Жидкий гелий в сосудах дьюара
Текущая версия страницы пока не проверялась опытными участниками и может значительно отличаться от версии, проверенной 7 июля 2020; проверки требуют 2 правки.
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]
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[править | править код]
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
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]
- ↑ Хранить тепло и холод: Термос, Популярная механика — 2005, № 3.
- ↑ А. ВАСИЛЬЕВ, Университеты Польши, КВАНТ, 2005, № 4
- ↑ К. Мендельсон. На пути к абсолютному нулю. — Рипол Классик. — С. 52. — ISBN 9785458327268.
- ↑ Classic Kit: Dewar’s flask, Chemistry World, August 2008, Vol 5, No 8
- ↑ Annales de chimie et de physique
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)
Источник
Продажа жидкого гелия в сосудах Дьюара
Жидкий гелий по цене 1400 рублей за литр
в сосудах Дьюара от 250 до 500 литров
Жидкий гелий – бесцветная жидкость без запаха с температурой кипения при нормальном атмосферном давлении 101,3 кПа (760 мм.рт.ст.) 4,215 К (минус 268,9°С) и плотностью 124,9 кг/м3.
Гелий не токсичен, не горюч, не взрывоопасен, однако при высоких концентрациях в воздухе вызывает состояние кислородной недостаточности и удушье. Жидкий гелий – низкокипящая жидкость, которая может вызвать обморожение кожи и поражение слизистой оболочки глаз.
Атом гелия (он же молекула) – прочнейшая из молекулярных конструкций. Орбиты двух его электронов совершенно одинаковы и проходят предельно близко от ядра. Чтобы оголить ядро гелия, нужно затратить рекордно большую энергию (78,61 эВ). Отсюда следует феноменальная химическая пассивность гелия.
Молекулы гелия неполярны. Силы межмолекулярного взаимодействия между ними крайне невелики — меньше, чем в любом другом веществе. По этой причине гелий обладает самыми низкими значениями критических величин, наинизшей температура кипения, наименьшей теплотой испарения и плавления. Что касается температуры плавления гелия, то при нормальном давлении ее вообще нет. Жидкий гелий при сколь угодно близкой к абсолютному нулю температуре не затвердевает, если, помимо температуры, на него не действует давление в 25 или больше атмосфер. Второго такого вещества в природе нет. Это наилучший среди газов проводник электричества и второй, после водорода, проводник тепла. Его теплоемкость очень велика, а вязкость, наоборот, мала
Впервые жидкий гелий получил в 1908 г. голландский физик и химик Хейке Камерлинг-Оннес, до этого создавший экспериментальную установку для сжижения газов. На этой установке ему удалось перевести в жидкое состояние кислород, неон, а в 1906 г. он получил жидкий водород.
И лишь в 1908 году голландский физик X. Оннес решил эту задачу. Он усовершенствовал технологию Дьюара. С помощью жидкого водорода он охладил гелий под давлением до -255 °С (18 °К), после чего позволил газу расшириться, в результате тот еще сильнее охладился и перешел в жидкое состояние.
В 1922 г., проводя опыты, учёный обнаружил, что налитый им в пробирку жидкий гелий сам по себе поднимается по стенкам сосуда и вытекает наружу. Он поместил эту пробирку в ванну, наполненную гелием. Гелий вытекал до тех пор, пока его уровень не сравнялся с уровнем гелия в ванне. Если же уровень гелия в ванне был ниже, чем сама пробирка, гелий вытекал весь. Удивительно, но жидкий гелий способен перетекать из ёмкости, заполненной им, в абсолютно пустой стакан, погруженный в эту ёмкость, даже если верх этого стакана расположен выше уровня жидкости. И этот процесс будет происходить до тех пор, пока их уровни не сравняются.
Все описанные явления относятся к изотопу гелия-4. Объяснить их природу смогли лишь после того, как советский физик, академик Пётр Леонидович Капица открыл явление сверхтекучести, а другой выдающийся советский физик-теоретик Лев Давидович Ландау создал теорию сверхтекучести.
