Сосуд дьюара описание. Сухой лед. жидкий азот. оборудование. Строение сосуда Дьюара

Криогенная техника - это такое специальное оборудование, которое позволяет производить, долго хранить и транспортировать различные газы. При этом, одной из главных составляющих этого оборудования считается сосуд Дьюара.

Что это такое?

Этот предмет представляет собой сосуд особого типа, необходимый для хранения различных веществ, температура которых отличается от температуры откупающей среды (пониженная или повышенная). Именно с помощью таких сосудов и удается долгое время хранить вещества с нужными температурными показателями. В целом, сосуд Дьюара действует по типу знакомого всем бытового термоса.

Строение сосуда Дьюара

Для обеспечения низкой тепловодности сосуд Дьюара изготовляется по особой технологии. Состоит он из 2 резервуаров:

• внешнего;
• внутреннего.

Обе эти емкости изготовлены из теплостойкого алюминия, однако в некоторых случаях в качестве основного материала может выступать нержавеющая сталь. Между резервуарами предусмотрены перемычки. Они должны быть одновременно тонкими и достаточно прочными. Такие характеристики может обеспечить нержавеющая сталь, но в последнее время ее все чаще заменяют специализированным прочным пластиком. Существуют и другие особенности, позволяющие увеличить эффект от использования сосуда Дьюара.

Внешний резервуар покрывается абсорбентом. Такая дополнительная защита позволяет эффективно поглощать газы, которые выделяются веществом из внутренней части сосудов.

Слой теплоизоляции на внешнем сосуде позволяет снизить теплопроводность до минимальных показателей.

Особую подготовку проходит и внутренний сосуд - его тщательно полируют для придания идеальной гладкости. На крышке устанавливается пенопластовый цилиндр, препятствующий началу процесса конвекции.

Цистерны Дьюара

Разработка сосудов Дьюара заметно повлияла на хранение и транспортировку различных веществ, среди которых, и жидкий азот. Хранить и транспортировать вещества в больших объемах позволяют большие емкости, которые и получили название «цистерны». Они могут иметь разный объем, достигающий 50 л. В зависимости от цели применения, можно выбрать, как совсем маленький, так и большой резервуар.

Отличительной характеристикой этого сосуда являются максимально прочные стенки наличие ручек для удобной переноски. Транспортировка цистерн с помощью ручек максимально удобна и безопасна даже с учетом низких температур транспортируемого вещества - холодный ожог рукам не грозит.

Сферы применения сосудов Дьюара

Цистерны, позволяющие хранить и транспортировать вещества с низкими температурами, получили широкое распространение. Особенно это касается перевозки и хранения в них жидкого азота. Так, купить сосуд Дьюара можно совершенно для разного применения.

1. Медицина. Жидкий азот нашел применение в нейрохирургии, гинекологии, оториноларингологии, нейрохирургии, хирургии и других направлениях. С его помощью удаляют злокачественные и доброкачественные опухоли и разные патологические ткани. При этом, процедура проходит быстро и безболезненно, а после нее не остается шрамов.
2. Косметология. В этом направлении азот получил не меньшую популярность. С его помощью удается избавиться от папиллом и бородавок. Азотом проводится криомассаж, в результате которого кожа приобретает здоровый цвет, гладкость и молодость. Криосауны - еще одно место, где без сосуда Дьюара просто не обойтись. Всего за 2-3 минуты нахождения в кабинке с жидким азотом, человек может начать эффективно худеть, омолодиться, улучшить состояние своей кожи.
3. Ветеринария. Цистерны Дьюара в этой сфере могут послужить контейнером для транспортировки биоматериалов (используются для искусственного оплодотворения животных).
4. Лаборатории. Жидкий азот применяется в научных компаниях и лабораториях. Кроме того, такой контейнер необходим для сохранения многих веществ в определенной температуре.
5. Машиностроение и промышленность. Довольно часто азотом пользуются для достижения повышенной прочности металлических деталей.
6. Приготовление еды. Молекулярная кухня… Для этих кулинарных изысков, основанных на физико-химическом процессе, тоже придется купить сосуды Дьюара. Именно с участием жидкого азота возникают химические реакции. Для ресторанов, работающих в традиционном направлении приготовления еды, азот тоже пригодится. Он помогает моментально охладить продукты.
7. Развлечения. Цистерны Дьюара - то, без чего невозможны многие развлекательные шоу для детей и взрослых.

