DEE-54030 Kryogeniikka
Kryogeeninen eristys
Kryogeniikka Risto Mikkonen
1
Mitä lämmönsiirto on?
Lämmönsiirto on lämpöenergian välittymistä lämpötilaeron vaikutuksesta.
Lämmönsiirron mekanismit
Johtuminen Konvektio
Kryogeniikka Risto Mikkonen
Säteily
2
Lämmönsiirron mekanismit
Johtuminen kiinteässä aineessa
Konvektio rajapinnalta
väliaineeseen
Lämpösäteily kahden
pinnan välillä
T∞
T
q’’
1
T2
Ts
q’’
T1 > T2
Ts > T∞
Kryogeniikka Risto Mikkonen
3
Johtuminen / konvektio / säteily
Kryogeniikka Risto Mikkonen
4
Tyhjiöeristys
•
•
Eliminoi konvektiivisen lämmönsiirron
Pienentää lämmönjohtumista jäännöskaasun läpi
Kaksi sisäkkäistä astiaa
Q r
A1
Sisäkkäiset sylinterit / pallot
1
Fe F1 2 (T24 T14 )
Fe
1
1
Stefan-Bolzmannin vakio
= 5.67 x 10-12 W/cm2K4
Fe = emissiviteettikerroin
F1-2 = näkyvyyskerroin
Kryogeniikka Risto Mikkonen
A1
A2
1
1
2
ja
F1
2
1
5
Säteilysuojat
Asetettaessa tyhjiötilaan Ns kappaletta säteilysuojia, emissiviteetti s, ts. yhteensä Ns+2 heijastavaa pintaa
1
Fe ( N
2
Ns )
Kun N = 0 ja
s
1
1
0
s
0
s
)
s
= 1 (ei säteilysuojia)
Fe ( N
Eseimerkiksi
1
( N s 1) ( N s
= 0.90 ja
s
0
0)
2
0
= 0.05 sekä N = 10
Kryogeniikka Risto Mikkonen
Q N 10
Q N 0
1
348
6
Jäännöskaasu
Korkeilla tyhjiötasoilla (~ 10-10 MPa) vapaiden molekyylien
välinen etäisyys on suuri heijastavien pintojen etäisyyteen
L verrattuna, jolloin lämmönjohtavuus määräytyy vapaiden
molekyylien liikkeestä, jolloin lämpövirta riippuu lineaarisesti paineesta.
L vs.
fp
fp
p
?
RT
2 M gc
Kryogeniikka Risto Mikkonen
7
Kaasujen sovituskertoimet
1
T2'
T2'
T1'
T1
2
T2'
T2
T1'
T1'
Lämpötila
(K)
300
Helium
Vety
Ilma
0.29
0.29
0.8-0.9
77
0.42
0.53
1.0
0.59
0.97
1.0
20
Kryogeniikka Risto Mikkonen
8
Täten
T2
T1
1
1
1 T2'
1
2




T1'
Fa
Sovituskerroin Fa analoginen emissiviteettikertoimen kanssa.
Sisäkkäiset sylinterit / pallot
Jäännöskaasun johtumislämpövirrantiheys on pintaan kohdistuvan molekyylien massavirran tulo
molekyylien liike-energian muuotoksella kerrottuna.
Q g m

e
A
A
1
Fa
1
1
A1
A2
1
Kineettinen kaasuteoria
1

m
A
2
Kryogeniikka Risto Mikkonen
V
4
9
Kineettinen kaasuteoria ...
Molekyylien todellinen keskinopeus
8 gc k T
V
Jäännöskaasu kautta tapahtuva lämmönjohtuminen sisäkkäisten sylinterien ja pallojen tapauksessa
Q g
A1
1
1
gc k
Fa p T2 T1
8 T
Kryogeniikka Risto Mikkonen
10
Esimerkki
Nestehappea säilytetään pallon muotoisessa astiassa, jossa
ulkoastian sisäsäde on 1.6 m ja sisäastian ulkosäde 1.2 m.
Astioiden väliin imetään 1.5 mPa:n tyhjiö. Sisäastian emissiviteetti on 0.04 ja ulkoastian 0.09. Mikäli ulkoastian lämpötila on 300 K ja sisäastian 90 K, määritä kokonaislampökuorma nestetilaan.
Kryogeniikka Risto Mikkonen
11
Emissiviteettikerroin sisäkkäisille palloille
1
Fe
1
A1
A2
1
1
1
D1
D2
2
1
A1
A2
1
1
0.9097
2
Jäännöskaasun johtumislämpövirta
1
2
0.03259
2
D12 Fe T24 T14
1
Fa
1
1 gc k
1 8 T
Q g
Täten nettolämpösäteily
(F1-2 = 1 ja A1= D12)
Q r
1
1
2
1
Sovituskerroin
1
2
A1 Fa p T2 T1
= 1.52 W
67.16 W
Siis
Q t
Kryogeniikka Risto Mikkonen
Q r
Q g
68.68 W
12
Harjoitus 1
Edellisessä esimerkissä tyhjiötilaan asetetaan säteilysuoja, jonka
halkaisija on 1.4 m. Määritä kokonaislämpövirta nestehappeen,
kun säteilysuojan lämpötila on keskimäärin 200 K ja emissiviteetti 0.06.
Harjoitus 2
Kahden levyn välitila on täytetty vetykaasulla. Levyjen lämpötilat ovat 300 K ja 77 K. Mihin tyhjiötasoon levyjen välinen tila
tulisi imeä, jotta jäännöskaasun johtumislämpövirran tiheys on
35 W/m2? Vetykaasulle ominaislämpösuhde = 1.40.
Kryogeniikka Risto Mikkonen
13
Supereriste
a
1
hs
N/ x
3
2
T
2
1
T1
T2
2
Kryogeniikka Risto Mikkonen
T1
1
T2
14