Autorzy:Maciej Chorowski

Wydawca: I.P.P.U. MASTA Sp. z o.o.

Rok wydania: 2007

Cena: 79

ZAMÓWIENIE

      Słowo kriogenika pochodzi od słów greckich "kruos" co oznacza "zimno" i "genos" - "pochodzenie" lub "tworzenie", a pojęcie to zostało zaproponowane przez Heike Kamerlingh-Onnesa, który po raz pierwszy skroplił hel w roku 1908, a następnie odkrył zjawisko nadprzewodnictwa w roku 1911. Obecnie pojęcie kriogenika stosuje się na określenie metod uzyskiwania i wykorzystywania temperatur niSszych od 120 K, a dokładnie 111,1 K, tj. temperatury wrzenia metanu pod ciśnieniem normalnym. Temperatura wrzenia ciekłego metanu jest umowną granicą wyodrębniająca kriogenikę z chłodnictwa ustanowioną w 1971 roku przez XIII Międzynarodowy Kongres Chłodnictwa. Przedmiotem kriogeniki są więc zjawiska zachodzące w temperaturach bardzo niskich w porównaniu z temperaturą otoczenia wynoszącą około 300 K.
      Książka "Kriogenika - podstawy i zastosowania" autorstwa Macieja Chorowskiego stanowi przystępnie napisane wprowadzenie w dziedzinę uzyskiwania i wykorzystywania niskich i bardzo niskich temperatur. W zwięzły sposób podane są podstawy termodynamiczne uzyskiwania temperatur kriogenicznych, ze szczególnym zwróceniem uwagi na trzecią zasadę termodynamiki, wskazującą zarówno na nieosiągalność temperatury zera bezwzględnego, jak i dążenie do zera w bardzo niskich temperaturach takich wielkości fizycznych jak ciepło właściwe czy moduł sprężystości. Omówione są termodynamiczne metody optymalizacji urządzeń i systemów kriogenicznych wynikające z drugiej zasady termodynamiki i oparte o zasadę minimalizacji produkcji entropii. W książce rozważone są wszystkie wykorzystywane w praktyce procesy prowadzące do uzyskania niskich temperatur, zarówno stosowane do skraplania gazów takich jak hel, wodór, neon, składniki powietrza i metan, jak i umożliwiające uzyskiwanie temperatur poniżej 1 K np. poprzez adiabatyczne rozmagnesowanie soli paramagnetycznych, rozcieńczanie 3He w nadciekłym 4He czy adiabatyczne zestalanie 3He. Książka zawiera przystępnie podane schematy i opisane zasady działania skraplarek i chłodziarek kriogenicznych z uwzględnieniem nowoczesnych konstrukcji wykorzystujących regeneratory wykonane z materiałów magnetycznych w chłodziarkach Gifforda-McMahona oraz mieszaniny azotu i węglowodorów w chłodziarkach Joule-Thomsona. Omówione są podstawy niskotemperaturowych metod rozdziału mieszanin gazowych, w tym destylacji powietrza stanowiącego podstawowe źródło pochodzenia tlenu, azotu i argonu. Podane są sposoby uzyskiwania helu z gazu ziemnego oraz metody skraplania gazu ziemnego, którego uzyskiwanie, transport i magazynowanie stanowią bardzo dynamicznie rozwijającą się dziedzinę wykorzystywania technologii kriogenicznych. W obszerny sposób omówione są izolacje stosowane kriogenice, których efektywność często decyduje o opłacalności stosowania technologii kriogenicznych. Książka przedstawia niektóre z problemów związanych z kriostatowanie urządzeń nadprzewodzących, w tym magnesów stosowanych np. w tomografach wykorzystujących zjawisko rezonansu magnetycznego. Ponieważ w przeważającej większości instalacji kriogenicznych stosuje się skroplone gazy, które po uwolnieniu do atmosfery kilkusetkrotnie zwiększają swoja objętość, w otoczeniu urządzeń kriogenicznych mogą zaistnieć zagrożenia dla ludzi wynikające z niskich temperatur lub wyparcia tlenu przez odparowujące czynniki kriogeniczne. W opracowaniu podano istotne dla bezpieczeństwa własności ciekłych gazów w niskich temperaturach oraz zasady posługiwania się takimi gazami jak również reagowania na przypadki awaryjne. Książka przeznaczona jest zarówno dla czytelników pragnących uzyskać podstawową wiedzą na temat kriogeniki jak i dla inżynierów praktyków stosujących technologie kriogeniczne i posługujących się skroplonymi gazami w laboratoriach, przemyśle, rolnictwie, przetwórstwie żywności oraz innych dziedzinach.
Spis treści:

