Rys historyczny:
1883 Karol Olszewski i Zygmunt Wróblewski skraplają powietrze, tlen i azot (77 K)
1898 James Dewar stosuje izolację próżniową i skrapla wodór (20,3 K)
1908 Kammerlingh Onnes skrapla hel (4,2 K) i odkrywa nadprzewodnictwo w rtęci
1911 Kammerlingh Onnes odkrywa nadprzewodnictwo w rtęci
1950 Collins uruchamia seryjnÄ… produkcjÄ™ skraplarek helu
1986 Bednorz i Mueller odkrywajÄ… nadprzewodnictwo wysokotemperaturowe (obecnie 135 K)
2010 Uruchomienie nadprzewodzÄ…cego akceleratora LHC w Genewie (ponad 2000
nadprzewodzących magnesów o łącznej długości 30 km)
2020 Planowane uruchomienie nadprzewodnikowego reaktora termojÄ…drowego ITER w Cadarache
Temperatury krytyczne nadprzewodników niskotemperaturowych
Al 1,2 K Ta 4,5 K
In 3,4 K V 5,4 K
Sn 3,7 K Pb 7,2 K
Hg 4,2 K NbTi 9,6 K
Efekt Meissnera. Linie pola magnetycznego, przedstawione za pomocą strzałek, są wypychane z
wnętrza nadprzewodnika znajdującego się poniżej temperatury krytycznej.
Chłodziarki Braytona:
Mechanizmy transportu ciepła
 Przewodzenie ciepła przez ciało stałe
 Przewodzenie ciepła przez gazy
1
Qg =ð A×ðlðg (ðT2 -ðT1)ð
L +ð l0
 Promieniowanie cieplne
Qr =ð A×ðsð ×ðeð '×ð(T14 -ðT24)
 Przewodzenia ciepła na styku dwóch ciał stałych
Izolacje termiczne
 Pianki izolacyjne wypełnione gazem
Ograniczenie przewodzenia ciepła przez c. stałych
 Materiały o niskiej przewodniości cieplnej
 2% frakcji stałej w całej objętości pianki
 Ścianki komórek o bardzo małej pow. przekroju
Ograniczenie konwekcji cieplnej gazów
 Małe wymiary komórek
Ograniczenie przewodzenia ciepła przez gazy
 Gazy o niskiej przewodności cieplnej
 W temp. kriogenicznych gazy w komórkach się skraplają  powstaje próżnia
Ograniczenia promieniowania cieplnego
 Małe różnice temp. pomiędzy przeciwległymi ściankam
Zalety:
 Niska cena
 Szeroko dostępne
Wady:
 Stosunkowo wysoka przewodność cieplna
 Wysoka kurczliwość termiczna
Zastosowanie:
 Krótkotrwale użytkowany sprzęt kriogeniczny
 Izolacja próżniowa
Ograniczenie przewodzenia ciepła przez gazy
 Wysoka próżnia
Ograniczenie promieniowania cieplnego
 Ścianki naczynia od strony próżni pokryte materiałem o niskiej emisyjności
Zalety:
 Stosunkowo łatwo wykonać  krótki czas wytwarzania próżni izolacyjnej
 Bardzo niskie wartości strumienia ciepła w niskich zakresach temperatur
Wady:
 Stosunkowo wysokie wartości strumienia ciepła w wysokich zakresach temperatur
 Duża czułość na poziom próżni
 Bardzo wysokie dopływy ciepła przy nagłej utracie próżni
Zastosowanie:
 Niewielkie urzÄ…dzenia kriogeniczne i fiolki laboratoryjne
 Urządzenia kriogeniczne o niewielkich objętościach przestrzeni próżniowej, gdzie nie jest
możliwe zastosowanie innej wysokoefektywnej izolacji termicznej.
