C1-Tehnologii Criogenice .Ppt

5/26/2018 C1-Tehnologii Criogenice .Ppt

1/28

C1- Tehnologii criogenice 1

Tehnologii

criogenice

Prof. Liana Hancu


2/28


Bibliografie

Tplag, I., Berce, P., Iancu, H., Cherebeiu, T.,Achima, Ghe., Vermean, G.: Criogenia n Construciade Maini, Editura Dacia, Cluj-Napoca 1988.

Liana HANCU, Horaiu IANCU, Gheorghe ACHIMA,

Criogenie i maini frigorifice. ndrumtor pentru lucrride laborator, Editura ALMA MATER, 2003, 104 pagini,ISBN 973-8397-33-2.

Stamatescu Cornel, Criogenie tehnica,Editura Tehnica,

Bucuresti, 1982

Prof. Liana Hancu


3/28


Definitii Criogenia- are ca obiect frigul adanc Scaderea temperaturii unui sistem in conditii exterioare

impuse, se produce odata cu scaderea entropiei sistemului Entropie= mrime termodinamicde stare, care reflectireversibilitatea proceselor fizice macroscopice. Entropie= mrime care, n termodinamic, permite evaluarea

degradarii energiei unui sistem.

Scaderea se realizeaza pana la zero absolut (273,15C),care este punctul de pe scara termodinamica la careenergia termica a unui sistem isi atinge minimul, in sensulca nu se mai poate extrage caldura din sistem.

Criogenia este ansamblul tehnicilor folosite pentru : producerea, stocarea utilizarea gazelor lichefiate.

Prof. Liana Hancu


4/28

C1- Tehnologii criogenice 4Prof. Liana Hancu


5/28


Proprietile lichidelor criogenice

Lichidulcriogenic

Tvap

Tt

l

gH

vT

cP

cV

c

[K] [K] [K] [atm]

3He 3,19 - 58 25,6 7,53 3,32 1,15 24,3

4He 4,215 - 125 16,9 20,5 5,25 2,26 14,4

H2 (p) 20,27 13,80 71 1,338 445,4 32,98 12,76 31,82

D2 (p) 23,63 18,69 161 2,30 305,3 38,3 16,28 14,97

T2 (p) 25,04 20,6 257 3,14 231 40,4 18,3 9,2

Ne 27,09 24,6 1236 9,58 86,2 44,4 26,9 2,07

N2 77,3 63,1 809 4,614 199 126,2 33,5 3,18

CO 81,6 68,1 790 4,5 216 132,9 34,5 3,32

F2

85,0 53,48 1502 5,63 175 144,3 51,5 1,74

Ar 87,3 83,8 1394 5,8 163 150,8 48,0 1,90

O2 90,2 54,4 1140 4,47 213 154,6 50,4 2,29

CH4 111,6 90,68 423 1,82 510 190,5 45,4 6,14

Kr 119,7 115,9 2200 8,33 108 210,1 54,0 1,28

Tvap- temperatura de vaporizare (sau lichefiere) la 1 atmosfer;

Tt - temperatura punctului triplu unde coexistn echilibru fazele gazoas, lichidi

solid;

l- densitatea lichidului la Tvap;

g- densitatea gazului la Tvap;

Hv - schimbul de entalpie datoritvaporizrii (cldura latentde vaporizare);

Tc, P

c, V

c

- temperatura critic, respectiv presiunea critici volumul critic.

3dm

g

3dm

g

gJ

gcm3

Prof. Liana Hancu


6/28



7/28


Azotul lichid Aspect fizic : lichid incolor, inodor Punct de fierbere: -196 C

Temperatura critica: - 147 C Densitate relativa in stare gazoasa (aer=1): 0.97 Densitate relativa in stare lichida (apa=1): 0.8 Temperatura de autoaprindere: nu se aplica Alte date : Gazul este mai greu decat aerul (idem pentru vapori). Se

acumuleaza in spatii inchise, la nivelul solului, sau in spatii aflate sub nivelulsolului (pivnite, canalizari).

n cazul inhalarii: La concentratii mari poate cauza asfixierea. Simptomele acesteia sunt:

pierderea mobilitatii motrice si a cunostintei. Victima nu poate sesiza pericolulde asfixiere.