SPIS WAŻNIEJSZYCH OZNACZEŃ

1 Wstęp
1.1 Rys historyczny rozwoju kriogeniki
1.2 Zastosowania kriogeniki

2. Własności czynników kriogenicznych
2.1. Gazy uzyskiwane z powietrza, ozon i fluor
2.2 Metan i skroplony gaz ziemny
2.3 Hel
2.4 Wodór

3. Termodynamiczne podstawy uzyskiwania temperatur kriogenicznych
3.1. Trzecia zasada termodynamiki i jej znaczenie w fizyce oraz technice niskich temperatur
3.1.1 Konsekwencje trzeciej zasady termodynamiki
3.2 Temperatura a energia wewnętrzna ciała, energia stanu zerowego
3.3. Procesy prowadzące do obniżenia temperatury ciała
3.3.1 Oziębianie zewnętrzne i wewnętrzne
3.4. Uogólniony proces oziębiania wewnętrznego ciała
3.5. Zmiany entropii ciał w wybranych odwracalnych procesach izotermicznych
3.5.1 Izotermiczne sprężanie gazu doskonałego
3.5.2 Magnesowanie substancji paramagnetycznej
3.5.3 Wydłużenie taśmy gumowej
3.6. Termodynamiczna ocena możliwości wykorzystania procesu do uzyskiwania niskich temperatur
3.7 Efektywności termodynamiczne chłodziarek kriogenicznych

4. Procesy oziębiania wewnętrznego
4.1. Rozprężanie izentropowe z wykonaniem pracy zewnętrznej
4.1.1 Rozprężarki tłokowe
4.1.2 Rozprężarki turbinowe
4.2 Dławienie izentalpowe
4.2.1 Zawory dławiące
4.3 Wypływ swobodny ze stałej objętości
4.4 Ekspansja gazu przy stałej energii wewnętrznej
4.5 Obniżenie temperatury cieczy przez odparowanie
4.5.1 Obniżanie ciśnienia nad parami helu
4.6 Adiabatyczne rozmagnesowanie paramagnetyków
4.6.1 Adiabatyczne rozmagnesowanie jądrowe
4.6.2 Substancje magnetyczne służące do uzyskiwania temperatur powyżej 1 K
4.7 Rozcieńczanie 3He w 4He, chłodziarki rozcieńczalnikowe
4.8 Adiabatyczne zestalanie 3He (efekt Pomerańczuka)

5. Skraplanie gazów kriogenicznych
5.1 Idealny proces skraplania gazów. Praca minimalna
5.2 Dobór ilości stopni wielostopniowej skraplarki kriogenicznej oraz pośrednich poziomów temperatur
5.2.1 Wpływ pośrednich poziomów temperatury skraplarek wielostopniowych
5.3 Skraplarki z rekuperacyjnymi wymiennikami ciepła
5.3.1 Stopień skraplarki z zewnętrznym Żródłem oziębiania
5.3.2 Stopień skraplarki z rozprężarką
5.3.3 Stopień skraplarki z zaworem dławiącym
5.4. Stopnie chłodziarek z rekuperacyjnymi wymiennikami ciepła
5.4.1. Stopień chłodziarki z zewnętrznym Żródłem oziębiania
5.4.3. Stopień chłodziarki z dławieniem
5.5 Obliczanie parametrów obiegu wielostopniowej skraplarki lub chłodziarki kriogenicznej
5.6 Chłodziarki i skraplarki Joule'a-Thomsona
5.6.1. Bilans skraplarki Joule'a-Thomsona
5.6.2. Bilans chodziarki Joule'a-Thomsona
5.7 Skraplarki Claude'a
5.7 Skraplanie wodoru

