляции, позволяет снизить потери до 0,2—1,0% в сутки.
Рис 3. Переливное устройство для жидкого гелия
1 — гелиевая трубка; 2— вакуумная оболочка; 3— регулирующий вентиль; 4 — труба для азота;
5—6 —трубки входа и выхода гелия
Передача криогенных жидкостей по трубам. Криогенные трубопроводы служат для передачи криогенной жидкости из ожижителя в емкость для хранения, а также из емкости к потребителю. Криогенные трубопроводы снабжаются высококачественной вакуумной теплоизоляцией, что уменьшает испаряемость жидкости (рис. 3). Необходимый напор создается благодаря избыточному давлению в емкости или насосом.
Весьма ответственным является начальный — нестационарный режим работы, связанный с охлаждением трубопровода. В этот период испаряется значительное количество жидкости, образуются большие объемы газа, затрудняющие движение потока. Это существенно увеличивает время охлаждения длинных трубопроводов.
СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
1. Архаров А.М., Архаров И.А., Беляков В.П. и др. Криогенные системы. В 2 т. Т. 2. Основы проектирования аппаратов, установок и систем. – 2-е издание переработанное и дополненное. – М.: Машиностроение, 1999. – 719 с.
2. Микулин Е. И. Криогенная техника. – М.: Машиностроение, 1969. – 216 с.
Читайте также:
Рекомендуемые страницы:
©2015-2020 poisk-ru.ru
Все права принадлежать их авторам. Данный сайт не претендует на авторства, а предоставляет бесплатное использование.
Дата создания страницы: 2016-04-15
Нарушение авторских прав и Нарушение персональных данных
Источник
Задача С14. Два теплоизолированных сосуда соединены узкой трубкой с закрытым краном, объемом которой можно пренебречь. В первом сосуде содержится молей идеального газа со средней квадратичной скоростью молекул , а во втором содержится молекул этого газа со средней квадратичной скоростью молекул . Все молекулы одинаковы. Какова будет их средняя квадратичная скорость молекул и, если кран открыть?
Обозначим
общую кинетическую энергию всех молекул в первом сосуде, когда кран был закрыт, — общую кинетическую энергию всех молекул во втором сосуде, Е — общую кинетическую энергию всех молекул после того, как открыли кран, — число молекул в первом сосуде, — массу каждой молекулы, — число молекул во втором сосуде.
Решение:
Нам сказано, что сосуды теплоизолированы. Для чего это сказано? Наверно, чтобы дать понять, что суммарная энергия всех молекул в них после того, как открыли кран, никуда не денется, т.е. останется равной сумме энергий молекул в каждом сосуде, хотя энергия отдельных молекул станет иной. Речь идет, конечно, об их кинетических энергиях, ведь потенциальной энергии у молекул идеального газа нет, они не взаимодействуют на расстоянии. Тогда по закону сохранения энергии
Энергию всех молекул в первом сосуде можно представить как произведение числа молекул N, в этом сосуде и кинетической энергии каждой молекулы, движущейся со скоростью
, которая равна , а энергия всех молекул в этом сосуде
Аналогично кинетическая энергия всех
молекул в другом сосуде (когда он еще был закрыт) равна
а кинетическая энергия всех молекул в обоих сосудах, которая останется неизменной, когда кран откроют, равна
Подставим правые части этих равенств в первое уравнение. Так мы соединим искомую скорость v с известными скоростями
:
или после сокращений
Отсюда
.
Но мы не знаем числа молекул
в обоих сосудах. Зато знаем число молей в каждом из них. А поскольку мы все формулы выучили назубок (а как иначе? — иначе о высоком балле на ЕГЭ можно и не мечтать), то сразу сообразим применить здесь формулу, которая позволит связать неизвестное число молекул с известным нам числом молей:
Подставим правые части этих формул в предыдущее равенство:
Нам осталось сократить число Авогадро, и задача будет решена:
Ответ:
.
