Вакуум между стенками сосуда дьюара
2017-10-13
Сжиженные газы хранят в сосудах Дьюара, которые представляют собой стеклянные или металлические колбы с двойными стенками (рис. 1). Из пространства между стенками откачан воздух, что приводит к уменьшению их теплопроводности. Так как весь воздух выкачать невозможно, то оставшиеся молекулы будут переносить теплоту от окружающей среды к содержимому сосуда Дьюара. Эта остаточная теплопроводность стенок приводит к тому, что находящийся в сосуде сжиженный газ непрерывно испаряется. При заполнении сосуда Дьюара жидким азотом, температура кипения которого при нормальном атмосферном давлении равна 77,3 К, оказалось, что за единицу времени испарилась масса $M_{1}$ азота. Какая масса газа испарится из этого же сосуда за единицу времени, если его заполнить жидким водородом, температура кипения которого равна 20,4 К? Температура окружающей среды в обоих случаях равна 300 К.
Решение:
Перенос теплоты происходит при таких отклонениях от состояния термодинамического равновесия, когда различные части системы имеют разную температуру. При обычных условиях механизм теплопроводности газа заключается в следующем: молекулы из более «горячей» области в результате хаотического движения перемещаются по всем направлениям и, сталкиваясь с молекулами из более «холодных» областей, передают им часть своей энергии. Каждая молекула может перенести «избыток» тепловой энергии на расстояние порядка средней длины свободного пробега $lambda$. Поэтому полный поток теплоты от участка с более высокой температурой к участку с более низкой температурой пропорционален концентрации молекул $n$ и их средней длине свободного пробега.
Каждая из величин $n$ и $lambda$ зависит от давления, при котором находится газ. Но их произведение не зависит от давления. В самом деле, вспомните задачу 6 о торможении спутника в верхних слоях атмосферы, где обсуждалось, от чего зависит средняя длина свободного пробега молекул. Там было получено соотношение
$n lambda sigma approx 1$. (1)
Величина $sigma = pi d^{2}$ ($d$ — диаметр молекулы) от давления не зависит. Поэтому не зависит от давления и произведение $n lambda$, хотя концентрация молекул $n$ пропорциональна давлению.
Таким образом, при обычных условиях теплопроводность газа не зависит от Давления, ибо все остальные величины, входящие в выражение для потока теплоты (разность температур, площадь стенок и расстояние между ними), также не зависят от давления.
Так зачем же в сосудах Дьюара откачивают воздух из пространства между стенками? Все дело в том, что при очень низком давлении газа, когда длина свободного пробега молекул оказывается больше расстояния между стенками, механизм теплопроводности становится другим! молекулы газа свободно пролетают от одной стенки до другой, не сталкиваясь друг с другом, и переносят «избыток» энергии непосредственно от стенки к стенке. Теперь теплопроводность не зависит от длины свободного пробега молекул — важно лишь, чтобы она превышала расстояние $l$ между двойными стенками сосуда. Так как поток теплоты, разумеется, и в этом случае пропорционален концентрации молекул, то чем ниже давление оставшегося между стенками воздуха, тем меньше будет его теплопроводность.
Для того чтобы оценить поток теплоты от наружной стенки сосуда Дьюара к холодной внутренней стенке, будем считать, что каждая молекула воздуха, покидая стенку сосуда, имеет энергию, соответствующую температуре этой стенки. Сталкиваясь с другой стенкой, молекула целиком передает ей свою энергию. Другими словами, мы считаем, что взаимодействие молекул со стенкой носит характер неупругого удара. Если бы удар молекул о стенку был абсолютно упругим, то молекулы газа вообще не переносили бы тепла.
Будем считать, что наружная стенка сосуда имеет температуру $T_{0}$, равную температуре окружающей среды. Находящийся в сосуде Дьюара сжиженный газ все время понемногу выкипает, поэтому, несмотря на непрерывный подвод теплоты, его температура остается неизменной. Горлышко сосуда Дьюара держится открытым, чтобы испарившийся газ мог свободно выходить в атмосферу — в противном случае сосуд непременно взорвется вследствие непрерывного роста давления. Таким образом, температура внутренней стенки равна температуре кипения $T_{1}$ сжиженного газа при атмосферном давлении.