Чем ниже становится температура вещества, тем меньше скорость хаотического движения частиц в нём. При приближении температуры к абсолютному нулю все тела должны затвердеть. Так и происходит со всеми веществами, но не с жидким гелием. Этот удивительный элемент вместо того чтобы превратиться в твёрдое тело, вдруг начинает вести себя необычно, когда его температура становится ниже 2,17 К (-271оС). С ним происходят просто чудеса. Если оставить незакрытой пробирку с таким гелием, то через некоторое время она будет пуста. Гелий покинет её, поднимаясь по внутренней стенке. И неважно, какой высоты будет эта пробирка. Оказывается, при такой температуре жидкий гелий полностью теряет вязкость, трение в нём исчезает, и он становится сверхтекучим.
Это необычное свойство гелия было экспериментально установлено в 1938 г. советским физиком, академиком Пётром Леонидовичем Капицей.
Жидкий гелий представляет собой вещество, которое имеет одну из самых низких температур замерзания. Жидкий гелий используется в основном в медицине и научных исследованиях.
Для получения жидкого гелия проводят процесс глубокого охлаждения, включающего в себя несколько стадий.
Жидкий гелий получают путем сжижения газообразного очищенного гелия концентрацией не менее 99,995%.
Благодаря исключительным свойствам жидкий гелий находит множество применений, особенно в области высоких технологий. При температуре жидкого гелия сверхпроводимые материалы легко передают электричество без нагревания и создают очень мощные магнитные поля. Они используются в аппаратах для магнитно-резонансной томографии или в ядерных магнитных резонансных исследованиях.
- жидкий гелий используется для охлаждения сверхпроводящих магнитов в современных ЯМР томографах;
- криожидкость для получения и поддержания низких и сверхнизких температур (в основном в научныхисследованиях);
- охлаждение сверхпроводящих магнитов;
- использование в криостатах растворения;
- использование в туннельных сканирующих микроскопах;
- ускорители элементарных частиц, так в Большом адронном коллайдере в ЦЕРНе используется 96 тоннжидкого гелия для поддержания температуры 1,9 K;
- криогенные электрические машины;
- охлаждение детекторов инфракрасного и высокочастотного излучения, сквид-магнетометров;
- медицинская техника.
Хранение и транспортировка
Как и другие криожидкости, гелий хранят в сосудах Дьюара. Гелий в них всегда хранится под небольшим давлением — за счёт естественного испарения жидкости. Это позволяет в случае небольшой негерметичности не допустить загрязнения гелия снегом из воздуха. Избыточное давление стравливается через клапан. На практике, так как гелий достаточно дорог, то, чтобы не выпускать газ в атмосферу, на головной части дьюара размещается соединительная часть для подсоединения дьюара к гелиевой сети, по которой газообразный гелий собирается для повторного использования. Как правило, на этом же узле крепится манометр для контроля давления и аварийный клапан.
Гелиевые дьюары переворачивать нельзя, для переливания содержимого применяют специальные сифоны.
Гелий имеет очень низкую теплоту испарения (в 20 раз меньше, чем у водорода), но зато высокую теплопроводность. Поэтому к качеству теплоизоляции гелиевых дьюаров предъявляются высокие требования. При повреждении вакуумной изоляции жидкость так бурно вскипает, что дьюар может взорваться. Как правило, для снижения потерь гелия на испарение используется «азотная рубашка» — непосредственно в вакуумной полости сосуда Дьюара расположена ещё одна оболочка, которая охлаждается кипящим жидким азотом (температура 77 К). За счёт этого удается существенно сократить теплообмен между гелием и атмосферой.
Жидкий гелий перевозят в специальных транспортных сосудах, выпускаемыми промышленно. В СССР и позднее в России выпускались сосуды типа СТГ-10, СТГ-25, СТГ-40 и СТГ-100 ёмкостью 10, 25, 40 и 100 литров, соответственно. Эти сосуды широко используются в российских лабораториях и в настоящее время. В качестве примера зарубежного производителя транспортных гелиевых дьюаров объёмом от 30 до 1000 литров можно привести компанию Cryofab. Сосуды с жидким гелием должны транспортироваться и храниться в вертикальном положении.
Вы ищете, где купить жидкий гелий? Наша компания сможет предложить Вам приобретение жидкого гелия по доступным ценам и выгодным условиям транспортировки!
