Kriogenika Laboratorium 1.pdf

(74 KB) Pobierz

KRIOGENIKA I TECHNOLOGIE GAZOWE

W ENERGETYCE

Laboratorium 1

Kriogenika – własno Ļ ci czynników kriogenicznych

Wst ħ p

Słowo kriogenika pochodzi od słów greckich „kruos” co oznacza „zimno” i genos –

„pochodzenie” lub „tworzenie”, a poj ħ cie to zostało zaproponowane przez Heike Kamerlingh-

Onnesa. Obecnie poj ħ cie kriogenika stosuje si ħ na okre Ļ lenie metod uzyskiwania

i wykorzystywania temperatur ni Ň szych ni Ň 120K, a dokładnie 111.1K (normalna temperatura

wrzenia metanu). Temperatura wrzenia CH 4 jest umown Ģ granic Ģ wyodr ħ bniaj Ģ c Ģ kriogenik ħ

z chłodnictwa, ustanowion Ģ w 1971 roku przez XIII Mi ħ dzynarodowy Kongres Chłodnictwa.

Przedmiotem kriogeniki s Ģ zjawiska zachodz Ģ ce w temperaturach bardzo niskich

w porównaniu z temperatur Ģ otoczenia. W procesach uzyskiwania tak niskich temperatur

w szczególny sposób uwidacznia si ħ II Zasada Termodynamiki wprowadzaj Ģ ca asymetri ħ do

skali temperatur i wskazuj Ģ ca na nieodwracalno Ļę pewnych fizycznych i chemicznych

procesów. O ile temperatury wy Ň sze od otoczenia mog Ģ zaistnie ę na Ziemi w sposób

naturalny, np. na skutek uderzenia pioruna mo Ň e zosta ę wzniecony po Ň ar powoduj Ģ cy lokalny

wzrost temperatury nawet do kilku tysi ħ cy K, o tyle nigdy nie zaobserwowano

spontanicznego skroplenia si ħ powietrza nawet w najbardziej mro Ņ ny, zimowy dzie ı .

Uzyskanie bardzo niskich temperatur zawsze zwi Ģ zane jest z nakładem energii w postaci

mechanicznej, elektrycznej, chemicznej lub magnetycznej, temperatury kriogeniczne nie

mog Ģ by ę obserwowane na Ziemi w warunkach naturalnych, a jedynie w urz Ģ dzeniach, do

których nale Ň y doprowadzi ę energi ħ . Nie jest te Ň mo Ň liwe wykorzystanie do uzyskania

niskich temperatur przestrzeni kosmicznej, w której panuje równowagowa temperatura 2.7 K,

gdy Ň

zbyt

dobrym

izolatorem

jest

atmosfera

ziemska,

uniemo Ň liwiaj Ģ ca

swobodne

wypromieniowywanie energii cieplnej w przestrze ı .

Obecnie dost ħ pne technologie pozwalaj Ģ osi Ģ gn Ģę niskie temperatury rz ħ du 10 -8 K

(adiabatyczne rozmagnesowanie j Ģ der miedzi) czy nawet 10 -9 (chłodzenie laserowe

prowadz Ģ ce do powstania kondensatu Bosego-Einsteina) oraz tak wysokie jak 10 8 K,

panuj Ģ ce w reaktorach wysokotemperaturowej fuzji. Rozpi ħ to Ļę osi Ģ galnych temperatur

wynosi około 10 17 K (rysunek 1) i mo Ň na spodziewa ę si ħ , Ň e przedział ten b ħ dzie dalej

wzrastał. Na tym tle zakres temperatur, które towarzysz Ģ Ň yciu i działaniom człowieka jest

bardzo w Ģ ski. Zwró ę my uwag ħ , Ň e zmianom temperatury towarzysz Ģ bardzo istotne zmiany

własno Ļ ci substancji, pocz Ģ wszy od plazmy w eksperymentach fuzji a Ň do nadprzewodnictwa

i nadciekło Ļ ci w temperaturach bardzo niskich. U Ň ycie na rysunku 1 skali logarytmicznej jest

uzasadnione sam Ģ definicj Ģ temperatury bezwzgl ħ dnej, zgodnie z któr Ģ stosunek dwóch

temperatur okre Ļ la si ħ jako stosunek ciepła pobranego do oddanego przez dowolny obieg