Поток энергии, переносимый молекулами воздуха от горячей стенки к холодной, пропорционален энергии улетающей молекулы (т. е. температуре горячей стенки $T_{0}$) н числу молекул $z$, покидающих горячую стенку за единицу времени. Сколько же молекул покидают горячую стенку? Очевидно, столько же, сколько прилетает к ней от холодной стенки. Число таких молекул пропорционально концентрации молекул, имеющих температуру холодной стенки $T_{1}m$ и их средней скорости $langle v_{1} rangle$:
$z sim n_{1} langle v_{1} rangle$. (2)
Поэтому поток энергии от горячей стенки к холодной пропорционален произведению $T_{0} z sim T_{0} n_{1} langle v_{1} rangle$. Аналогично, поток энергии, переносимый молекулами от холодной стенки к горячей, пропорционален произведению $T_{1}z sim T_{1} n_{1} langle v_{1} rangle$. Следовательно, поток теплоты $Q$ от горячей стенки к холодной, равный разности встречных потоков энергии, пропорционален разности температур, концентрации и средней скорости молекул:
$Q sim (T_{0} – T_{1}) n_{1} langle v_{1} rangle$. (3)
Какова же концентрация $n_{1}$ «холодных» молекул воздуха в пространстве между стенками? Если обозначить через $n_{0}$ концентрацию «горячих» молекул, т. е. тех, которые покинули наружную стенку, то сумма $n_{1} + n_{0}$ равна полной концентрации воздуха $n$ между стенками:
$n = n_{1} + n_{0}$. (4)
Как уже отмечалось, к горячей стенке прилетает в единицу времени столько же молекул, сколько и к холодной. Поэтому
$n_{1} langle v_{1} rangle = n_{0} langle v_{0} rangle$. (5)
Так как средняя скорость пропорциональна корню из термодинамической температуры, то из равенства (5) имеем
$n_{0} = n_{1} langle v_{1} rangle / langle v_{0} rangle = n_{1} sqrt{ T_{1} / T_{0}}$. (6)
Подставляя $n_{0}$ в соотношение (4), находим
$n_{1} = frac{n}{1 + sqrt{T_{1}/T_{0}}}$. (7)
Теперь выражение (3) для потока теплоты можно переписать в виде
$Q sim (T_{0} – T_{1}) frac{n sqrt{T_{1}}}{1 + sqrt{T_{1} / T_{0}}} = n sqrt{T_{0}T_{1}} ( sqrt{T_{0}} – sqrt{T_{1}})$. (8)
За счет этого потока теплоты за единицу времени испаряется масса сжиженного газа $M_{1}$, равная отношению $Q$ к удельной теплоте парообразования $Lambda_{1}$:
$M_{1} sim frac{n}{ Lambda_{1}} sqrt{T_{0}T_{1}} ( sqrt{T_{0}} – sqrt{T_{1}})$. (9)
Точно такое же выражение будет справедливо и в том случае, когда сосуд Дьюара заполнен другим сжиженным газом, у которого температура кипения равна $T_{2}$, а удельная теплота парообразования равна $Lambda_{2}$. Все опущенные в формуле (9) коэффициенты пропорциональности не зависят от того, какой именно газ находится в сосуде. Поэтому для отношения масс разных газов, испаряющихся за единицу времени из одного и того же сосуда Дьюара, получим
$frac{M_{2}}{M_{1}} = frac{ Lambda_{1}}{ Lambda_{2}} sqrt{ frac{T_{2}}{T_{1}}} frac{ sqrt{T_{0}} – sqrt{T_{2}}}{ sqrt{T_{0}} – sqrt{T_{1}}}$. (10)
Подставляя сюда значения удельной теплоты парообразования водорода $lambda_{2} = 4,5 cdot 10^{5} Дж/кг$, азота $Lambda_{1} = 2,0 cdot 10^{5} Дж/кг$ и их температуры кипения $T_{2} = 20,4 К, T_{1}=77,3 К$, найдем $M_{2}/M_{1} approx 0,34$.
Получилось, что по массе водород выкипает из сосуда Дьюара медленнее азота, хотя температура кипения водорода ниже. Однако со скоростью выкипания по объему все обстоит иначе. Плотность жидкого водорода равна примерно $0,07 г/см^{3}$, азота $0,8 г/см^{3}$, поэтому для отношения объемов испарившихся водорода $V_{2}$ и азота $V_{1}$ получаем $V_{2}/V_{1} = 3,89$, т. е. водород выкипает приблизительно в 4 раза быстрее азота.
