Prenos tepla je základný proces v rôznych vedeckých a priemyselných aplikáciách a porozumenie mechanizmu prenosu tepla v kryostate kvapalného dusíka je rozhodujúce pre jeho účinnú prevádzku. Ako popredný dodávateľ kryostatov z tekutých dusíka máme rozsiahle skúsenosti a hĺbkové znalosti o tomto predmete. V tomto blogu preskúmame mechanizmy prenosu tepla v kryostate kvapalného dusíka vrátane vodivosti, konvekcie a žiarenia.
Vedenie
Vedenie je prenos tepla cez materiál bez pohybu samotného materiálu. V kryostate kvapalného dusíka sa vedie vedenie v niekoľkých zložkách. Najprv zvážme steny kryostatu. Kryostat je zvyčajne vyrobený z materiálov s nízkou tepelnou vodivosťou, aby sa minimalizoval prenos tepla z vonkajšieho prostredia do kvapalného dusíka vo vnútri. Materiály, ako je nehrdzavejúca oceľ alebo určité polyméry, sa bežne používajú, pretože majú relatívne nízku tepelnú vodivosť v porovnaní s kovmi ako meď alebo hliník.
Vedenie tepla cez steny kryostatu možno opísať Fourierovým zákonom o tepelnom vedení: (q = -ka \ frac {dt} {dx}), kde (q) je rýchlosť prenosu tepla, (k) je tepelná vodivosť materiálu, a) je prierezová oblasť, prostredníctvom ktorej sa prenáša teplo, a (\ frac {}}) materiál.
Vo vnútri kryostatu zažívajú vedenie držiaka vzorky a akékoľvek ďalšie pevné komponenty v kontakte s kvapalným dusíkom. Napríklad, ak je vzorka umiestnená do držiaka a držiak je v priamom kontakte s kvapalným dusíkom, bude sa od vzorky do tekutého dusíka vykonávať teplo. Rýchlosť vedenia závisí od tepelnej vodivosti materiálu držiaka, teplotného rozdielu medzi vzorkou a kvapalným dusíkom a kontaktnej plochy medzi držiakom a kvapalným dusíkom.
Ďalším dôležitým aspektom vedenia v kvapalnom kryostade dusíka je vedenie prostredníctvom podporných štruktúr. Tieto štruktúry sa používajú na držanie rôznych komponentov na mieste, ale môžu tiež pôsobiť ako vedenie prenosu tepla. Aby sa tento účinok znížil, podporné štruktúry sú často navrhnuté s malá prierezová plocha a vyrobená z materiálov s nízkou tepelnou vodivosťou.
Konvekcia
Konvekcia je prenos tepla pohybom tekutiny. V kryostate tekutého dusíka existujú dva typy konvekcie: prirodzená konvekcia a nútená konvekcia.
Prirodzená konvekcia dochádza v dôsledku rozdielov hustoty v tekutine spôsobenej teplotnými zmenami. Keď sa zohrieva tekutý dusík v blízkosti teplých povrchov (ako je vzorka alebo steny kryostatu), stáva sa menej hustou a stúpa, zatiaľ čo chladnejšie, hustejšie kvapalné dusík klesá. To vytvára cirkulačný vzorec, ktorý prenáša teplo z teplých oblastí do chladnejších oblastí kvapalného dusíka.
Rýchlosť prírodnej konvekcie v kryostate kvapalného dusíka závisí od niekoľkých faktorov, vrátane teplotného rozdielu medzi teplými a studenými oblasťami, vlastností kvapalného dusíka (ako je hustota, viskozita a tepelná vodivosť) a geometriu kryostatu. Napríklad väčší teplotný rozdiel vo všeobecnosti bude mať za následok dôraznejší prirodzený tok konvekcie.
Nútená konvekcia môže byť prítomná aj v kryostate kvapalného dusíka. To sa dá dosiahnuť použitím čerpadiel alebo ventilátorov na cirkuláciu tekutého dusíka. Nútená konvekcia môže významne zvýšiť mieru prenosu tepla v porovnaní s prirodzenou konvekciou. Aktívnym pohybom tekutého dusíka sa teplé oblasti rýchlejšie ochladzujú a distribúcia teploty v kryostate sa stáva rovnomernejšou.
V niektorých pokročilých kryostatoch tekutého dusíka sa nútená konvekcia používa na zabezpečenie presnej regulácie teploty vzorky. Napríklad čerpadlo sa môže použiť na cirkuláciu kvapalného dusíka okolo držiaka vzorky, čo umožňuje rýchly prenos tepla a lepšiu teplotnú stabilitu.
