Zbiorniki na ciekły azot (dewary)

Zbiorniki na ciekły azot-historia

Przez pierwsze 840 lat tysiąclecia kriogenika zajmowała się głównie gromadzeniem, przechowywaniem i wykorzystaniem lodu. Od około 1840 roku technologia chłodnicza zaczęła się rozwijać, wykorzystując niebezpieczne płyny, takie jak eter etylowy, amoniak i dwutlenek siarki. Wynalezienie chłodziarki powietrznej Bell-Coleman napędzanej parą powietrzną w 1877 r.  było przełomem, który umożliwił rozwój chłodnictwa statkowego do transportu mrożonego mięsa z Australii, Nowej Zelandii i Ameryki Południowej do Europy. Maszyna Bell-Coleman była brytyjskim (szkockim) wynalazkiem i doprowadziła bezpośrednio do dominacji handlu mrożonym mięsem przez brytyjskie statki przez następne 100 lat lub dłużej.

Przełomem w magazynowaniu i transporcie było wynalezienie dewara w 1892 w Londynie w  Wielkiej Brytanii przez Jamesa Dewara.

Profesor chemii James Dewar w Royal Institution w Londynie w 1877 roku, próbował rozwiązać dwie przeszkody w rozwoju kriogeniki w tamtych czasach. Pierwszą przeszkodą był całkowity brak zrozumienia procesów wymiany ciepła i sposobu, jak osiągnąć izolację termiczną. Drugi problem stanowił brak podstawowych danych o właściwościach płynów do wytwarzania niskich temperatur. Przez piętnaście lat postęp w badaniach był powolny. Przełom nastąpił w 1892 roku gdy naukowiec był w stanie zastosować swój wynalazek posrebrzanego, szklanego naczynia próżniowego o podwójnych ściankach do zmagazynowania po raz pierwszy cieczy kriogenicznych przez stosunkowo długi czas, zanim wyparują. Pomysł izolacji próżniowej był używany przez James’a Dewara i innych już w 1873 roku. Następnie naukowiec pokazał, w jaki sposób może uzyskać znaczną redukcję napływu ciepła, wprowadzając do przestrzeni próżniowej proszki, takie jak węgiel drzewny, czerń lampowa, krzemionka, tlenek glinu i tlenek bizmutu – pierwsze izolowane próżniowo izolacje proszkowe. James Dewar odkrył również, że trzy zwoje blachy aluminiowej nie były tak skuteczne, jak posrebrzane powierzchnie. Gdyby poszedł o krok dalej, aby zastosować kolejne zwoje aluminium, odkryłby zasadę wielowarstwowej izolacji, która jest lepsza niż srebrzenie. Niemniej jednak jego odkrycie srebrzenia, jako skutecznego środka zmniejszającego składową promieniowanego strumienia ciepła, było przełomem.

Od 1802 roku szklana kolba James’a Dewara szybko stała się standardowym pojemnikiem na ciecze kriogeniczne, co w późniejszych latach doprowadziło do udanego skraplania wodoru i helu. Dewar miał duże trudności ze znalezieniem kompetentnych dmuchaw do szkła i był zmuszony zlecić wykonanie ich w Niemczech. Odkrycie przez niemieckiego dmuchacza Mullera z Coburn, że posrebrzany termos może być również używany do utrzymywania temperatury mleka przez noc do karmienia jego dziecka, doprowadziło do dużego komercyjnego rozwoju, Thermos Flasche, do utrzymywania temperatury płynów. Produkcja termosów szybko stała się ważnym przemysłem, najpierw w Niemczech, a następnie w Wielkiej Brytanii i USA.

James Dewar nigdy nie opatentował swojej posrebrzanej kolby próżniowej i nigdy nie czerpał korzyści finansowych ze swojego wynalazku.

Po wynalezieniu dewara w 1892 roku konstrukcja zbiorników do przechowywania cieczy kriogenicznych nie zmieniła się przez ponad 60 lat, aż rosnąca dostępność helu w latach pięćdziesiątych XX wieku doprowadziła do zastosowania go w otwartych kriostatach bez osłony ciekłym wodorem.

Jednym z ulepszeń w stosunku do zbiornika na ciekły azot James’a Dewara było odkrycie w Southampton w Wielkiej Brytanii osłony radiacyjnej chłodzonej parą w 1969 roku.

