Ćw 1 - Własności cieczy kriogenicznych, Politechnika Wrocławska Energetyka, 5 semestr, Chłodnictwo i ...
[ Pobierz całość w formacie PDF ]
//-->KRIOGENIKA I TECHNOLOGIE GAZOWEW ENERGETYCELaboratorium 1Kriogenika – własności czynników kriogenicznychWstępSłowo kriogenika pochodzi od słów greckich „kruos” co oznacza „zimno” i genos –„pochodzenie” lub „tworzenie”, a pojęcie to zostało zaproponowane przez Heike Kamerlingh-Onnesa. Obecnie pojęcie kriogenika stosuje się na określenie metod uzyskiwaniai wykorzystywania temperatur ni szych ni 120K, a dokładnie 111.1K (normalna temperaturawrzenia metanu). Temperatura wrzenia CH4jest umowną granicą wyodrębniającą kriogenikęz chłodnictwa, ustanowioną w 1971 roku przez XIII Międzynarodowy Kongres Chłodnictwa.Przedmiotem kriogeniki są zjawiska zachodzące w temperaturach bardzo niskichw porównaniu z temperaturą otoczenia. W procesach uzyskiwania tak niskich temperaturw szczególny sposób uwidacznia się II Zasada Termodynamiki wprowadzająca asymetrię doskali temperatur i wskazująca na nieodwracalność pewnych fizycznych i chemicznychprocesów. O ile temperatury wy sze od otoczenia mogą zaistnieć na Ziemi w sposóbnaturalny, np. na skutek uderzenia pioruna mo e zostać wzniecony po ar powodujący lokalnywzrost temperatury nawet do kilku tysięcy K, o tyle nigdy nie zaobserwowanospontanicznego skroplenia się powietrza nawet w najbardziej mroźny, zimowy dzień.Uzyskanie bardzo niskich temperatur zawsze związane jest z nakładem energii w postacimechanicznej, elektrycznej, chemicznej lub magnetycznej, temperatury kriogeniczne niemogą być obserwowane na Ziemi w warunkach naturalnych, a jedynie w urządzeniach, doktórych nale y doprowadzić energię. Nie jest te mo liwe wykorzystanie do uzyskanianiskich temperatur przestrzeni kosmicznej, w której panuje równowagowa temperatura 2.7 K,gdy zbyt dobrym izolatorem jest atmosfera ziemska, uniemo liwiająca swobodnewypromieniowywanie energii cieplnej w przestrzeń.Obecnie dostępne technologie pozwalają osiągnąć niskie temperatury rzędu 10-8K(adiabatyczne rozmagnesowanie jąder miedzi) czy nawet 10-9(chłodzenie laseroweprowadzące do powstania kondensatu Bosego-Einsteina) oraz tak wysokie jak 108K,panujące w reaktorach wysokotemperaturowej fuzji. Rozpiętość osiągalnych temperaturwynosi około 1017K (rysunek 1) i mo na spodziewać się, e przedział ten będzie dalejwzrastał. Na tym tle zakres temperatur, które towarzyszą yciu i działaniom człowieka jestbardzo wąski. Zwróćmy uwagę, e zmianom temperatury towarzyszą bardzo istotne zmianywłasności substancji, począwszy od plazmy w eksperymentach fuzji a do nadprzewodnictwai nadciekłości w temperaturach bardzo niskich. U ycie na rysunku 1 skali logarytmicznej jestuzasadnione samą definicją temperatury bezwzględnej, zgodnie z którą stosunek dwóchtemperatur określa się jako stosunek ciepła pobranego do oddanego przez dowolny obiegCarnot’a zrealizowany w tym przedziale temperatur. Równie biorąc pod uwagę zmianywłasności materiałów, odległość na skali temperatury bardziej zasadnie jest mierzyćstosunkiem temperatur ni ich ró nicą. Mo emy się spodziewać, e w stosunkowo wąskimprzedziale temperatur 2.7 K pomiędzy 0.3 K i 3 K pojawią się tak istotne ró nice własnościmaterii jak pomiędzy 300 K oraz 3000, a więc przy ró nicy 2700 K. Ponadto z u ycia skalilogarytmicznej w sposób nieomal, e oczywisty wynika nieosiągalność zera bezwzględnegopostulowana przez III Zasadę Termodynamiki. Na rysunku 1 temperaturze T=0 Kodpowiadałby punkt umieszczony w nieskończonej odległości od dołu rysunku.T, KBARDZO WYSOKIE TEMPERATURY1010109wnętrze najgorętszych gwiazd108reakcje fuzji wodoru710wnętrze Słońca610korona słoneczna510zjonizowana materia (plazma)104103102101powierzchnia Słońcawłókno arówkitemperatura topnienia elazaturbina parowaprocesy biologicznenadprzewodnictwo wysokotemperaturowetemperatura wrzenia azotunadprzewodnictwo NbTi (9.6 K)temperatura wrzenia helu 4temperatura wrzenia helu 3przejście w stan nadciekły helu 4TEMPERATURY KRIOGENICZNE10-110-2nadprzewodnictwo w wolframie (W)magnetyczne uporządkowanie w stałym helu 3przejście w stan nadciekły helu 3nadprzewodnictwo w rodzie (Rh)10-310-410-5najni sza osiągalna temperatura w całej objętości próbki-61010-7najni sza osiągalna temperatura jądra miedzi (Cu)10-810-9kondensat Bosego - EinsteinaRys. 