6. Kriogeniczne chłodziarki gazowe
6.1. Chłodziarki Stirlinga
6.2. Chłodziarki Gifforda – MacMahona
6.3. Chłodziarki Solvaya
6.4. Rury pulsacyjne

6.5. Chłodziarki Vuilleumiera-Taconisa
6.6 Chłodziarki z rekuperacyjnymi wymiennikami ciepła

7. Rozdział mieszanin gazowych
7.1 Minimalna praca rozdziału mieszaniny gazowej
7.2 Termodynamiczne podstawy kriogenicznego rozdziału mieszanin gazowych
7.3 Kriogeniczne kolumny rektyfikacyjne
7.4 Rozdział powietrza na składniki
7.4.1. Kriogeniczne instalacje rozdziału powietrza
7.4.2. Niekriogeniczne metody rozdziału powietrza
7.5 Niskotemperaturowe procesy wydzielania helu z gazu ziemnego
7.6. Wytwarzanie wodoru, rektyfikacja deuteru


8. Wybrane zagadnienia wymiany ciepła w niskich temperaturach
8.1 Przewodzenie ciepła w niskich temperaturach
8.2 Konwekcja
8.3 Wymiana ciepła przez promieniowanie
8.4 Wymiana ciepła przy wrzeniu cieczy kriogenicznych

9. Kriogeniczne izolacje cieplne
9.1 Izolacje termiczne wypełnione gazem
9.1.1 Pianki izolacyjne
9.1.2 Gazowe izolacje proszkowe
9.2 Izolacje próżniowe
9.2.1 Izolacje proszkowo - próżniowe
9.3 Wielowarstwowa izolacja próżniowa
9.4 Izolacje próżniowe z czynnymi ekranami

10. Wybrane zagadnienia kriostatowania przewodników
10.1 Zjawisko nadprzewodnictwa i podstawowe własności nadprzewodników
10.2. Kriostatowanie wysokopolowych magnesów wykonanych z nadprzewodników niskotemperaturowych
10.2.1 Nasycony hel I
10.2.2 Hel nadkrytyczny
10.2.3 Nadciekły hel II
10.2.4 Przewodność cieplna helu II
10.2.5 Konwekcja wymuszona jednofazowego nadciekłego helu II
10.2.6 Przepływ dwufazowy nasyconego helu II
10.2.7 Opór cieplny Kapicy
10.2.8 Otrzymywanie He II w instalacjach kriostatowania nadprzewodników
10.3. Kriostatowanie urządzeń wykonanych z nadprzewodników wysokotemperaturowych
10.3.1 Technologie cienkowarstwowe wytwarzania taśm z nadprzewodników wysokotemperaturowych
10.3.2 Technologie rurkowe wytwarzania taśm z nadprzewodników wysokotemperaturowych
10.3.3. Optymalizacja temperatury pracy kabli nadprzewodzących

11. Wybrane kierunki rozwoju urządzeń i systemów kriogenicznych
11.1 Wykorzystanie mieszanin gazów w kriogenicznych chłodziarkach Joule'a-Thomsona
11.2 Skraplanie gazu ziemnego
12. Optymalizacj aurządzeń systemów kriogenicznych metodą minimalizacji generowania entropii
12.1 Wewnętrzne Żródła entropii w systemach kriogenicznych
12.1.1 Ciepło rozpraszane w niskich temperaturach
12.1.2 Rozprężanie gazu, przepływ ze spadkiem ciśnienia
12.1.3 Wymiana ciepła w temperaturach kriogeniczny