TECHNIKI NISKOTEMPERATUROWE W MEDYCYNIE

„Przechowywanie cieczy kriogenicznych i rodzaje izolacji cieplnych” Imię i nazwisko: Olga Gałązka i Mateusz Pawelec Rok akademicki: 2011/2012 Semestr: II magisterski Kierunek: Inżynieria Mechaniczno-Medyczna Data: 28.12.2011 r.

W każdym urządzeniu kriogenicznym istnieje konieczność izolowania obszarów niskotemperaturowych od dopływów ciepła z otoczenia. Skuteczność działania izolacji cieplnych istotnie wpływa na parametry pracy urządzeń kriogenicznych i koszty ich eksploatacji. Począwszy od prac Jamesa Dewara, rozwój izolacji kriogenicznych często decydował o stosowaniu niskich temperatur w coraz to nowszych dziedzinach techniki i nowych technologiach [1]. W zagadnieniach wymiany ciepła rozróżnia się trzy zasadnicze jej rodzaje [2]:  Przewodzenie ciepła;  Konwekcja;  Promieniowanie. Podział ten wynika z odmienności mechanizmu przenoszenia energii cieplnej. W rzeczywistości powyższe rodzaje wymiany ciepła w czystej postaci spotykamy niezwykle rzadko. Z reguły występują one w pewnych kombinacjach, które uwzględnia się w obliczeniach [2]. Przewodzenie ciepła to zjawisko, które polega na wymianie energii przez bezpośrednią styczność cząstek ciała. Należy pamiętać, że w cieczach i ciałach stałych (dielektrykach) przenoszenie energii odbywa się za pośrednictwem fal sprężystych, w gazach – drogą dyfuzji atomów i cząstek, natomiast w metalach przez dyfuzję wolnych elektronów [2]. Pojęcie konwekcji odnosi się do przenoszenia energii drogą mieszania się cząsteczek i występuje zawsze jednocześnie z przewodzeniem ciepła. Zjawisko to zachodzi tylko w cieczach i gazach i zależy w dużym stopniu od stanu i rodzaju cieczy [2]. Zjawisko rozchodzenia się energii w postaci faz elektromagnetycznych nazywamy promieniowaniem ciepła. W odróżnieniu od przewodzenia i konwekcji promieniowania nie wymaga ośrodka materialnego, w którym mogłoby się rozchodzić, gdyż może się ono także rozchodzić w próżni. Promieniowanie ciepła różni się od przewodzenia i konwekcji tym, że wiąże się ono ze zmianą energii cieplnej na energię promieniowania i odwrotnie (energii promieniowania na cieplną). Wymiana ciepła przez promieniowanie może być często pomijana przy umiarkowanych temperaturach, a jej wpływ staje się coraz większy w miarę wzrostu temperatury ciał wymieniających ciepło, co wynika z charakteru zależności ilości

energii wypromieniowanej od temperatury ciała wysyłającego. Energia promieniowania przenosi się z prędkością równą prędkości światła, co wnioskujemy z elektromagnetycznego pochodzenia tej energii [2]. Istnieje podział na 2 główne rodzaje izolacji cieplnych: izolacje termiczne wypełnione gazem i izolacje próżniowe. W

urządzeniach

kriogenicznych

służących

do

krótkotrwałego

przechowywania

skroplonych gazów lub ich przesyłu na niewielkie odległości stosuje się izolacje cieplne wypełnione gazem. Izolacje takie wykonuje się w postaci pianek izolacyjnych lub izolacji proszkowych. [1] Pianki izolacyjne charakteryzują się zamkniętą strukturą komórkową powstałą na skutek rozprężania dużej ilości gazów wewnątrz porów polistyrenu, poliuretanu, gumy lub krzemionki. Gazami stosowanymi do wytwarzania struktury komórkowej w materiałach pierwotnych są fluorowodory lub CO2. Udział fazy stałej w objętości pianki jest niewielki i wynosi około 2%. Pozostałą objętość tworzą zamknięte komórki o średnicy od 0,01 do 0,1 mm. W temperaturach kriogenicznych gaz wypełniający komórki ulega skropleniu, a następnie zestaleniu, wytwarzając w ten sposób w komórkach pianek próżnię i poprawiając ich własności izolacyjne. Niewątpliwą zaletą pianek jest ich niska cena i łatwa technologia wykonania [1]. Gazowe izolacje proszkowe można uzyskać przez wypełnienie przestrzeni izolacyjnej proszkami takimi jak perlit, wermikulit, krzemionka koloidalna, szklane kulki (tzw. mikrosfery) lub granulki aerożelu. Dzięki obecności proszków w przestrzeni izolacyjnej konwekcja jest praktycznie wyeliminowana, a promieniowanie silnie ograniczone. Materiały proszków charakteryzują się niewielką przewodnością cieplną, a powierzchnie kontaktu pomiędzy poszczególnymi ziarnami są niewielkie [1]. Skuteczność gazowych izolacji proszkowych maleje wraz ze wzrostem ich gęstości nasypowej powodującym wzrost powierzchni kontaktu pomiędzy poszczególnymi ziarnami proszków, a w konsekwencji poprawę warunków przewodzenia ciepła przez ciało stałe. Poprawę ich własności izolacyjnych można uzyskać przez wytworzenie w przestrzeni wypełnionej proszkiem próżni, bo głównym mechanizmem przenikania ciepła przez proszkowe izolacje gazowe jest jego przewodzenie przez gaz [1].