Учитывая все вышесказанное, можно заключить: Такое криогенное оборудование, как сосуд Дьюара, широко распространен во многих отраслях промышленности и науки. Более того, спрос на него неуклонно растет.

Джеймс Дьюар (1842-1923) был шотландским физиком и химиком, жившим в Лондоне. За свою жизнь он успел удостоиться множества премий и медалей, сделать неимоверное количество открытий, многие из которых сыграли важную роль в развитии точных наук. Среди его достижений в физике примечательным считается вклад в изучение сохранения температуры при помощи созданного им устройства, которое носит название «сосуд Дьюара». Этот агрегат предназначен для хранения различных веществ при повышенных или пониженных температурах.

История создания

Сосуд Дьюара является модернизированной версией устройства, которое было разработано немецким ученым Вейнхольдом. При этом он имеет значительные отличия. Изобретение Вейнхольда имело вид стеклянного ящика с двойными стенками, а Дьюар значительно изменил такую конструкцию. По аналогии с ящиком, его устройство также было двустенным, между стенками этого устройства был создан вакуум, и они были посеребрены, а для того чтобы уменьшить испарение жидкости, горло устройства было сужено.

Применение

На сегодняшний день производство сосудов Дьюара достигло промышленных масштабов, поскольку они используются повсеместно не только в различных индустриях, но и в быту. Мало кому известно, что термос также является сосудом Дьюара. Что касается промышленности, то здесь чаще всего используются сосуды Дьюара для и других криожидкостей. Также это устройство часто применяется в ветеринарии и медицине для хранения различных биологических материалов.

Поскольку у различных видов сосуда разные цели, то и используются они по-разному, хотя во всех случаях перед тем как поместить содержимое в сосуд, необходимо довести его до соответствующей температуры, т. е. нагреть или охладить. Температура вещества, которое находится внутри устройства, сохраняется благодаря двум факторам: теплоизоляции и происходящим с ним процессам.

Термос

Самым известным и популярным видом сосуда Дьюара является термос. В начале XX века Рейнольд Бургер немного видоизменил это устройство, чтобы сделать его пригодным для бытового использования. Стеклянную колбу поместили в металлический корпус, сделав ее тем самым безопасной и более долговечной, а заглушку, которая устанавливалась на сосуд Дьюара, заменили пробкой и крышкой.

Изначально изобретатель рассчитывал, что такое устройство будет использоваться для хранения пищи, но в результате термос стал популярным именно благодаря тому, что он мог продолжительное время сохранять температуру напитков. Днем рождения термоса можно считать 30 сентября 1903 года, поскольку именно в этот день Бургер получил патент на свое изобретение и приступил к производству.

Хотя на этом история не заканчивается. Дьюар, который узнал о том, что модернизированная версия его устройства получила коммерческий успех и помогла Бургеру прилично заработать, подал иск в суд. Но поскольку его устройство не было запатентовано, суд не удовлетворил его требований.

Сосуд Дьюара, изобретенный шотландским ученым, обрел широкую популярность почти сразу после своего появления на свет и не теряет ее по сей день. Он широко применяется как в промышленности, так и в быту, что делает его одним из самых важных

В 1879 году немецкий физик А. Вайнхольд был озадачен сугубо научной проблемой: как хранить в лабораториях жидкий или даже твердый водород с температурой плавления аж -259,2 °С. Нужен был сосуд, сохраняющий столь низкую температуру даже в теплом помещении. Выход был найден. Ученому пришла идея соединить два тонкостенных стеклянных сосуда, поместив один в другой, спаять герметично горлышки, а из пространства между ними откачать воздух. Таким образом, вакуум сохранял температуру внутренней емкости, не позволяя ей нагреваться или охлаждаться (по такому же принципу действуют привычные оконные стеклопакеты ). Будучи к тому же еще и опытным стеклодувом, физик без труда , а результат подробно описал в своей книге «Демонстрационные опыты по физике», скромно назвав изобретение «бутылкой Вайнхольда». Спустя несколько лет его шотландский коллега Джеймс Дьюар совершенствует изделие, посеребрив внутренние стенки сосуда, для лучшего сохранения температуры. И «бутылка» превращается в «сосуд Дьюара».

