Tepelné izolace T.I– prostředky omezující přenos tepla z teplejších na chladnější tělesa Slouží k uchovávání kryokapalin (zkapalněné plyny) pro potřeby jejich využití ve výzkumu a průmyslu T.I – jsou součástí přenosových a skladovacích nádob kryokapalin (např. dewarovy nádoby)

Problémy Udržení teploty varu kryogeních kapalin Sdílení tepla mezi kapalinou a nádobou Výparné teplo (viz tab. č. 1) Kryokapaliny mají bod varu hluboko pod teplotou pokojovou a jejich výparné teplo je tím menší, čím nižší je jejich bod varu. Pro teploty pod bodem varu je třeba brát v úvahu i přívod energie způsobený mechanickými kmity (chvění budovy…) Ztráty vířivými proudy v kovových částech aparatury

Výparná tepla tab č.1

Uchovávaní kryokapalin (Dewarovy nádoby) Dvoustěnná či vícestěnná nádoba Vnitřní nádoba obsahuje přechovávanou kapalinu a je upevněna ve vnější nádobě tenkostěnnou trubicí, která tvoří hrdlo. Prostor mezi nádobami je vyčerpán ventilem na nízký tlak,který je udržován adsorbentem. Všechny součásti musí být vyrobeny z materiálů s nízkou tepelnou vodivostí

Dewarova nádoba

Způsoby přenosu tepla zářením konvekcí (proudění) Vedením pevnými látkami

Sdílení tepla zářením Každé těleso teplejší než 0 K vyzařuje energii ve formě elektromagnetických vln. Většina vyzařované energie je soustředěna do oblasti kolem vlnové délky λm. Žhavená tělesa nad 10.3K vyzařují energii z oblasti viditelného spektra Tělesa o teplotě 10.2 až 10.3 K vyzařují energii především v oblasti infračervené

Černé těleso,Planckův zákon Černé těleso – teoretický model tělesa,které pohlcuje veškeré dopadající záření Planckův zákon – popisuje záření absolutně černého tělesa v celém rozsahu vlnových délek

Wienův posunovací zákon Určení vlnové délky λm (µm) pro teplotu T(K)

Stefanův-Boltzmanův zákon Vyjádření hustoty radiačního tepelného toku v závislosti na teplotě σ=5,67.10-8 Wm-2 K-4

Stefanův-Boltzmanův zákon tabulka č.2

Poměrný součinitel záření - e Udává do jaké míry se reálné těleso blíží tělesu dokonale černému (0 < e < 1) Součinitel poměrné pohltivosti – a Každé těleso je schopno nejen záření emitovat,ale i absorbovat (pohlcovat) Při termodynamické rovnováze tělesa s jeho okolím a = e Odrazivost – R R = 1 - a

Tepelný tok mezi 2povrchy Součinitel E21 závisí na materiálu a kvalitě povrchu vyzařujících ploch a na jejich geometrické konfiguraci A21 odpovídá ploše A1(chladnější těleso) pokud A2(teplejší těleso) obklopuje plochu A1

Tabulka hodnot – pohltivosti - a Al elektrolyticky leštěný 0,03 Ni elektrolyticky leštěný 0,016 Nekovy (průměrná hodnota) 0,8 Černé těleso 1 Sklo 0,94 Led 0,96

Součinitel pohltivosti - a ρ …měrný elektrický odpor λ … vlnová délka Klesá s teplotou nejnižší hodnoty mají dobré vodiče elektřiny

Vliv znečištění látek Znečištění podstatně snižuje hodnoty součinitele pohltivosti (a) a poměrného součinitele záření (e) !! Proto je důležitá volba materiálu pro výrobu izolace (Al,Cu…) a důkladné udržovaní čistoty. Pro méně kvalitní materiály se používá polepení Al folií Eccoshield, která snižuje odpar až o 50%

Snížení radiačního toku užitím mezistěn Zářivý tepelný tok Q21 můžeme snížit na polovinu tak,že mezi stěny A1 a A2 vložíme vůči nim tepelně izolovanou stěnu A´. Za předpokladu stejného součinitele záření všech stěn e1 = e2 = en je celkový radiační tok snížen (n+1)krát:

Pro orientační výpočty lze vztah pro radiační tok zjednodušit na tvar: Podmínky: e1 = e2 << 1 E21 = e/2 T2 >> T1

Dewarovy nádoby dvojitá Dewarova nádoba se Bezdusíková nádoba pro stíněním chlazeným LN2 LHe se superizolací a třemi stínícími plášti