Istotą izolacji próżniowej jest zastosowanie naczynia o podwójnych ściankach, pomiędzy którymi wytworzona zostaje próżnia. Powierzchnie ścianek od strony próżni powinny cechować się możliwie niską emisyjnością. Pomiędzy ściankami nie powinny występować mostki cieplne. Po obniżeniu ciśnienia gazu poniżej pewnego poziomu, ilość przewodzonego ciepła przez ten gaz jest wprost proporcjonalna do jego ciśnienia. W konsekwencji uzyskując odpowiednio niskie ciśnienie, przy braku mostków cieplnych, można w przestrzeni oddzielającej kriogen od otoczenia uzyskać warunki, w których ilość przewodzonego ciepła przez gaz staje się pomijalnie mała, a ciepło jest przekazywane jedynie na drodze promieniowania. Obniżenie ilości ciepła przekazywanego przez promieniowanie wymaga stosowania materiałów o niskiej emisyjności lub pokrywania wewnętrznych powierzchni naczyń próżniowych takimi materiałami [1]. Izolacje próżniowe stosuje się w konstrukcjach charakteryzujących się niewielkimi gabarytami, a wartość emisyjności powierzchni materiałów uczestniczących w wymianie ciepła zmniejsza się wraz ze spadkiem temperatury. W takich warunkach pracy izolacja próżniowa często okazuje się najlepszym rozwiązaniem pod względem zdolności izolacyjnych. Wadą tych izolacji jest duża czułość na poziom próżni, a nawet niewielki wzrost ciśnienia gazu powoduje znaczny wzrost ilości ciepła dopływającego do powierzchni izolowanej [1]. Drugim rodzajem izolacji próżniowej jest izolacja proszkowo-próżniowa, gdzie ciśnienie gazu powinno zostać obniżone do takiego poziomu, aby droga swobodna cząstek gazu była większa niż odległość między ziarnami proszków. Utrzymywanie próżni na odpowiednim poziomie wymaga, aby materiały izolacyjne nie uwalniały w dłuższym okresie czasu gazów powodujących degradację próżni, dlatego typowymi wypełnieniami takich izolacji są perlit, aerożele oraz mikrosfery szklane. Stosowanie izolacji próżniowych wypełnionych materiałami włóknistymi jest sporadyczne i bardzo rzadkie w porównaniu z izolacjami proszkowo-próżniowymi. Izolacje proszkowo-próżniowe znajdują zastosowanie głównie do izolowania zbiorników z ciekłymi składnikami powietrza i metanem oraz kriogenicznych kolumn rektyfikacyjnych. Nie są one stosowane w instalacjach helowych. Ponadto są podstawowym sposobem izolowania dużych zbiorników magazynowych skroplonych gazów, z wyjątkiem helu. Obecność proszków w przestrzeni próżniowej jest korzystna ze względów konstrukcyjnych, ponieważ stanowią one podporę zbiornika wewnętrznego [1].

Wielowarstwowa izolacja próżniowa jest trzecim rodzajem izolacji próżniowej. Polega ona na umieszczeniu w przestrzeni próżniowej od kilku do kilkudziesięciu biernych ekranów radiacyjnych o niskiej emisyjności powierzchni (rys. 1). Ekrany takie rozdziela się przekładkami wykonanymi z materiałów o małej przewodności cieplnej, natomiast powierzchnie materiałów stosowanych jako ekrany radiacyjne powinny cechować się niską emisyjnością, dlatego stosuje się na nie: srebro, złoto, miedź i aluminium. Obecnie ekrany wykonuje się głównie z folii polietylenowych pokrytych jednostronnie lub dwustronnie warstwą aluminium. Ze względu na bardzo dobre właściwości izolacyjne wielowarstwową izolację próżniową nazywa się superizolacją [1].

Rys. 1. Wielowarstwowa izolacja próżniowa: schemat ideowy [1]. Na rysunku 2 zaznaczone zostały przybliżone wartości przewodności cieplnej izolacji stosowanych obecnie w chłodnictwie i kriotechnice. W zakresie temperatur chłodniczych stosuje się w zasadzie wyłącznie pianki izolacyjne i izolacje wypełnione gazem. Izolacje te są również sporadycznie używane w urządzeniach kriogenicznych, takich jak linie przesyłowe cieczy kriogenicznych lub zbiorniki służące do krótkotrwałego przechowywania skroplonych gazów. Graniczną temperaturą wykorzystania pianek i izolacji wypełnionych gazem jest temperatura ciekłego wodoru. Do izolacji obiektów o temperaturach kriogenicznych stosuje się niemal wyłącznie izolacje próżniowe, a w szczególności wielowarstwowe izolacje próżniowe [1].

Rys. 2. Pożądana wartość przewodności cieplnej k izolacji w zależności od poziomu temperatury kriostatowania T0, przy założeniu, że W/A=1W/m2 oraz orientacyjne zakresy temperatur, w których stosowane są poszczególne rodzaje izolacji [1].

Bibliografia 1. Chorowski M.: „Kriogenika podstawy i zastosowania“. 2. Wesołowski A.: „Urządzenia chłodnicze i kriogeniczne oraz ich pomiary cieplne”, Wydawnictwa Naukowo-Techniczne, Warszawa 1980.