Но на этом усовершенствования не закончились. Немецкий стеклодув Бюргер, долгое время производивший колбы для лабораторий, отметил, что сосуд Дьюара может быть полезен не только в науке, но и в быту.

В 1903 году Бюргер немного доработал вакуумный сосуд шотландца, облачив хрупкое стекло в металлическую оболочку, снабдив его функциональной крышкой-чашкой и первым из троих разработчиков догадался запатентовать изобретение. Вскоре был объявлен конкурс на лучшее название для новинки . Немцы активно предлагали различные замысловатые названия для сосуда. Однако победителем оказался житель Мюнхена, вспомнивший греческое слово therme (горячий). Так термо-сосуд, ровно как и фирма, занявшаяся его производством обрели свое имя . В 1904 году немецкая фирма THERMOS GMBH начинает серийный выпуск сосудов Дьюара, с этого момента именуемых не иначе, как термосы.

Естественно, создатель термоса, Джеймс Дьюар, пытался доказать права на изобретение, к тому времени уже приносившее серьезный доход. К сожалению, справедливости ученый так и не добился, единственным разработчиком, указанным в патенте так и остался Рейнгольд Бюргер.

С тех пор прошло больше ста лет. Сейчас можно выбрать термос любой емкости и расцветки, в металлическом, пластиковом и даже стеклянном корпусе. А, например, в советское время практически в каждой семье был большой жестяной термос красного или синего цвета, украшенный цветами или изображением восходящего солнца. Яркий и блестящий, на советской кухне он хранился на виду как предмет интерьера. Немецкие термосы до Союза не доезжали, зато без труда можно было купить китайский аналог. Большая часть привозимых в страну термосов производилась на пекинской фабрике «Олень». Вообще-то иностранные названия фирм обычно транскрибируют, а не переводят, но «Олень» решил оставить в тени свое китайское название, войдя на западный рынок как Bejiing Deer (пекинский олень). Таким образом жестяной китаец с немецким именем вошел в нашу жизнь.

По большому счету, с тех времен конструкция термоса не изменилась, за исключением маленькой, но очень важной детали — пробки. Она, в отличие от верхней крышки-чашки, не завинчивалась. Дело в том, что внутренний сосуд китайского термоса состоял из стекла и не имел резьбы. Так что использовалась исключительно крышка-затычка, как правило деревянная. Естественно, такой сосуд нельзя было переворачивать, что не всегда возможно на природе или в дальних поездках .

Сейчас существует огромное разнообразие марок и разновидностей термосов: для еды, напитков, термокружки. Одним словом, прогресс не стоит на месте. Впрочем, для многих это не просто предмет, а теплое напоминание о приятных событиях: поездке на природу с друзьями, дальнем путешествии или зимней прогулке.

Видео Что такое термос?

Сосуды Дьюара помогают хранить вещество при температуре, имеющей пониженное либо повышенное значение. Одним из главных качеств подобного устройства является его низкая теплопроводность. За счет этого температура может сохранять свое исходное значение. Кроме того, активизации данного фактора способствуют также процессы разной направленности, протекающие в самом веществе.

Современная конструкция сосуда

Изготавливаются сосуды сосуды дьюара так… Оба стакана - и тот, что находится внутри, и тот, что снаружи, выполняются из теплостойкого алюминия. Иногда в качестве основного компонента может выступать нержавеющая сталь. Главным свойством вещества для помещения его в сосуд является удельный вес. Между двумя стаканами располагается перемычка. Она должна быть достаточно прочной, но в то же время достаточно тонкой. Изготавливаться она может из нержавеющей стали или из прочнейшего пластика (новейшие тенденции).

Перед изготовителями постоянно встает вопрос об обеспечении вакуумного уплотнения благодаря имеющемуся креплению. Для этого тот сосуд, что находится снаружи, покрывается особым веществом - адсорбентом. Такое вещество способно поглощать излишние выделившиеся внутри сосуда газы. Чтобы снизить теплопотери, сосуд дополнительно покрывают теплоизоляционным материалом. Чтобы снизить возможный процесс конвекции, к крышке крепят цилиндр из пенопласта, который перекрывает перемычку, но делает это не полностью. Все те газы, которые имеют низкое давление, откачиваются из области вакуума. Поверхность изнутри тщательно отполирована.