 Izolacja proszkowa wypełniona gazem/próżniowa
Ograniczenie przewodzenia ciepła przez ciało stałe
 Niska przewodność cieplna proszków i włókien szklanych
 Duża długość i małe pow. przekroju poprzecznego włókien szklanych
 Cienkie ścianki mikrosfer szklanych
 Duże wartości oporu kontaktu pomiędzy ziarenkami proszków/ włóknami szklanymi
Ograniczenie konwekcji ciepła (izolacje wypełnione gazem)
 niewielki przestrzenie pomiędzy ziarnami proszków/włóknami szklanymi
Ograniczenie przewodnictwa cieplnego gazów (izolacje próżniowe)
 Wysoka próżnia
Ograniczenie promieniowania cieplnego
 Małe różnice temperatur pomiędzy ziarnami proszków/włókien
 Dodatki odblaskowe: Al, Cu, ZÅ‚oto
Co wpływa na parametry:
 Rodzaj wypełnienia
 Poziom próżni
 Wielkość ziaren proszków
 Gęstość proszków
 Ilość dodatków odblaskowych
Zalety:
 Niska przewodność cieplna (w dobrych warunkach próżniowych)
 Nie wymaga warunków próżni wysokiej
 Stosunkowo dobra efektywność izolacyjna w przepadku izolacji wypełnionych gazem
 Właściwości nośne (nie wymaga dodatkowych wsporników zbiorników wewnętrznych)
 Stosunkowo niskie koszty produkcji proszków i wytwarzania izolacji
 Proszki mają właściwości sorpcyjne  w przypadku wolnej degradacji próżni gaz
absorbowany jest na pow. proszków co pozwala na długotrwałe utrzymywanie dobry
warunków próżniowych
Wady:
 Potrzeba stosowania bardzo drobnych sit przy pompach próżniowych  znaczne wydłużenie
czasu wytwarzania próżni
 Zjawisko samokompresji proszków w wyniku cyklicznych skurczy termicznych zbiorników
wewnętrznych
Zastosowanie:
 Duże i bardzo duże systemy kriogeniczne (skraplarki gazów, kriogeniczne separatory gazów),
zbiorniki na gazy skroplone o wysokim cieple odparowania (LNG, N , O , Air, Ar)
2 2
 Aplikacje w których wytworzenie i utrzymywanie próżni wysokich jest trudne lub niemożliwe
 Wielowarstwowa izolacja próżniowa SUPERIZOLACJA
Materiał ekranów radiacyjnych:
 Materiał ekranów: jedno lub dwustronnie metalizowany Mylar, Kapton, Dracon, grubość
materiału: 5  75 mm
 MateriaÅ‚ powlekajÄ…cy: Al, ZÅ‚oto, Cu, srebro  gr. warstwy: 0.05 do 0.1 mm (500  1000 Å)
 Perforacja: średnica otworów 1  3 mm, pow. perforacji: 0.1  0.3% pow. całkowitej
Materiał przekładki:
 pojedyncza/podwójna siateczka jedwabna
 pojedyncza/podwójna siateczka nylonowa
 maty ze sprasowanych włókien szklanych
Inne rozwiÄ…zania:
 Ekrany radiacyjne są pogniecione lub  wygniecione  punktowy kontakt pomiędzy ekranami
przy braku przekładek
 Tylko jedna strona ekranu jest metalizowana  strona nie pokryta metalem stanowi
przekładkę
Ograniczenie przewodzenia ciepła przez ciało stałe
 Materiał przekładki o małym wsp. przewodzenia ciepła
 Specjalna konstrukcja przekładki  punktowy kontakt pomiędzy elementami przekładki
 Mała pow. Kontaktu pomiędzy przekładką i ekranem radiacyjnym lub pomiędzy ekranami
(przypadek ekranów pogniecionych lub  wytłoczonych )
Ograniczenie przewodzenia ciepła przez gazy
 Wysoka próżnia
Ograniczenie promieniowania cieplnego
 Stosowanie ekranów radiacyjnych
 Bardzo niska emisyjność pow. ekranów radiacyjnych
Co wpływa na parametry izolacji:
 Ilość ekranów radiacyjnych
 Rodzaj materiału powlekającego ekran
 Materiał i struktura przekładek
 Poziom próżni
 Gęstość upakowania ekranów radiacyjnych (ilość/cm grubości pakietu izolacyjnego)
 Stopień perforacji
 Umieszczenie pakietu izolacyjnego  przy pow. ciepłej/zimnej
Zalety:
 Najlepsza efektywność izolowania w szerokim zakresie temperatur
 Słaba czułość na wolną degradację próżni
 Dobre własności ochronne przy nagłej utracie próżni
Wady:
 Stosunkowo droga
 Długi czas wytwarzania próżni ze względu na odgazowanie materiałów
 Zbiorniki wew. wymagają dodatkowych wsporników  dodatkowe  mostki cieplne
Zastosowanie:
 Małe średnie i duże systemy kriogeniczne, zbiorniki kriogeniczne (również na He i H ),
2
aparatura badawcza i pomiarowa, chłodziarki kriogeniczne,
Systemy izolacyjne
 Ekrany radiacyjne ze skroplonymi gazami
 Ekrany radiacyjne chłodzone parami skroplonych gazów
Metody kriogeniczne separacji O
2 zalety i problemy
" Największe wydajności - efekt skali (sprawność termodynamiczna rośnie z wydajnością)
" Najwyższa jakość produktu - czystość
" Postęp technologiczny w wytwarzaniu podzespołów, modularyzacja
" Bezpieczeństwo
Równowaga fazowa mieszaniny binarnej
a'
c'
b'
a
b
c
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
Czysta A Czysta B
Mieszanina, % B
Metody chemiczne wytwarzania tlenu wykorzystują zdolność pewnych materiałów do
chemicznego wiązania tlenu w określonych warunkach temperatury i ciśnienia oraz jego desorpcji
przy zmianie tych parametrów. Absorbentami mogą być stopione sole (np. azotany i azotyny metali
alkalicznych) które wiążą tlen z powietrza oczyszczonego z wody i dwutlenku węgla oraz sprężonego
do 0,15 - 1 MPa.