Žiarenie
Žiarenie je prenos tepla cez elektromagnetické vlny. Všetky objekty emitujú tepelné žiarenie a množstvo emitovaného žiarenia závisí od teploty a emisivity objektu. V kryostate kvapalného dusíka dochádza k prenosu žiarenia medzi teplými zložkami (ako sú vonkajšie steny kryostatu pri teplote miestnosti) a studenými komponentmi (napríklad kvapalný dusík a vzorka).
Rýchlosť prenosu žiarenia tepla medzi dvoma objektmi sa dá vypočítať pomocou zákona o Stefan - Boltzmann: (Q = \ Epsilon \ Sigma A (T_1^4 - T_2^4)), kde (Q) je rýchlosť prenosu tepla (\ epsilon) je emisivita povrchu, (\ Sigma) je Stefan - boltzmanna konštantný ((5,67 \ times10^{-8} \ w/m^{2} k^{4})), (a) je povrchová plocha emitingového objektu, (T_1) je absolútna teplota teplejšieho objektu a (t_2) je absolútna teplota chladiča.
Na zníženie prenosu žiarenia tepla v kryostate kvapalného dusíka sa často používajú reflexné povrchy. Napríklad vnútorné steny kryostatu môžu byť potiahnuté vysoko reflexným materiálom, ako je hliník. Tento reflexný povlak odráža veľkú časť prichádzajúceho žiarenia, čím sa znižuje množstvo tepla, ktoré je absorbované tekutým dusíkom.
Okrem toho môžu byť štíty žiarenia umiestnené medzi teplé a studené oblasti kryostatu. Tieto štíty pôsobia ako prekážky prenosu žiarenia tepla, čo ďalej znižuje tepelné zaťaženie kvapalného dusíka.
Vplyv na výkon kryostatu
Pochopenie mechanizmov prenosu tepla v kryostate kvapalného dusíka je nevyhnutné na optimalizáciu jeho výkonu. Minimalizáciou prenosu tepla prostredníctvom vedenia, konvekcie a žiarenia môžeme znížiť spotrebu kvapalného dusíka a zlepšiť teplotnú stabilitu kryostatu.
Napríklad, ak prenos tepla cez vedenie nie je správne kontrolovaný, kvapalný dusík sa ustane rýchlejšie, čo si vyžaduje častejšie doplňovanie. To nielen zvyšuje prevádzkové náklady, ale tiež môže narušiť experimentálne alebo priemyselné procesy, ktoré sa spoliehajú na kryostat.
Podobne môže nadmerná konvekcia alebo prenos žiarenia viesť k kolísaniu teploty v kryostate, čo môže ovplyvniť presnosť experimentov alebo kvalitu priemyselných výrobkov. Starostlivým navrhnutím kryostatu, aby sme minimalizovali tieto mechanizmy prenosu tepla, môžeme zabezpečiť stabilnejšiu a efektívnejšiu prevádzku.
Naše tekuté kryostaty dusíka
Ako popredný dodávateľ kryostatov z tekutých dusíka ponúkame širokú škálu produktov na uspokojenie rôznych potrieb zákazníkov. NášKvapalný kryostat dusíka typu atmosféraje navrhnutý pre aplikácie, kde je potrebná presná kontrola teploty v atmosférickom prostredí. Je vybavený pokročilými izolačnými materiálmi a studňou navrhnutou štruktúrou na minimalizáciu prenosu tepla.
NášKontinuálny prietok kvapalný hélium kryostatPoskytuje nepretržitý prívod studeného kvapalného hélia, ktoré sa môže použiť na extrémne nízku teplotu. Tento kryostat využíva stav - - umeleckú technológiu na zabezpečenie efektívneho prenosu tepla a stabilnej regulácie teploty.
Pre elektrické aplikácie ponúkameKryostat elektrického kvapalného dusíka. Tento kryostat je navrhnutý tak, aby poskytoval stabilné prostredie s nízkou teplotou pre elektrické komponenty a experimenty, pričom osobitná pozornosť sa venovala redukcii elektromagnetického rušenia a prenosu tepla.
Kontaktujte nás kvôli obstarávaniu
Ak vás zaujíma naše tekuté kryostaty dusíka alebo máte akékoľvek otázky týkajúce sa mechanizmov prenosu tepla v kryostatoch, odporúčame vám, aby ste nás kontaktovali kvôli obstarávaniu a ďalším diskusiám. Náš tím odborníkov je pripravený poskytnúť vám podrobné informácie a prispôsobené riešenia na základe vašich konkrétnych požiadaviek.
Odkazy
- Incropera, FP a DeWitt, DP (2002). Základy prenosu tepla a hmoty. John Wiley & Sons.
- Kittel, C. (1996). Úvod do fyziky tuhého štátu. John Wiley & Sons.
- Touloukian, YS (ed.). (1970). Termofyzikálne vlastnosti hmoty. IFI/Plenum.