Sdílení tepla konvekcí Je-li mezi plochami o rozdílných teplotách uzavřena vrstva plynu a je zabráněno jeho makroskopickému proudění, vytvoří plyn tepelně izolující polštář a dochází ke konvekci(konvekčnímu proudění). Přenos tepla je způsoben pohybem hmoty plynu,který je vyvolán rozdílnými hustotami plynu vlivem teplotního gradientu. C je konstanta a ρ je hustota plynu

Možnosti eliminace konvekce V nevakuovaných soustavách,kde je v izolačním prostoru plyn,musí být objem rozdělen na komůrky. Snížení tlaku (evakuace) Snížení pravděpodobnosti výskytu konvekce snížením tlouštky vrstvy plynu tvořící izolaci

Vedení tepla zbytkovým plynem V prostoru mezi paralelními stěnami je vzduch o atmosférickém tlaku. Vedení tepla zbytkovým plynem z teplejší stěny s plochou A2 na chladnější stěnu A1 je popsáno Fourierovým zákonem: d (m) – je tlouštka vrstvy vzduchu

Koeficient akomodace - a Koeficient akomodace vyjadřuje účinnost předávání energie při srážce. Pro běžné kovové povrchy hodnoty 0,2 až 0,8 Pro chladnou stěnu Pro teplou stěnu

Vedení tepla pevnými látkami V pevných látkách se teplo sdílí mezi částicemi tělesa. Je-li přitom zachována tepelná rovnováha, charakterizována teplotou, nazývá se tento druh sdílení tepla vedením. Vedení - tepelná kondukce, kdy se teplo přenáší seskupením atomů a molekul v pevných látkách dvěma rozdílnými přístupy tepelné energie. Prvním způsobem je vibracemi přenášejícími se strukturou látky a druhý je způsoben volnými elektrony, které procházejí látkou.

Tepelný tok pro vícevrstvé materiály Je-li deska tvořena n vrstvami materiálů s rozdílnou hodnotou λi, je tepelný tok kolmo k tomuto systému rovin dán výrazem: Kde tepelný odpor i-té vrstvy je určen výrazem (m2KW-1) Tepelný tok válcovou stěnou: (W.m-1) Tepelný tok stěnou koule: (W)

Praktické zkušenosti s konstrukcí nádob Volba materiálu povrchu stěn a jeho úprava pro snížení součinitele záření – e Evakuace izolačního prostoru pro snížení vedení tepla plynem Tepelný tok pevnými podpěrami a závěsy se redukuje tím,že vnitřní nádoba visí na tenkostěnném hrdle z málo vodivého materiálu(pakfong,melchior..) a jsou (závěsy a podpěry) navíc ochlazovány odpařovaným hrdlem

Druhy izolací Vysokovakuová izolace – Dewarovy nádoby- Užívají se převážně pro uchovávání LN2, pro LHe nejsou vhodné,protože He prochází stěnami do vakuového prostoru. Práškové a vakuopráškové izolace – izolační prostor je zaplněn jemným práškem z tepelně nevodivého materiálu. V praxi se mísí materiály jako např. perlit nebo silikagel s kovovým práškem (Al,Cu). Práškové materiály mají výhodu,že jsou částečně schopny adsorbovat zbytkový plyn ve vakuovém prostoru podobně jako aktivní uhlí.

Druhy izolací Mnohovrstvá izolace (superizolace) Užívá se stínění tenkými fóliemi (Al),které jsou odděleny tepelným izolantem. Stínící vrstvy jsou varhánkovitě složené nebo pokrčené.Optimální počet dvojvrstev je 20 až 30 na cm. Superizolace se užívá i pro dlouhodobou úschovu LN2 a LHe přičemž odpar je menší než 1%. Využívá se i pro raketovou techniku a meziplanetární lety,kde jediným zdrojem tepelného toku je sluneční záření.

Druhy izolací Pěnové izolační materiály Základní izolační materiál je tvořen slabostěnnými komůrkami,které vznikají expandováním organických i anorganických látek působením tzv. nadouvadla(freon,benzen). K výrobě se užívá polystyren,polyuretan nebo epoxidy. Je-li pěnový izolant v prostředí plynného H2 nebo He je třeba difundovaný plyn odčerpávat vývěvou. Obsahuje – li kryokapalina více než 30% kyslíku je třeba velmi dbát na bezpečnost,jelikož jsou pěnové izolanty s kyslíkem velmi reaktivní.