Эта задача взята со страницы подробного решения задач по физике, там расположена теория и подробное решения задач по всем темам физики:
Задачи по физике с решением
Возможно вам будут полезны эти задачи:
| Задача С12. В идеальном газе происходит процесс, изображенный на рис. 171. Какое количество теплоты подведено к газу в этом процессе, начиная от состояния 1 и кончая состоянием 4? |
| Задача С13. Идеальный одноатомный газ данной массы сначала изобарно переводят из состояния 1 в состояние 2, а затем его снова адиабатно переводят из состояния 1 в состояние 3 (рис. 172). Конечный объем газа в обоих процессах . Отношение количества теплоты, полученного газом в изобарном процессе, к модулю изменения внутренней энергии при адиабатном процессе равно 4. Во сколько раз работа при изобарном процессе больше работы при адиабатном процессе? |
| Задача C15. В горизонтально расположенном цилиндрическом сосуде находится идеальный газ массой , закрытый поршнем массой . Вследствие изобарного расширения газа при его нагревании поршень приобретает скорость V, двигаясь из состояния покоя. Внутренняя энергия газа U прямо пропорциональна его абсолютной температуре, где k — коэффициент пропорциональности. Молярная масса газа М. Какое количество теплоты Q передано газу при этом? Теплоемкостями сосуда и поршня пренебречь. |
| Задача C16. В цилиндрическом сосуде под поршнем находится 2 л водяного пара при 100 °C и давлении Па. Поршень опускают, и объем пара изобарно уменьшается вдвое. Какое количество теплоты отдает этот пар, если при этом его температура не изменяется? Удельная теплота парообразования Дж/ кг, молярная масса водяного пара 0,018 кг/моль. |
Источник
| Термостат | Теплоизолированный сосуд, в котором поддерживается постоянная температура с помощью автоматического регулятора 9 букв |
| Сосудо | Относящийся к сосудам 6 букв |
| Холодильник | Устройство, поддерживающее низкую температуру в теплоизолированной камере. Применяется обычно для хранения пищи или предметов, требующих хранения в прохладном месте. Бытовой холодильник имеется почти в каждой семье в развитых странах. Работа холодильника основана на использовании теплового насоса, переносящего тепло из рабочей камеры холодильника наружу, где оно рассеивается во внешнюю среду 11 букв |
| Адиабата | Линия, изображающая процесс, происходящий в теплоизолированной системе 8 букв |
| Ресивер | В паровых машинах — теплоизолированная труба, соединяющая цилиндры высокого и низкого давлений 7 букв |
| Объём | Количественная характеристика пространства, занимаемого телом или веществом. Объём тела или вместимость сосуда определяется его формой и линейными размерами. С понятием объёма тесно связано понятие вместимость, то есть объём внутреннего пространства сосуда, упаковочного ящика и т. п. Синонимом вместимости частично является ёмкость, но словом ёмкость обозначают также сосуды 5 букв |
| Вазостомия | Метод образования постоянного доступа к глубоколежащим кровеносным сосудам у экспериментальных животных путем подшивания к сосуду специальной металлической канюли, через которую при необходимости проводят иглу, прокалывающую стенку сосуда 10 букв |
| Ковш | Округлый сосуд с ручкой для зачерпывания жидкости, сыпучего [в старину – сосуд для питья вина] 4 буквы |
| Сифон | Изогнутая трубка для переливания из сосуда в сосуд жидкостей с разными уровнями 5 букв |
| Котёл | Металлический сосуд для приготовления пищи методом варки на открытом огне. Используется до настоящего времени в туристических походах. Как технический термин слово «котёл» применяется для обозначения закрытого сосуда, предназначенного для нагревания воды или превращения её в пар 5 букв |
| Ампула | Сосуд с узк. горлышком у др. римлян; запаян. стекл. сосуд 6 букв |
| Сифон | Трубка для переливания жидкости из сосуда в сосуд за счет разницы уровней 5 букв |
| Вена | (анатомия) кровеносный сосуд, по которому кровь движется к сердцу. Вены получают кровь из капилляров. Вены объединяются в венозную систему, часть сердечно-сосудистой системы. Сосуды, по которым кровь течет от сердца, называются артериями 4 буквы |