Carnot’a zrealizowany w tym przedziale temperatur. Równie Ň bior Ģ c pod uwag ħ zmiany

własno Ļ ci materiałów, odległo Ļę na skali temperatury bardziej zasadnie jest mierzy ę

stosunkiem temperatur ni Ň ich ró Ň nic Ģ . Mo Ň emy si ħ spodziewa ę , Ň e w stosunkowo w Ģ skim

przedziale temperatur 2.7 K pomi ħ dzy 0.3 K i 3 K pojawi Ģ si ħ tak istotne ró Ň nice własno Ļ ci

materii jak pomi ħ dzy 300 K oraz 3000, a wi ħ c przy ró Ň nicy 2700 K. Ponadto z u Ň ycia skali

logarytmicznej w sposób nieomal, Ň e oczywisty wynika nieosi Ģ galno Ļę zera bezwzgl ħ dnego

postulowana przez III Zasad ħ Termodynamiki. Na rysunku 1 temperaturze T=0 K

odpowiadałby punkt umieszczony w niesko ı czonej odległo Ļ ci od dołu rysunku.

T, K

10

10

wnħtrze najgorħtszych gwiazd

9

10

8

10

reakcje fuzji wodoru

7

10

wnħtrze Słoıca

6

10

korona słoneczna

5

10

zjonizowana materia (plazma)

4

10

powierzchnia Słoıca

włókno Ňarówki

temperatura topnienia Ňelaza

turbina parowa

procesy biologiczne

nadprzewodnictwo wysokotemperaturowe

temperatura wrzenia azotu

3

10

2

10

nadprzewodnictwo NbTi (9.6 K)

10

temperatura wrzenia helu 4

temperatura wrzenia helu 3

przejĻcie w stan nadciekły helu 4

1

- 1

10

- 2

nadprzewodnictwo w wolframie (W)

10

magnetyczne uporzĢdkowanie w stałym helu 3

- 3

10

przejĻcie w stan nadciekły helu 3

nadprzewodnictwo w rodzie (Rh)

- 4

10

- 5

10

najniŇsza osiĢgalna temperatura w całej objħtoĻci próbki

- 6

10

- 7

10

najniŇsza osiĢgalna temperatura jĢdra miedzi (Cu)

- 8

10

- 9

10

kondensat Bosego - Einsteina

Rys. 1. Przykładowe warto Ļ ci temperatur wybranych zjawisk, skala logarytmiczna

Przyj ħ cie jako granicznej temperatury kriogenicznej warto Ļ ci 120 K jest oczywi Ļ cie arbitralne

i wynika z historycznego rozwoju kriogeniki, kiedy głównym celem badawczym tej dziedziny

było skroplenie tzw. gazów trwałych. Trudno wyobrazi ę sobie kriogenik ħ bez skroplonych

gazów takich jak powietrze, tlen, azot, wodór czy hel. Zauwa Ň my, Ň e takie gazy jak propan,

butan, chlor czy freony mo Ň na skropli ę , je Ň eli podda si ħ je izotermicznie działaniu

odpowiednio wysokiego ci Ļ nienia. Dzieje si ħ tak, gdy Ň temperatury krytyczne tych gazów s Ģ

wy Ň sze od temperatury otoczenia i poprzez izotermiczny wzrost ci Ļ nienia mo Ň na osi Ģ gn Ģę

stan dwufazowy, a Ň do zupełnego skroplenia. W przypadku gazów trwałych sam wzrost

ci Ļ nienia nie jest wystarczaj Ģ cy, gdy Ň ich temperatury krytyczne s Ģ zdecydowanie ni Ň sze od

temperatury otoczenia. Konieczne jest ich wst ħ pne ozi ħ bienie, a dopiero potem poddanie

działaniu ci Ļ nienia. Schematyczne procesy spr ħŇ ania gazów o temperaturach krytycznych

odpowiednio wy Ň szych i ni Ň szych od temperatury otoczenia pokazuj Ģ rysunki 2a i 2b.