Dalsze badania konwekcji w szyjkach dewara doprowadziły do ​​odkrycia przepływów warstwy granicznej o dużej zdolności przenoszenia ciepła do ściany szyjki, wraz z przepływem wstecznym w rdzeniu kolumny pary. Analiza ilościowa tych badań doprowadziła do ustalenia kryteriów projektowych dla geometrii ścian szyjki chłodzonych parą, aby osiągnąć minimalne tempo parowania helu. Kryteria te są obecnie standardowo stosowane przy projektowaniu pojemników na wszystkie ciecze kriogeniczne.

Kolejne ulepszenie zbiorników na ciekły azot James’a Dewara  zostało opracowane dopiero w latach pięćdziesiątych XX wieku, gdy pojawiły się wymagania dotyczące lekkiej izolacji kriogenicznych materiałów pędnych dla rakiet kosmicznych. Ulepszeniem tym była technika MLI z ewakuowaną izolacją wielowarstwową. Od tego czasu technika MLI stała się standardową izolacją w większości zbiorników i zbiorników do przechowywania cieczy kriogenicznych.

W ciągu mniej niż 30 lat nastąpił kolejny przełom – izolacyjność poprawiła się 1000-krotnie w porównaniu z pierwszym zbiornikiem na ciekły azot wynalezionym przez James’a Dewara. Poprawa izolacji doprowadziła do pojawienia się dzisiejszych miniaturowych chłodnic kriogenicznych, zdolnych do pochłaniania przepływu ciepła resztkowego przez izolację przy braku cieczy kriogenicznej.

Zbiorniki na ciekły azot (dewary) – informacje

Dewary do kriogenicznego przechowywania są to wyspecjalizowanego typu termosy używane do przechowywania cieczy kriogenicznych (takich jak ciekły azot, ciekły hel, ciekły tlen ), których punkty wrzenia są znacznie niższe niż w temperaturze pokojowej.

Zbiorniki te mogą być wykorzystywane do przechowywania próbek w cieczy kriogenicznej (ciekły azot, ciekły tlen) albo do przechowywania, transportu i pobierania cieczy kriogenicznej.

Kriogeniczne zbiorniki dewarowe mogą przybierać różne formy i posiadają różne pojemności. Wszystkie dewary mają ściany zbudowane z dwóch lub więcej warstw, z zachowaną wysoką próżnią między warstwami. Zapewnia to bardzo dobrą izolację termiczną między wnętrzem a zewnętrzem zbiornika, co zmniejsza szybkość wrzenia zawartości. Przy projektowaniu dewarów podjęto środki ostrożności, aby bezpiecznie zarządzać gazem uwalnianym podczas powolnego wrzenia cieczy. Najprostsze dewary pozwalają na ucieczkę gazu przez otwartą górę lub przez luźny korek, aby zapobiec ryzyku eksplozji. Bardziej wyrafinowane dewary zatrzymują gaz nad cieczą i utrzymują go pod wysokim ciśnieniem. Zwiększa to temperaturę wrzenia cieczy, umożliwiając jej przechowywanie przez dłuższy czas. Nadmierne ciśnienie pary jest automatycznie uwalniane przez zawory bezpieczeństwa. Sposób dekantacji cieczy z dewara zależy od jego konstrukcji.

Ciekły azot.

Ciekły azot jest formą pierwiastkowego azotu, który jest wystarczająco zimny, aby istnieć w stanie ciekłym. Ciekły azot wykorzystywany jest w wielu zastosowaniach chłodniczych i kriogenicznych.

Ciekły azot jest produkowany komercyjnie w wyniku destylacji frakcyjnej ciekłego powietrza. Podobnie jak azot, składa się z dwóch atomów azotu, które mają wspólne wiązania kowalencyjne (N₂ ). Pod normalnym ciśnieniem ciekły azot wrze w temperaturze 77 K (-195,8 ° C lub -320,4 ° F). Współczynnik rozszerzalności cieczy do gazu w azocie wynosi 1: 694, co oznacza, że ​​ciekły azot wrze i bardzo szybko wypełnia objętość azotem. Azot jest nietoksyczny, bezwonny i bezbarwny. Jest stosunkowo obojętny i nie jest łatwopalny. Azot jest nieco lżejszy od powietrza, gdy osiąga temperaturę pokojową. Jest słabo rozpuszczalny w wodzie.

Azot po raz pierwszy skroplili 15 kwietnia 1883 r. polscy fizycy Zygmunt Wróblewski i Karol Olszewski.

Ciekły azot ze względu na niską temperaturę i niską reaktywność ma wiele zastosowań. Ciekły azot wykorzystywany jest między innymi do kriokonserwacji próbek biologicznych.

Ciekły azot jest przechowywany w specjalnych izolowanych pojemnikach, które są wentylowane, aby zapobiec wzrostowi ciśnienia.