Гелиевые сосуды Дьюара

Применение гелия для использования его в конструкции сосуда обусловлено низкими теплопотерями. Поэтому данный вид сосуда экранируют гелием, охлаждаемым при этом жидким азотом. Для экрана же применяют металлы, хорошо проводящие тепло. У такого сосуда Дьюара можно наблюдать две перемычки: одна делается для жидкого азота, другая - для гелия. Гелиевая перемычка снабжается также сбросовыми штуцерами, разъемами для подключения манометра и сифона. Такие методы контроля позволяют нагнетать определенное давление и контролировать производимые манипуляции.

Сфера применения сосудов Дьюара

Сосуды Дьюара любой человек применяет почти каждодневно в своем быту, порой об этом совершенно не подозревая. Обыкновенный термос является моделью сосуда, адаптированной для сохранения чая, кофе и других напитков. Сосуды Дьюара используются для экспериментальных исследований, помогая сохранять вещества в охлажденном состоянии. Кроме того, данное оборудование позволяет оставлять неизменными биологические образцы для их использования в медицине.

Цистерны Дьюара

Цистерны различных типов используются для транспортировки охлажденных веществ на некоторое расстояние. Принцип их изготовления идентичен, только увеличены объемы по сравнению с обычными сосудами. Основа, которая делает мобильные цистерны дьюара возможными к применению - стенки с двойным дном. Материалом для изготовления стаканов является сталь, из нее же выполняются перемычки. В качестве охлаждающей среды используется жидкий азот, экранироваться цистерна может гелиевым слоем. Цистерны Дьюара помогают сохранять качества охлажденного вещества в их изначальном состоянии.

Теплоизоляция сосудов Дьюара

Прежде использовались две модели обеспечения теплоизоляции сосуда: вакуумная, и экранирование сосуда гелием вкупе с охлажденным азотом. Обе модели были весьма действенными, но в обоих случаях могли наблюдаться очень незначительные некоторые моменты, требующие доработки. В частности, при возможной утечке газа и нарушении целостности оболочки обнаружить ее было практически невозможно. Использование криогенной жидкости различного рода позволяет увеличить безопасность при применении сосуда. Ведь в случае слишком большой потери исходного продукта сосуд способен взорваться из-за разницы давления внутренней и внешней среды.

Теплоизоляция трубопроводов для перекачивания азота

Азот относится к числу веществ, требующих постоянного контроля при перекачивании и транспортировке. Поэтому и теплоизоляция для трубопроводов, контактирующих с данным газом, должна быть соответствующая. Чаще всего теплоизоляция трубопроводов сегодня выполняется в виде жидкого керамического материала . Множество не видимых глазу силиконовых шариков, заполненных кислородом, непрерывно движутся внутри жидкой консистенции. Основой для такой жидкости служат полимеры акрила, синтетический каучук, элементы неорганики. Данная комбинация способствует большей гибкости, большей надежности материала. Такой жидкий материал обычно бывает белого цвета. Сохнет он достаточно быстро, образуя необходимую защитную пленку.

Новый метод теплоизоляции

Благодаря вводимым в эксплуатацию технологиям (применение жидкой теплоизоляции) по транспортировке и хранению азота и иных веществ производство сосудов Дьюара также должно стать гораздо дешевле. При этом польза от применения устройств в практических целях заметно возрастет. Это касается и цистерн, и малых сосудов изготовленных по одному тому же признаку.

Термос изобретен усилиями трех человек на протяжении четверти века. В 1879 году физик профессор А. Вайнольд предложил использовать для сохранения жидких газов двустенный сосуд из стекла с вакуумом между стенками. В 1890 году английский химик профессор Джеймс Дьюар усовершенствовал «бутылку Вайнхольда», посеребрив стенки, что ослабило утечку тепла через стенки. Наконец, в 1904 году берлинский стеклодув Р. Бургер добавил к сосуду Дьюара защитную оболочку и стал продавать его как термос для горячего кофе или бульона.

Сосуд Дьюара представляет собой резервуар «сосуд в сосуде», межстенное пространство которого заполнено многослойной изоляцией (алюминиевая фольга АДI-М-0,011 и стеклобумага - стекловуаль ЭВТИ-7) и откачан воздух при изготовлении до остаточного давления 10 (-4) мм.рт.ст. Для поддержания глубокого вакуума в межстенном пространстве расположены адсорбент и поглотитель водорода. Материал сосуда - алюминиевый сплав АМц, благодаря этому температура в верхней зоне сосуда Дьюара не поднимается выше минус 170 градусов цельсия даже при наличии в нем 5 кг. (12%) жидкого азота.