Из формулы (9) видно, что масса испаряющегося газа пропорциональна концентрации и оставшегося между стенками сосуда Дьюара воздуха. Поэтому теплоизоляция будет тем лучше, чем этого воздуха меньше. Обычно сосуды Дьюара откачивают до высокого вакуума ($10^{-3} – 10^{-5}$ мм рт. ст.). Это соответствует концентрации оставшегося воздуха $n = p/kT_{0} sim 10^{11} – 10^{13} см^{-3}$. При таких концентрациях длина свободного пробега будет составлять, как видно из соотношения (1), величину порядка $lambda approx 1/( n pi d^{2}) sim 10 – 10^{3} см$. Расстояние между двойными стенками I обычно равно нескольким миллиметрам. Поэтому при таком давлении оставшегося воздуха средняя длина свободного пробега значительно превышает расстояние между стенками и механизм теплопроводности именно такой, какой рассмотрен в задаче.
При давлении воздуха между стенками порядка $10^{-2}^ мм рт. ст. длина свободного пробега становится сравнимой с расстоянием между стенками. Поэтому откачка до такого или большего давления вообще лишена смысла, поскольку в таких условиях теплопроводность воздуха не зависит от давления.
Поверхности стенок сосуда, образующих вакуумное пространство, обычно покрываются тонким слоем серебра, чтобы уменьшить лучистый теплообмен между стенками. Поэтому в данной задаче мы не учитывали лучистую составляющую теплового потока.
Сосуды Дьюара используются и для хранения веществ при температуре более высокой, чем температура окружающей среды. Распространенные в быту термосы представляют собой стеклянные сосуды Дьюара, заключенные в металлическую или пластмассовую оболочку для защиты от повреждений.
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
В наши дни сосуды Дьюара эксплуатируют повсеместно: в промышленности, медицине, ветеринарии, косметологии, при организации разнообразных шоу. Они предназначены для хранения криогенных жидкостей, а также для транспортировки биоматериалов при постоянной температуре.
Рассказываем, что собой представляет сосуд Дьюара, кем и когда он был изобретен и какую пользу приносит в разных сферах применения.
История создания
Устройство первого сосуда было разработано в конце 19 века шотландским физиком – сэром Джеймсом Дьюаром. Отсюда и название изделия. Именно шотландцу принадлежит идея колбы с двойными стенками и узкой горловиной, которая обеспечивает постоянство температуры помещенных внутрь веществ. Аналогичная конструкция используется и сегодня.
В этом достаточно нехитром устройстве ученому удавалось сохранять жидкий и твердый водород.
Первыми, кто осознали истинную ценность емкостей и наладили производство для их продажи, стали учредители немецкой компании «Термос». Именно они в 1907 году запатентовали «Сосуд с двойными стенками и вакуумом между ними». Стоит отметить, что фамилия Дьюара в патенте даже не упоминается.
Современный сосуд Дьюара: что это за «зверь»
На самом деле, большинство людей знакомы с подобными емкостями еще с детства, ведь бытовым аналогом промышленного сосуда Дьюара является обычный термос. Устройство промышленного сосуда и бытового термоса очень схожи, как и их назначение. Обе емкости призваны сохранять температуру помещенных в них веществ. Конструкция их проста и гениальна — «сосуд в сосуде».
Принцип работы сосуда Дьюара прост: температура сохраняется за счет хорошей теплоизоляции и протекающих химических процессов, например, кипения вещества. Этот нюанс выгодно отличает данные емкости от ближайших конкурентов — термостатов и криостатов.
Примечательно, что сосуд Дьюара способен только сохранять температуру, поэтому перед размещением в нем определенного вещества, последнее нужно нагреть или охладить до требуемой температуры.
Где и для чего используют изобретение Дьюара сегодня
Жидкий азот применяют во многих сферах от косметологии до промышленности, везде, где требуется хранение криогенной жидкости.
Основные сферы использования емкостей:
- Медицина и ветеринария. Жидкий азот необходим для транспортировки биологических материалов. Для этих целей выбирают сосуды, укомплектованные специальными канистрами.
- Косметология. Сегодня азот используют для проведения криопроцедур, удаления папиллом и бородавок. Для его хранения в косметических кабинетах используют сосуды Дьюара.
- Кулинария.
- Криогенные шоу и прочие развлекательные мероприятия.
- Промышленность, автомастерские. Здесь преимущество отдают моделям с широкой горловиной, поскольку в них удобнее погружать отдельные инструменты или детали.
Сегодня на рынке представлено множество сосудов, поэтому выбор не всегда прост. Главными критериями выбора выступают вместительность сосуда, диаметр горловины и время испарения жидкого азота.
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.
Устройство сосудов Дьюара
Современные сосуды Дьюара 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.
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.
Источник
Сосуд Дьюара – это специальное устройство для хранения веществ и материалов в условиях постоянно поддерживаемой температуры (высокой или низкой). В 1892 году Джеймс Дьюар усовершенствовал стеклянный ящик Вейнхольда, таким образом, мир получил двустенный сосуд с высокими теплоизоляционными свойствами, который используется поныне.