Contactul cu pielea sau ochii: Ochii se vor clati cu apa cel putin 15 minute.In cazul arsurilor reci, locurile afectate se vor clati cu apa la temperaturacorpului (37- 38 0 C) cel putin 15 minute. Locurile afectate vor fi pansate cupansamente sterile. Apelati la consult medical.

n cazul ingestiei :Nu se considera cale de contact.

Prof. Liana Hancu


8/28

C1- Tehnologii criogenice 8Instalatie pentru lichefierea azotuluiProf. Liana Hancu


9/28


Heliu lichid Heliul lichid, cu punct de fierbere la 3,19 sau 4,2 K servete pentru

obinerea celor mai joase temperaturi

Heliuleste elementul chimic cu numrul atomic 2 i este reprezentatprin simbolul He. Este un gaz ce este primul n grupa sa n tabelul periodic al elementelor

si este: monoatomic

inert, incolor, inodor, insipid,.

Are cel mai sczut punct de fierbere i cel mai sczut punct de topire

dintre elementele chimice i se prezintdoar n stare gazoas, n afaraunor condiii extreme. Heliul este ideal pentru utilizarea ca agent criogenic ntr-o serie de

aplicaii tehnologice de ultimor, care includ supraconductivitatea nimagistica prin rezonanmagnetic(MRI), n rezonana magneticnuclear(RMN), n fizica particulelor i n alte aplicaii criogenice.

Prof. Liana Hancu


10/28


ISTORIC Etapa I- Punerea in evidenta Inceputul: eclipsa din 18 august 1868 - punerea in evidenta a heliului de

catre francezii Jansen si Lockyer prin analiza spectrala a radiatiilor emisede soare

1877- se pune in evidenta fenomenul de lichefiere a aerului de catreCaillet in Franta (care produce ceata de aer lichid) si de Pictet in Elvetia(care obtine oxigen lichid in cantitati mici)

1880- la Universitatea din Cracovia se obtine oxigen lichid in cantitatisuficiente pentru a putea fi studiat

1881- la Universitatea din Cracovia se obtine ceata de hidrogen lichid Etapa II- Pastrarea 1888- DArsonval, in Franta construieste primul criocontainer vas de

sticla cu peretii dubli si vid intre ei, destinat pastrarii gazelor lichefiate

1892- in Anglia James Dewar perfectioneaza criocontainerul si introduceun ecran pentru micsorarea radiatiei termice prin argintatrea unuia dinpereti, asigurand in acest fel pastrarea mai indelungata a fluidelorcriogenice.

Prof. Liana Hancu


11/28


Etapa III- Aplicatii industriale 1895 se infiinteaza Compania Linde 1898- James Dewar reuseste sa lichefieze hidrogenul 1902- se infiinteaza Societatea Lair liquid, unde se produc cantitati

industriale de aer lichid

1907- Linde construieste prima statie de lichefiere a aerului inAmerica 1914- Ramsey si Crookes pun in evidenta heliul in sisturi

bituminoase 1933- prin metoda de demagnetizare adiabatica se ating temperaturi

sub 0,1K 1933 sovieticul Kapitza inventeaza turbina de detenta pentrulichefactorul de heliu fapt care face posibila producerea industriala acestuia.