929492014.051.png

929492014.062.png

929492014.073.png

929492014.083.png

929492014.001.png

929492014.002.png

929492014.003.png

929492014.004.png

929492014.005.png

929492014.006.png

929492014.007.png

929492014.008.png

929492014.009.png

929492014.010.png

929492014.011.png

929492014.012.png

929492014.013.png

929492014.014.png

929492014.015.png

929492014.016.png

929492014.017.png

929492014.018.png

929492014.019.png

929492014.020.png

929492014.021.png

929492014.022.png

929492014.023.png

929492014.024.png

929492014.025.png

929492014.026.png

929492014.027.png

929492014.028.png

929492014.029.png

929492014.030.png

929492014.031.png

929492014.032.png

929492014.033.png

929492014.034.png

929492014.035.png

929492014.036.png

929492014.037.png

929492014.038.png

929492014.039.png

929492014.040.png

929492014.041.png

929492014.042.png

929492014.043.png

929492014.044.png

929492014.045.png

929492014.046.png

929492014.047.png

929492014.048.png

929492014.049.png

929492014.050.png

929492014.052.png

T

T

p 3

p 2

p 1

p ot

p 3

p 2

p 1

p ot

T ot

T ot < T K

p ot < p 1 < p 2 < p 3

T ot > T K

p ot < p 1 < p 2 <p 3

T K

K

T K

K

T ot

2

1

s

s

Rys. 2. Izotermiczne spr ħŇ anie gazów

a) nietrwałych, podlegaj Ģ cych skropleniu przez

spr ħŇ enie przy temperaturze otoczenia

b) trwałych, niepodlegaj Ģ cych skropleniu przez

izotermiczne spr ħŇ enie

Zwró ę my uwag ħ , Ň e praktycznym kryterium wyró Ň niaj Ģ cym gazy kriogeniczne mo Ň e by ę

wymaganie, aby ich temperatury krytyczne były ni Ň sze od temperatury otoczenia.

Po przej ħ ciu takiego kryterium do czynników kriogenicznych zaliczyliby Ļ my równie Ň

np. krypton i ksenon o temperaturach krytycznych równych odpowiednio 209.4 K i 289.7

oraz normalnych temperaturach wrzenia równych 119.8 K i 165 K. Temperatura wrzenia

kryptonu jest graniczn Ģ temperatur Ģ kriogeniczn Ģ . Chocia Ň temperatura wrzenia ksenonu jest

wy Ň sza od umownej granicy temperatur kriogenicznych to zarówno technologie jego

skraplania jak i przechowywania s Ģ technologiami podobnymi do stosowanych w przypadku

innych gazów wymienionych w tabeli 1.

Tabela 1. Wybrane własno Ļ ci gazów kriogenicznych

T N T K p K T p3 p p3 V V /V L

K K MPa K kPa -

Metan 111.6 190.7 4.63 88.7 10.1 590

Tlen 90.2 154.6 5.04 54.4 0.15 797

Azot 77.3 126.2 3.39 63.2 12.53 646

Neon 27.1 44.4 2.71 24.6 43.00 1341

Wodór 20.3 32.9 1.29 13.8 7.04 788

Hel 4.2 5.2 0.227 --- --- 701

T N – normalna temperatura wrzenia, T K – temperatura krytyczna, p K – ci Ļ nienie krytyczne,

T p3 – temperatura w punkcie potrójnym, p p3 – ci Ļ nienie w punkcie potrójnym, V – obj ħ to Ļę

Indeksy: V – para, L – ciecz

929492014.053.png

929492014.054.png

929492014.055.png

929492014.056.png

929492014.057.png

929492014.058.png

929492014.059.png

929492014.060.png

929492014.061.png

929492014.063.png

929492014.064.png

929492014.065.png

929492014.066.png

929492014.067.png

929492014.068.png

929492014.069.png

929492014.070.png

929492014.071.png

929492014.072.png

929492014.074.png

929492014.075.png

929492014.076.png

929492014.077.png

929492014.078.png

929492014.079.png

929492014.080.png

929492014.081.png

929492014.082.png

Cel laboratorium

Celem zaj ħę jest zapoznanie si ħ z podstawowymi zasadami bezpiecznego posługiwania si ħ

skroplonymi gazami oraz badanie wpływu niskich temperatur na własno Ļ ci wybranych

materiałów.

Zadania do wykonania

1. Podstawowe własno Ļ ci ciekłego azotu

a. Obserwacja zjawiska Leidenfrosta

b. Kondensacja składników powietrza na zimnej powierzchni

c. Zmiana obj ħ to Ļ ci balonu w ciekłym azocie

d. Wzrost ci Ļ nienia w nieizolowanym zbiorniku z ciekłym azotem

e. Rotacja schłodzonej piłeczki pingpongowej

2. Zmiana własno Ļ ci wybranych materiałów w niskich temperaturach

a. Płatki ró Ň y

b. Izolacja chłodnicza

c. Piłeczka tenisowa

d. Termometr Stankowskiego

e. Efekt Meissnera

Literatura

1. M. Chorowski, Kriogenika, Podstawy i zastosowania, IPPU MASTA 2007

2. K.D. Timmerhaus, T.M. Flynn, Cryogenic Process Engineering, Plenum Press, 1989

3. A.M. Arkharov, I.V. Marfenina, Ye.I. Mikulin, Cryogenic Systems, Bauman Moscow

State Technical University Press, 2000

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika:

Zgłoś jeśli naruszono regulamin