Как работать с сосудом Дьюара, рассказано ниже.
Виды
Сегодня сосуд Дьюара предназначен для хранения различных криогенных и других материалов. Он состоит из алюминиевого корпуса и алюминиевой или стальной колбы. Между стенками колбы расположена дополнительная теплоизоляция и откачан воздух. Здесь могут храниться жидкости и вещества, оставаясь в исходном температурном состоянии (до одного месяца и более). Срок службы изделия – более 10 лет.
Криогенные дьюары могут принимать несколько различных форм:
- открытые;
- с неплотно закрывающимися пробками;
- самогерметизирующиеся резервуары под давлением.
В зависимости от материала изготовления они подразделяются на:
- алюминиевые;
- стальные нержавеющие;
- комбинированные.
Техника безопасности
Прежде чем начинать работу с сосудом Дьюара, следует внимательно изучить правила эксплуатации и техники безопасности при обращении с емкостью!
Общие положения
- К использованию резервуаров для хранения низкотемпературных жидкостей допускаются лица старше 18 лет. Персонал, ответственный за их эксплуатацию, должен обеспечиваться спецодеждой, включая рукавицы и очки, соответствующие требованиям ГОСТ.
- Не допускается касаться открытыми частями тела металлических элементов прибора, которые подвергались охлаждению жидким азотом, другими низкотемпературными веществами.
- Помещение, предназначенное для работы с сосудами Дьюара, должно оборудоваться системой вентиляцией.
- Хранить емкости необходимо вдали от нагревательных приборов, элементов систем отопления. Не допускается попадание прямых солнечных лучей на изделие.
- При обнаружении любого повреждения резервуара необходимо перелить криогенную жидкость в исправный сосуд и отогреть неисправную ёмкость в течение 2 суток в месте, недоступном для посторонних людей.
Подготовка к работе с сосудами Дьюара
Перед заправкой ёмкости криогенной жидкостью или размещения в ней материалов на хранение, необходимо произвести наружный осмотр, обращая внимание на целостность всех элементов конструкции, наличие вмятин, трещин. Обмерзание корпуса не допускается!
Заправлять сосуд нужно с помощью специального устройства. Заправка осуществляется небольшими порциями, без перелива жидкости и перекрытия её потоком горловины прибора. После заправки ёмкость выдерживают 5 часов (для стабилизации жидкости). После загрузки в сосуд материалов на хранение производят дозаправку, горловину закрывают вставкой, устанавливают крышку.
Технические работы
При работе с сосудами Дьюара, нужно придерживаться следующих правил:
- В заправленных сосудах необходимо периодически проверять уровень жидкости. Используют щуп или специальную измерительную линейку.
- Сливать жидкий азот нужно с использованием специального опрокидывающего приспособления или посредством крионасоса.
- Дозаправка производится, когда объём вещества составляет 15-25 % от номинального. Работа с сосудами Дьюара организовывается так, чтобы открывать их как можно реже.
Как правильно использовать переливное устройство можно посмотреть в нашем видео:
Дезинфекция
Обслуживание рассматриваемых устройств, включая и дезинфекцию, должно осуществляться минимум 1 раз в год. В случаях, когда ёмкость используют для биоматериалов – минимум 2 раза в год.
Дезинфекция предполагает:
- Вынимание из сосуда контейнеров, слив жидкости.
- Отогревание прибора в течение 3 суток при комнатной температуре в проветриваемом помещении.
- Промывка всех частей сосуда водой, нагретой до температуры 75 Со и выше.
- Обработка перекисью водорода. Сосуды объемом менее 30 литров полностью погружаются в перекись, большие емкости заполняются спецраствором для дезинфекции. В таком состоянии изделия выдерживаются 2 часа, затем жидкость сливается, и резервуар прополаскиваются чистой водой с температурой от 75 Со. Сухое устройство готово к дальнейшему использованию.
Транспортировка
При перемещении сосуда основная нагрузка рабочего материала приходится на горловину. Поэтому перемещать ёмкость нужно с особой осторожностью, заранее продумав алгоритм процесса. Нельзя без надобности наклонять её и перемещать волоком, даже в незаполненном состоянии. Рекомендуется использовать специальные тележки, предназначенные для перемещения сосудов. Во время транспортировки сосудов нужно соблюдать требования ГОСТ и ведомственные нормативы.
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.
Устройство сосудов Дьюара
Современные сосуды Дьюара 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.
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