Источник
Цены на Жидкий гелий
| Наименование | ГОСТ, ТУ | Ед.изм. | Цена | Количество/Заказать |
|---|---|---|---|---|
| Гелий жидкий (от 250л) | ТУ 51 – 224 – 84 (с изм. 1,2,3) | 1 литр | 1150 p. |
Подробнее о продукте “Жидкий гелий”
Жидкий гелий широко применяется в области высоких технологий благодаря его исключительным свойствам. Так, сверхпроводимые элементы жидкого гелия при воздействии температуры начинают гораздо лучше проводить электричество и создавать мощное магнитное поле без дополнительного нагревания. Таким образом, гелий получил широкое применение в ядерных магнитно-резонансных опытах и в магнитно-резонансной томографии.
В жидком состоянии гелий гораздо выгоднее перевозить с экономической точки зрения. Например, в 40-литровом баллоне жидкий гелий будет весить всего 1 кг, в то время как сам баллон весит 67 кг. Соответственно, гораздо экономичнее транспортировать большое количество гелия в крупногабаритных баллонах.
Для производства жидкого гелия используется очищенное газообразное вещество с объемом долей не меньше 99,995.
Хранение и транспортировка
Для транспортировки жидкого гелия применяются специальные сосуды Дьюара СТГ-10, СТГ-25, СТГ-40. СТГ-100, которые имеют соответствующий объем (10, 25, 40 и 100 литров). Раскрашены баллоны в светло-серую окраску, перевозятся и хранятся исключительно в вертикальном положении.
Из-за того, что в баллоне происходит естественное испарение жидкости, гелий находится под небольшим давлением, что позволяет не допустить загрязнение вещества воздухом при возникновении разгерметизации. В случае возникновения избыточного давления приоткрывается клапан для удаления небольшой дозы испарений. На головной части баллона размещается специальная соединительная часть, которая позволяет легко подключить сосуд к гелиевой сети. В этой части гелий собирается для вторичного использования, что позволяет экономить столь недешевый газ. Также на данном узле можно найти аварийный клапан и манометр для отслеживания показателей давления.
Как уже говорилось ранее, баллоны хранятся исключительно в вертикальном положении, переворачивать их нельзя. Чтобы перелить содержимое, используют специальные сифоны.
Гелий испаряется при относительно низкой температуре, однако отлично проводит тепло. Именно по этой причине теплоизоляции сосудов Дьюара уделяется много внимания. Если вакуумная изоляция будет повреждена, гелий может попасть в полость, вследствие чего произойдет взрыв. Для предотвращения подобного инцидента в вакуумной полости баллона располагается еще один слой, который находится под охлаждением азота (при температуре 77К). Подобная «азотная рубашка» позволяет значительно снизить потери газа на испарение и сократить обмен тепла между атмосферой и гелием.
Применение жидкого гелия
- Для создания криожидкостей и поддержания в них низких температур;
- Для снижения температуры сверхпроводящих магнитов;
- В криостатах растворения;
- Для применения в сканирующих микроскопах;
- В ускорителях заряженных частиц (пример – Большой адронный коллайдер);
- В криогенных машинах;
- В медицинской технике.
- История открытия гелия
- Применение гелия
- Гелий в природе
- Добыча гелия
- Безопасность
- Хранение и перевозка гелия
- Информация о гелиевых баллонах
- Что такое чистота? Определение чистоты гелия
Источник
Второй по многим параметрам, но совершенно уникальный – жидкий гелий: история открытия, свойства, производство и сферы применения
В группу инертных и благородных газов, широко распространенных в природе, входит гелий – «солнце» в переводе с древнегреческого. Он второй по списку после водорода в таблице Менделеева (He), второй по распространенности во Вселенной, второй по легкости среди химических элементов. Несмотря на вечный второй номер, он возглавляет группу инертных газов.
| У одноатомного гелия нет вкуса, запаха, цвета. | Он может находиться в 3-х агрегатных состояниях. |
| В виде жидкости он самый холодный в мире. | У жидкого He самая низкая температура кипения. |
История открытия гелия и его особенности
Когда этот элемент открыли, а произошло это в 1868 году, думали, что это металл. Отсюда и появилось такое название helium с характерным для металлов окончанием. Ученый Пьер Жансен, который первым узнал о существовании элемента, наблюдал полное солнечное затмение в Гунтуре (Индия). Там он исследовал спектр короны солнца с помощью своего спектроскопа.
В спектре обнаружилась яркая линия желтого цвета.