Etapa IV- Cercetari fundamentale si dezvoltarea aplicatiilor

-anii 1940- studiul materialelor pentru determinarea caracteristicilorsi utilizarea lor la temperaturi criogenice -aplicatii diverse in domenii multiple

Prof. Liana Hancu


12/28


Aplicatii Arborele criogenic (Oshima) 1- tehnica vidului 2- chimie 3- fizica 4- termodinamica tehnica 5- Constructii de masini 6- Electrotehnica 7- Electronica 8- Criotehnica

9- Siguranta in exploatare 10- Randament 11- Supraconductori 12- Tehnica masurarilor 13- Circuite electronice 14- Campuri magnetice 15- Acceleratoare magnetice 16- Aplicatii medicale !&- Aplicatii in industria alimentara 19- Biologie 20- Aeronautica

21- etc.Prof. Liana Hancu


13/28


EXEMPLE DE APLICATII Sisteme de propulsie a rachetelor (oxigen si hidrogen lichid) Sisteme de propulsie nucleara (se utilizeaza hidrogenul lichid) Aplicatii in comunicatii spatiale Construirea unor circuite supraconductoare cu mai mult de 10.000.000.000

elemente/cm2 de memorie, numite criotoni Lagare de alunecare cu coeficient de frecare =0 Motoare supraconductoare cu pierderi electrice si mecanice practic

neglijabile Biologie: Conservare sange sau alte tesuturi vii

Medicina: bisturiul criogenic, operatii Alimentatie: conservari de alimente, Tehnica: frigidere, echipamente pentru aer conditionat, calculatoare etc. Tehnologie:

aschiere, debavurare, recuperare, asamblare, deformari plastice, tratamente termice

Prof. Liana Hancu


14/28

Operatiicriogenice

Se realizeaza operatii folosind procedeul de distrugere a tumorilor prin racire latemperaturi criogenice. Procedeul are la baznghearea tumorii la -196 de grade C.Aceasta se dezghea, procesul provocand ndeprtarea celulelor tumorale deoarecepermeabilitatea membranei celulare este alterat, iar celulele maligne se distrug.

Utilizare frecventa: procedeul de distrugere a cancerului de prostatprin criogenie.Acesta are riscuri mult reduse, intervenia nefiind sangerand, i mai ales nu producemodificri funcionale semnificative, cum fac tehnicile clasice, zona canceroasfiindsingura distrus, iar vindecarea are o ratfoarte mare, ntr-un timp foarte scurt.



15/28

Conservarea de sange si organe



16/28

Racirea tesuturilor vii



17/28

Cosmetica criogenica

Prof. Liana Hancu 17C1- Tehnologii criogenice


18/28

Sauna criogenica



19/28

Congelare umana



20/28

Casca criogenica

Casca criogenica a fost dezvoltata de cercetatorul Jullian Preston-Powers, in varsta de 44de ani, si mare pasionat, inca din adolescenta, de motociclism. Ideea dezvoltarii acesteicasti inedite i-a venit in urma unui accident pe care l-a suferit la un joc de baschet

Institutul Sussex Innovation Centre din Brighton, Marea Britanie, a lansat o casca pentrumotociclisti, care raceste creierul la un eventual accident si ar putea salva in acest fel mii devieti in fiecare an.

Numita Therma Helm, casca vine echipata cu un dispozitiv care actioneaza precum unrefrigerator instant, ori de cate ori se produce un impact brusc. Prototipul castii criogenicese afla in dezvoltare de peste trei ani la institul Sussex Innovation Centre. Acesta esterealizat din materiale compozite pe baza de fibre carbon si un activator crio, bazat pe oreactie chimica intre apa si amoniac. Costul este de 299 de lire sterline si, conform

cercetatorilor, reduce substantial riscul leziunilor cerebrale cauzate in urma accidentelor demotocicleta. C1- Tehnologii criogenice 20Prof. Liana Hancu


21/28

Superfluiditate


-Heliul lichid iese din container (in pofidagravitatiei) si curge pe pereti-Superfluidele au vascozitate zeroSuperfluiditatea este o faz a materiein

care anumite fluide suprarcite, n specialheliu-4 i heliu-3, manifestuncomportament straniu, ca i cnd forelede atracie i frecare interne nu ar exista

Fierbere violenta Superfluid

Prof. Liana Hancu


22/28

Supraconductibilitatea Supraconductibilitatea este un fenomen n care rezistivitatea electrica a unui material tinde lazero, dactemperatura sa este mai micdect o anumitvaloare specificmaterialului, numittemperaturcritic.