В настоящее время промышленно выпускается криогенное оборудование (греч. криос – холод, генос - рождение) разных типов и марок: сосуды Дьюара промышленные – СДП: СДП-5, СДП-10, СДП-16, СДП-25, СДП-40 и др. (цифра означает емкость сосуда в литрах); СД –сельскохозяйственные: СДС-5, СДС-20, СДС-30, Х-30 (Харьков-30) и др.; стационарные хранилища – ХСЖА, КВ-6202, ХБ-0,5 (на 500 л.), ХБ-0,2 (на 240 л.) и др.

Важнейшей характеристикой Сосуда Дьюара является срок полного испарения жидкого азота, который для всех СДП и СДС составляет 30-35 суток, а в сосудах старого типа АТ-6 – до 20 суток. Испаряемость жидкого азота от СДП-5 до СДП-40 составляет от 10 до 24 г/ч (4,8-1,8% в сутки!), в СДС-20, СДС-35, СДС-50 соответственно 10,12,14 г/ч.

Сосуды Дьюара нового поколения «СДС-35М» и СДС-6М – имеет более совершенную многослойную теплоизоляцию и высокий вакуум; внутренний и наружный слои из алюминиевого сплава соединены стеклопластиковой горловиной, при этом время полного испарения жидкого азота доходит до 300 и 48 суток соответственно, а испаряемость жидкого азота составляет 3,9 и 4,6 г/час. (См. Рис. Схема сосуда Дьюара).

Жидкий азот – это бесцветная жидкость, по внешнему виду напоминает воду. Температура кипения его -196 °C, удельный вес 0,804 кг/л, теплота испарения -47,7 ккал/кг. Из всех криогенных жидкостей, получаемых путем сжижения атмосферного воздуха (жидкий воздух, жидкий кислород -183 °C) жидкий азот наименее опасен, химически инертен. Испаряясь, он превращается в газообразный азот, который бесцветен, не имеет запаха, не горюч, его удельный вес 1,16 кг/м3, молекулярная масса 28; в атмосферном воздухе он содержится в количестве 79%. При длительном вдыхании воздуха с повышенным содержанием азота (уменьшение содержание кислорода менее 16%) у человека наблюдается головная боль, а при больших концентрациях азота (например, выливание азота из упавшего Сосуда Дьюара) – обморочное состояние. Поэтому в помещениях, где работают с жидким азотом, должна быть принудительная вентиляция. На пункте Сосуды Дьюара хранят в манеже, в специально отгороженном решеткой месте или лаборатории, на таком расстоянии от окна или двери, чтобы до него мог достать шланг для заправки жидким азотом.

При падении, ударах, резких толчках может произойти нарушение соединения внутреннего и наружного сосудов, так как они соединены только в области горловины, что сопровождается потерей вакуума, поэтому при транспортировке необходимо надежно закреплять Сосуд Дьюара в кузове машин. Первым признаком потери вакуума является обледенение, появление инея – образование «снеговой шубы» в области горловины кожуха Сосуда Дьюара, испарение жидкого при этом идет очень быстро. Категорически запрещается оставлять на отогрев такие сосуды Дьюара в помещение, где могут находится люди, так как увеличение давления в межстенном пространстве может привести к взрыву. Сосуды Дьюара, потерявшие вакуум, отогревают в течение не менее трех суток в изолированном помещении, а затем отправляют для ремонта на завод-изготовитель.

Особенности эксплуатации Сосудов Дьюара заключается в том, что оператор должен регулярно определять уровень жидкого азота в них. Первый замер производится через неделю, после доливки, второй – через неделю после первого. Результаты замеров фиксируются в журнале. Для обычных Сосудов Дьюара необходимо произвести третий замер, в течение третий недели после доливки, при этом необходимо записывать температуру окружающего воздуха, сколько раз открывался сосуд Дьюара. Определять уровень жидкого азота можно специальными металлическим щупом –мерной линейкой: её опускают в Сосуд Дьюара до дна и выдерживают 15-20 секунд, извлекают – замерзшая зона покажет количество азота в Сосуде Дьюара.