1. Przykładowe wartości temperatur wybranych zjawisk, skala logarytmicznaPrzyjęcie jako granicznej temperatury kriogenicznej wartości 120 K jest oczywiście arbitralnei wynika z historycznego rozwoju kriogeniki, kiedy głównym celem badawczym tej dziedzinybyło skroplenie tzw. gazów trwałych. Trudno wyobrazić sobie kriogenikę bez skroplonychgazów takich jak powietrze, tlen, azot, wodór czy hel. Zauwa my, e takie gazy jak propan,butan, chlor czy freony mo na skroplić, je eli podda się je izotermicznie działaniuodpowiednio wysokiego ciśnienia. Dzieje się tak, gdy temperatury krytyczne tych gazów sąwy sze od temperatury otoczenia i poprzez izotermiczny wzrost ciśnienia mo na osiągnąćstan dwufazowy, a do zupełnego skroplenia. W przypadku gazów trwałych sam wzrostciśnienia nie jest wystarczający, gdy ich temperatury krytyczne są zdecydowanie ni sze odtemperatury otoczenia. Konieczne jest ich wstępne oziębienie, a dopiero potem poddaniedziałaniu ciśnienia. Schematyczne procesy sprę ania gazów o temperaturach krytycznychodpowiednio wy szych i ni szych od temperatury otoczenia pokazują rysunki 2a i 2b.Tp3p2p1potTTotp3p2p1potTot< TKpot< p1< p2< p3Tot> TKpot< p1< p2<p3TKTot2KTKK1ssRys. 2.Izotermiczne sprę anie gazówa) nietrwałych, podlegających skropleniu przez b) trwałych, niepodlegających skropleniu przezsprę enie przy temperaturze otoczeniaizotermiczne sprę enieZwróćmy uwagę, e praktycznym kryterium wyró niającym gazy kriogeniczne mo e byćwymaganie, aby ich temperatury krytyczne były ni sze od temperatury otoczenia.Po przejęciu takiego kryterium do czynników kriogenicznych zaliczylibyśmy równienp. krypton i ksenon o temperaturach krytycznych równych odpowiednio 209.4 K i 289.7oraz normalnych temperaturach wrzenia równych 119.8 K i 165 K. Temperatura wrzeniakryptonu jest graniczną temperaturą kriogeniczną. Chocia temperatura wrzenia ksenonu jestwy sza od umownej granicy temperatur kriogenicznych to zarówno technologie jegoskraplania jak i przechowywania są technologiami podobnymi do stosowanych w przypadkuinnych gazów wymienionych w tabeli 1.Tabela 1. Wybrane własności gazów kriogenicznychTNTKpKTp3pp3VV/VLKKMPaKkPa-Metan111.6190.74.6388.710.1590Tlen90.2154.65.0454.40.15797Azot77.3126.23.3963.212.53646Neon27.144.42.7124.643.001341Wodór20.332.91.2913.87.04788Hel4.25.20.227------701TN– normalna temperatura wrzenia, TK– temperatura krytyczna, pK– ciśnienie krytyczne,Tp3– temperatura w punkcie potrójnym, pp3– ciśnienie w punkcie potrójnym, V – objętośćIndeksy: V – para, L – cieczCel laboratoriumCelem zajęć jest zapoznanie się z podstawowymi zasadami bezpiecznego posługiwania sięskroplonymi gazami oraz badanie wpływu niskich temperatur na własności wybranychmateriałów.Zadania do wykonania1. Podstawowe własności ciekłego azotua. Obserwacja zjawiska Leidenfrostab. Kondensacja składników powietrza na zimnej powierzchnic. Zmiana objętości balonu w ciekłym azocied. Wzrost ciśnienia w nieizolowanym zbiorniku z ciekłym azoteme. Rotacja schłodzonej piłeczki pingpongowej2. Zmiana własności wybranych materiałów w niskich temperaturacha. Płatki ró yb. Izolacja chłodniczac. Piłeczka tenisowad. Termometr Stankowskiegoe. Efekt MeissneraLiteratura1. M. Chorowski, Kriogenika, Podstawy i zastosowania, IPPU MASTA 20072. K.D. Timmerhaus, T.M. Flynn, Cryogenic Process Engineering, Plenum Press, 19893. A.M. Arkharov, I.V. Marfenina, Ye.I. Mikulin, Cryogenic Systems, Bauman MoscowState Technical University Press, 2000
[ Pobierz całość w formacie PDF ]