Независимые исследования вел одновременно английский астроном Норман Локьер. Именно он по иронии судьбы и оказался первооткрывателем нового метода, потому что его заявка об исследовании протуберанцев пришла всего на 4 часа раньше заявки Жансена.
Следующим был итальянец Луиджи Пальмьери. В 1881 году он обнаружил желтый спектр при изучении вулканических газов. Лишь в 1895 году химик из Шотландии Уильям Рамзай обнаружил эту же тонкую желтую линию при исследовании газа, выделившегося при разложении минерала клевеита.
В 1938 году советский физик Капица открыл явление сверхтекучести жидкого гелия, который добывают из природного газа путем низкотемпературного разделения (фракционной перегонки/дистилляции).
Производство, свойства, перевозка и хранение жидкого гелия
| В чистом виде этот газ опасен для человека. Если концентрация его в воздухе растет, то начинается нехватка кислорода в крови (кислородное голодание), а при больших дозах проявляется рвота, бывает потеря сознания вплоть до смерти. | В жидком состоянии гелий очень важен. Он наделен целым списком особенностей. Среди них – сверхтекучесть и сверхпроводимость. Элемент инертный, то есть практически не взаимодействует с другими веществами, не растворяется в воде. |
В промышленных масштабах гелий добывают из природного гелийсодержащего газа. Технология отделения основана на методе глубокого охлаждения дросселированием. Сжижается он сложно на фоне прочих газов. В смеси присутствует неон и водород, поэтому необходимо несколько стадий очистки. В результате применения современных технологий получают два вида гелия:
| 99,80% по содержанию – технической чистоты; | 99,985% по содержанию – высокой чистоты. |
Гелий в жидком состоянии находится после охлаждения до критической точки, но он плохо различим внешне, потому что не имеет цвета.
Российские месторождения и новейшие технологии позволяют получать вещество в достаточно больших объемах, и это почти идеальная жидкость практически без поверхностного натяжения и вязкости.
Она не изменит объем при перепадах давления и температуры, а при создании определенных условий становится квантовой жидкостью.
При нормальном давлении не кристаллизуется даже при абсолютном нуле в отличие от любых веществ на планете.
Все эти и многие другие свойства предопределяют особенности транспортировки и хранения жидкого гелия. Для перевозки полученного вещества в жидком состоянии используют специальные сосуды Дьюара с объемом до 500 л.
Существует целый ряд правил и нормативов для перевозки железнодорожным, автомобильным и прочими видами транспорта, а также такелажа при применении мультимодальных схем. Хранят сосуды с жидким гелием только в вертикальном положении.
Сферы применения жидкого гелия
Вам нужен криогенный сервис высочайшего уровня, помноженный на грамотную транспортировку? Компания «Медстрой» выполнит все задачи в Москве и Подмосковье. Мы производим жидкий гелий с 2015 года и являемся официальным партнером ПАО «Газпром».
- Осуществляем оперативно и четко доставку жидкого и газообразного гелия.
- Держим лучшие цены по рынку, устраивающие медицинские и научные учреждения, предприятия оборонной, космической отраслей и многих других.
- Заправим МРТ и прочие установки жидким гелием.
Обращайтесь к нам в удобном для вас формате, и мы гарантируем качество, соблюдение сроков, необходимые объемы, бесплатную консультационную поддержку. Поставляем жидкий гелий по заявкам предприятий, занятых в сферах:
металлургической для защиты при выплавке чистых металлов, в качестве хладагента для сверхнизких температур;
пищевой (добавка E939) в качестве пропеллента, упаковочного вещества;
воздухоплавательной для наполнения дирижаблей, аэростатов (абсолютно безопасен именно гелий в силу негорючести) и метеорологической (наполнение зондов, шариков, оболочек);
ядерной в качестве теплоносителя в некоторых типах реакторов;
ремонтной для поиска утечек в трубопроводах и котлах;
светодиодной для наполнения колб ламп и эффективного отведения тепла;
лазерной как компонент рабочего тела и многих других;
Особенно востребован жидкий гелий в науке и медицине для исследований, в диагностических и лечебных приборах. Он также необходим при наполнении баллонов для дайвинга и аналогичных дыхательных смесей. Мы взаимодействуем с предприятиями, действующими в любых сферах. Максимально ответственно подойдем к выполнению вашей заявки.
Источник