Temperatura
Uproszczony schemat membranowej instalacji rozdziału powietrza
strumień
1 2 3 4
odpadowy
wlot produkt
powietrza końcowy
strumień
odpadowy
Membrany te są wytwarzane z materiałów ceramicznych i działają przy temperaturach
wyższych od 600 oC. Cząsteczki tlenu są jonizowane na powierzchni membran i następnie
przechodzą przez ich ścianki dzięki przyłożonej różnicy napięć lub różnicy ciśnień parcjalnych
tlenu. Jony tlenu są transportowane z dużymi wydajnościami i tworzą za membraną
praktycznie czysty tlen. Możliwe jest również wytworzenie gazu syntezowego bezpośrednio
za membranÄ… poprzez podanie tam metanu.
Metody magnetyczne separacji tlenu od azotu lub argonu wykorzystują fakt, że tlen
jest słabym paramagnetykiem, natomiast azot i argon są diamagnetykami. Wykorzystanie
paramagnetyzmu tlenu do jego separacji wymaga wytworzenia silnych pól magnetycznych
możliwych do uzyskania dzięki magnesom nadprzewodzącym. Obecnie metody magnetyczne
znajdują się we wczesnej fazie badań i nie mają znaczenia technicznego.
Procesy ułatwiające sekwestrację CO przy użyciu O :
2 2
·ð kotÅ‚y fluidalne/pyÅ‚owe nadkrytyczne w spalaniu tlenowym
·ð gazyfikatory IGCC
·ð gazowa turbina w spalaniu tlenowym
Przechowywanie czynników kriogenicznych
- dewary  pierwsze naczynia kriogeniczne. do 35l, ciśnienie atmosferyczne, naczynia
otwarte. Zatyka się je korkiem by nie dopuścić powietrza atmosferycznego i pary wodnej do
środka (wytworzy się lód)
- zbiorniki niskiego ciśnienia  do 1000l i 4 bar  naczynia zamknięte, jest zawór
bezpieczeństwa. Są wyposażone w płytkę bezpieczeństwa, która jest ostatnim poziomem
ratunku zbiornika. Pobór gazu parowy.
- zbiorniki wysokiego i bardzo wysokiego ciśnienia  do 1000l, do 37bar  poziom cieczy
mierzy się różnicą ciśnień
- zbiorniki stacjonarne wysokiego ciśnienia  5-100 m3, pionowe gdy mało miejsca, poziome
bezpieczniejsze
- kontenery transportowe
- cysterny
- zbiorniki do skroplonego helu niskiego ciśnienia  składa się z dwóch zbiorników jeden w
drugim, w środkowym jest hel a w zewnętrznym ciekły azot
- zbiorniki skroplonego helu do 1000 l
- kontenery do skroplonego helu do 40m3
Parownice gazowe
- parownice powietrzne  najczęściej stosowane
Zalety:
- nie potrzeba dodatkowego osprzętu
- siła konwekcji
Wady:
- zajmują dużo miejsca
- parownice woda-glikol
- parownice woda-glikol podgrzewane spalaniem gazu (systemy LNG)
- parownice elektryczne
Transfer skroplonych gazów
- linie transferowe  do wszystkich gazów poza helem  rura procesowa, izolacja, rura
transferowa
- transfer skroplonego helu
- miejscowy (przewody elastyczne)
- daleki  do 0,5 km
Thermal shield return line
External envelope
(SS1.4306, Ćð48.3×2)
(SS1.4301, Ćð406.4×4.78)
Thermal shield supply line
SHe supply line
(SS1.4306, Ćð48.3×2)
(SS1.4306, Ćð88.9×2.3)
GHe return line
Radiation shield
(SS1.4306, Ćð88.9×2.3)
(AW6060, Ćð300×4)
Technologie skroplonego gazu ziemnego LNG
- temp normalna -162p C (111K)
- ciecz bezbarwna, bezwonna
- nie oddziałowuje agresywnie na metale, nietoksyczna
- może dusić gdy odparowuje bo wypiera tlen
- zakres palności 5-15% obj.