Fenomenul a fost observat pentru prima datde ctre in 1911. Studiind dependena de

temperatura mercurului, s-aobservat c sub o anumit temperatur, apropiatdetemperatura heliului lichid (4,2 K), rezistivitatea scade brusc ctre zero. Ulterior s-a pututdetermina o temperaturcriticpentru diferite elemente chimice simple i compuse.

S-a observat de asemenea c, dacse aplicsupraconductorului un cmp magnetic,fenomenul de supraconductibilitate dispare la o anumitintensitate a cmpului, numit

intensitate critc. Aceasta depinde de asemenea de material i de temperatur. Aplicatii

Magnei supraconductori Bobine realizate din materiale supraconductoare, care pot genera cmpuri magnetice cu valori de 6-14 T la temperatura

He lichid. n criostate performante, utiliznd supraconductori de temperaturjoasse pot atinge valori de peste 20 Tesla.

Transport de energie

Trenurile MAGLEV -Biomagnetism: aparaturde rezonanmagnetic(computer tomograf) -Sub influena cmpuluimagnetic foarte mare, moleculele de hidrogen sunt excitate si elibereazenergia primit, aceasta fiind prelucratulteriorntr-o imagine.

Domeniul informaticii: se speculeazapariia unor microprocesoare cu o frecvende 4000 de ori mai mare dect o auprocesoarele actuale



23/28

Magneti supraconductori


initial se raceste

dupa racire Un conductor electric care permitecurentului sa circule fara rezistenta latemperaturi foarte joase.

Efecte ale racirii:Efectul Meissner, (respingere)Levitatie magnetica

Prof. Liana Hancu


24/28

Temperatura la care rezistena electricdevine nulse numetetemperaturcritic(Tc) i variazde la un material la altul. Stareade supraconductibilitate este atinsde obicei prin rcirea diverselormateriale cu heliu sau azot lichid.

Exemple de temperaturi critice: din categoria metalelor - Tc-zinc =0.88 K, Tc-aluminiu =1.19 K, Tc-mercur

=4.15 K, din categoria materialelor ceramice: YBa2Cu3O7 (YBCO-oxid de

cupru, ytriu i bariu ) are Tc=91K, iar n cazul compusuluiTlBaCaCuO - Tc=125K. Supraconductoriireprezint un tip de conductori electrici a cror

rezistendevine practic nulla temperaturi mai mici dect valori

specifice materialelor din care sunt construii. Aceastproprietate permite dezvoltarea unor tehnologii precum:

vehicule propulsate prin levitaie magnetici care funcioneazfolosind supraconductibilitatea la temperaturi ceva mai ridicate,vehicule silenioase, care se deplaseaz fr frecare i care suntfoarte uor de accelerat. C1- Tehnologii criogenice 24Prof. Liana Hancu


25/28


Vasul DEWAR

Prof. Liana Hancu


26/28



27/28


-

1. Rezistenelectric2. Vas Dewar3. Supapde siguran4. Muf

5. Robinet manual6. Electroventil

7. Piesa8. Scula9. Traductor

10. Regulator de temperatur

Instalatiecomplexa

Prof. Liana Hancu


28/28


Caracteristicile mecanice alematerialelor la temperaturi criogenice In general scaderea temperaturii duce la :

Cresterea caracteristicilor de rezistenta Rezistenta la rupere Limita de curgere

Se micsoreaza indicatorii de plasticitate Alungirea

Gatuirea Clasificarea materialelor d.p.v. al comportarii la temperaturi

criogenice: Oteluri carbon si slab aliate Oteluri bogat aliate (austenitice)

Metale si aliaje neferoase Imbinari sudate Materiale plastice

Prof. Liana Hancu

Documents

C1-Tehnologii Criogenice .Ppt