| Ритон | Сосуд для питья в виде рога животного. Сосуд часто использовался в священных обрядах возлияния вина в честь того или иного бога. При этом слово «ритон» не встречается в древнейшем известном микенском греческом, записанном линейным письмом Б 5 букв |
| Атеросклероз | Хроническое заболевание артерий эластического и мышечно-эластического типа, возникающее вследствие нарушения липидного обмена и сопровождающееся отложением холестерина и некоторых фракций липопротеидов в интиме сосудов. Отложения формируются в виде атероматозных бляшек. Последующее разрастание в них соединительной ткани, и кальциноз стенки сосуда приводят к деформации и сужению просвета 12 букв |
| Жгут | Средство временной остановки кровотечения из крупных сосудов, представляет собой прочную, относительно узкую и длинную полоску какого-либо материала, накладываемую с целью прижатия сосуда к костным выступам, уменьшения его просвета, и, как следствие, прекращения или значительного уменьшения кровотечения 4 буквы |
| Ангиопатия | Нарушение тонуса кровеносных сосудов, обусловленное расстройством нервной регуляции и проявляющееся наклонностью к дистонии, преходящими спазмами и парезами сосудов 10 букв |
| Артериолосклероз | Поражение артериол и мелких артерий мышечного типа, характеризующееся склеротическим утолщением стенок сосудов, со значительным сужением их просвета или рубцовой облитерацией сосудов с периваскулярным склерозом 16 букв |
| Ампула | Герметически запаянный сосуд для хранения чего-нибудь 6 букв |
| Амфора | В античности: большой, с узким горлом и двумя ручками, сосуд для хранения вина, масла, зерна 6 букв |
| Артерия | Кровеносный сосуд, проводящий кровь от сердца ко всем органам и тканям тела 7 букв |
| Бак | Большой сосуд для жидкостей 3 буквы |
| Баклага | Небольшой, обычно плоский сосуд с крышкой или пробкой 7 букв |
| Баллон | Шарообразный или цилиндрический сосуд специального назначения (для жидкостей, газов) 6 букв |
| Банка | Цилиндрический сосуд 5 букв |
| Банка | Маленький грушевидный стеклянный сосуд, применяемый в медицине с целью вызвать местный прилив крови 5 букв |
| Бидон | Металлический или пластмассовый сосуд цилиндрической формы с крышкой 5 букв |
| Бокал | Сосуд для вина в виде большой рюмки 5 букв |
| Болтаться | О предметах, неплотно лежащих в каком-н. вместилище, или о жидкости в сосуде: двигаться из стороны в сторону, перемещаться, колыхаться 9 букв |
| Бултыхаться | О жидкости: плескаться о стенки сосуда 11 букв |
| Булькать | Производить звуки, похожие на звуки жидкости, выливаемой из узкогорлового сосуда 8 букв |
| Бутылка | Удлиненный стеклянный сосуд с узким горлышком 7 букв |
| Ваза | Сосуд изящной формы для фруктов, цветов или декоративный 4 буквы |
| Ванна | Мытье или лечебная процедура в таком сосуде 5 букв |
| Ванна | Большой, обычно продолговатый сосуд для купания, мытья 5 букв |
| Ведро | Сосуд, обычно цилиндрической формы, с ручкой в виде дужки для жидкостей, сыпучего 5 букв |
| Вена | Кровеносный сосуд, проводящий кровь к сердцу 4 буквы |
| Венечный | Относящийся к сердечным сосудам 8 букв |
| Вместилище | Место, сосуд, резервуар для чего-нибудь, емкость 10 букв |
| Выпот | При воспалении, отеках: скопление жидкости из кровеносных сосудов в какой-нибудь по лости тела или ткани 5 букв |
| Горло | Верхняя суженная часть сосуда 5 букв |
| Горшок | Округлый глиняный сосуд для приготовления и хранения пищи 6 букв |
| Горшок | Сосуд для мочи, испражнений 6 букв |
| Графин | Широкий книзу сосуд с узким длинным горлом (для воды, напитков) 6 букв |
| Дно | Низ, основание сосуда, какого-нибудь вместилища, а также лодки 3 буквы |
| Долбленка | Долбленое вместилище (сосуд, колода) или лодка, улей 9 букв |
| Ендова | Большая открытая округлая посуда для вина, пива или браги, металлическая или деревянная, с широким рыльцем (в старом русском флоте – сосуд такой формы, из которого раздавалась водка) 6 букв |
| Жаровня | Сосуд для горячего древесного угля, жара 7 букв |
| Жаровня | Сосуд для горячего древесного угля, жара N3, а также железная печка, нагреваемая углем 7 букв |
| Жидкость | Вещество, обладающее свойством течь и принимать форму сосуда, в который оно наливается 8 букв |
Источник