- temp. samozapłonu 540p C
- składa się z 85-95% metanu
- im dłuższy dystans tym bardziej opłaca się rurociąg a nie transport morzem
Metody produkcji LNG:
- z zastosowaniem wymiennika ciepła z ciekłym azotem
1,5 kg azotu by skroplić 1 kg GZ
przy małej produkcji
- z zastosowaniem chłodziarki Joule a-Thomsona
- proces Prico
- z zastosowaniem chłodnicy Stirlinga
- z zastosowaniem azotowej turbiny rozprężnej
do średnich i dużych produkcji
- oparte na izentropowym rozprężaniu gazu ziemnego
- oparte na wykorzystaniu mieszaniny czynników DMR
- kaskadowy proces Conco-Phillipsa
3 osobne układy na których otrzymujemy coraz niższe temperatury
propan, etylen, metan
- proces AP-X
w bardzo dużych instalacjach
- proces MFC
oddzielne obiegi chłodnicze  w każdym obiegu zoptymalizowana mieszanka
czynników chłodniczych
- PCC chłodzenie wstępne
- LCC skraplanie
- SCC przechładzanie
Wymienniki ciepła LNG
- rurowe  gazowy GZ jest podawany na dole a z góry wypływa ciekły LNG
- płytowe
Transport LNG
- drogÄ… morskÄ… (zbiornikowce LNG ze zbiornikami membranowymi lub sferycznymi
Magazynowanie
- pojedyncza obudowa bezpieczeństwa
- podwójna obudowa bezpieczeństwa
- pełna obudowa bezpieczeństwa
- izolacja zbiornika z perlitu, a na dnie izolacja z pianki szklanej
Zjawisko rollover
gdy gęstość górnej warstwy stanie się wyższa od dolnej, może wystąpić gwałtowne
przemieszczanie się obu warstw  rollover. towarzyszy temu gwałtowne odparowanie
dlatego systematycznie przesuwa się gaz z dołu na górę by wyrównać gęstość i temp
Hel  właściwości
- posiada 2 izotopy 4He i 3He
- obydwa izotopy znajdują się w stanie ciekłym przy p<2,5 MPa i TH"0K
- nie ma punktu potrójnego
- 2 różne fazy ciekłe, hel normalny He I i hel nadciekły (superfluid) He II
- normalna temp wrzenia 4,224K
- ciepło parowania 21kJ/kg (relatywnie małe)
- gęstość cieczy 125kg/m3
Wykres fazowy:
Żródło:
- wszechświat składa się z ok. 24% helu
- hel stanowi 0,00052% atmosfery Ziemi
- na Ziemi hel pozyskuje się ze złóż gazu ziemnego  opłacalne od stężenia 0,2%
Zastosowanie:
- nadprzewodniki 28%
- inne 20%
- półprzewodniki 5%
- światłowody 7%
- analityczne/ wykrywanie wycieków 12%
- spawanie 12%
- balony i sterowce 16%
Metody skraplania helu:
- Skraplarka Onnesa z przechłodzeniem kaskadowym i ze stopniem Joule a-Thomsona  użyta
do pierwszego skroplenia helu w 1908
- hel sprężony >20 bar przez pompę rtęciową
- chłodzenie za pomocą LO2 (79K/1bar)
- regeneracyjny wym ciepła
- LH2 20K/1bar
- LH2 14K/0,07bar
- regeneracyjny wym ciepła
- dławienie na stopniu J-T do 4,2K/1bar
- Skraplarka Simona
- zbiornik helowy wypełniony jest helem o wys. p~150bar
- zbiornik helowy jest przechładzany do ok. 10K poprzez obniżenie ciśnienia par
- następnie ciśnienie helu jest powoli obniżane do 1bar
- Skraplarka Kapitzy z rozprężarką tłokową
- Skraplarka Collinsa  pierwsza komercyjne dostępna skraplarka helu
Oczyszczenie gazowego helu:
- zanieczyszczenia sprężonego helu
- inne gazy N2,O2,H2
- para wodna
- pary oleju sprężarki
- zagrożenia spowodowane zanieczyszczeniem
- ryzyko zablokowania przepływu helu
- ryzyko uszkodzenia zaworu J-T, rozprężarki i wymiennika ciepła
- ryzyko wzrostu ciśnienia
- systemy oczyszczania
- sita molekularne  usuwanie wilgoci