Kriyojenik Sistemlerde Yalıtım

1. Kriyojenik Sistemlerde Yalıtım Çağlar CANŞE – 12522004(YL) Onur YARAY – 11522104 (YL) Can EKİCİ – 11522301 (DR)

2. Giriş • Cyrogenic,kısaca çok düşük sıcaklıklarla ilgili çalışarak bunların nasıl üretilip korunduğunu, ayrıca malzemelerin bu sıcaklıklarda nasıl davrandığıyla ilgilenen bir daldır.

3. GİRİŞ • Endüstriyel amaçlar için kullanılan 120 K sıcaklığın altındaki uygulamalar, kryojenik uygulamalar tanımına girebilir. • Sabit olarak ne kadar düşük sıcaklıklarda çalışılmak isteniliyorsa o kadar iyi yalıtım yapılmalıdır.

4. GİRİŞ • Kryojenik izolasyon çeşitleri, uygulama alanlarına göre optimize edilerek seçilir. Bu optimizasyonda hesaba katılan faktörler ise; ekonomi,uygunluk,ağırlık,hacim ve yalıtım verimliliği olarak söylenebilir. • Çok özel uygulamalar her zaman en iyi verimlilği sağlayacak izolasyonla uyumlu olmayabilirler. Bu gibi durumlarda verimlilik 2. plana atılarak uygun olan izolasyon tipi seçilmelidir.

5. GİRİŞ • Genel olarak termal izolasyon performansı aşağıdaki faktörlere bağlıdır. • -Sıcaklık • -Sınır yüzeylerin yaydığı radyant enerji • -Malzeme yoğunluğu • -Malzeme içinde bulunan gazın basıncı • -Nem oranı • -Mekanik titreşimlerin etkisi

6. GİRİŞ Cryogenic uygulamalarda kullanılan izolasyon tiplerini altı başlık altında inceleyebiliriz. • 1) Köpüklü(poliüretan) İzolasyon • 2) Gaz doldurulmuş tozlar ve fiber malzemeler • 3)Vakum İzolasyonu • 4)Boşaltılmış gözenekli izolasyon • 5)Çok katmanlı izolasyon • 6)Opaklaştırılmış Tozlar

7. KÖPÜK İZOLASYONU • İnşaat sektöründe kullanımı yaygın olan poliüretan köpük, poliol ve MDİ(izosiyanat) adı verilen iki kimyasal maddenin birleşmesiyle meydana gelmektedir. • Köpük, üretimi sırasında ortaya çıkan karbondioksit gazından dolayı hücresel bir yapıya sahiptir.

8. KÖPÜK İZOLASYONU

9. KÖPÜK İZOLASYONU • Köpük izolasyonu kullanılan malzemeye göre, poliüretan,polistren köpük,kauçuk,silikon olarak gruplara ayrılırlar. • Homojen malzeme olmadıklarından dolayı termal iletkenlikleri, hücre yoğunluğu,barındırdıkları gazlar ve sıcaklığa göre değişmektedir.

10. KÖPÜK İZOLASYONU • Aşağıda polistren köpük için termal iletkenliğin yoğunluğa göre değişimini gösteren grafik verilmiştir.

11. KÖPÜK İZOLASYONU

12. KÖPÜK İZOLASYONU • Köpük bir kaç ay boyunca çevre havasına maruz kalırsa hücrelerin içindeki karbondioksitin yerini hava alır ve bu da iletkenliği artırabilir. Bunun yanında köpüğün hidrojen ve helyum içeren bir ortamda uzun süre kalması durumunda ise bu sefer bu gazlar boşluklara difüze olarak köpüğün termal iletkenliğini yüksek iletkenliklerinden dolayı 3-4 kat artırabilirler…

13. KÖPÜK İZOLASYONU • Bu izolasyonun en büyük dezavantajlarından biri yüksek termal genleşme katsayısının olmasıdır. Dolayısıyla belirli sıcaklık değişimlerinde diğer malzemelere göre 2-5 kat(Al) veya 4-10 kat(çelik) fazla genleşebilirler. Dolayısıyla metal yüzeylere direk olarak uygulanmazlar...

14. KÖPÜK İZOLASYONU

15. KÖPÜK İZOLASYONU

16. KÖPÜK İZOLASYONU İzolasyonun verimliliğini artıran faktörler: • -Hücresel yapıların küçük ve birbirleriyle temas etmiyor olması • -Gaz basıncının düşürülmesi(decreasing mean free path)

17. KÖPÜK İZOLASYONU

18. KÖPÜK İZOLASYONU

19. KÖPÜK İZOLASYONU • Genel olarak köpük izolasyonunda termal iletkenlik, dokular arasındaki gazların kondüksiyonuna ve az da olsa radyasyonla ısı transferine bağlıdır. Bu gazların dokulardan çekilmesi ile termal iletkenlik azaltılabilir.

20. KÖPÜK İZOLASYONU • Ayrıca cam ve silika köpükler kapalı hücrelere sahip oldukları için dokulara difüze olabilecek hava,hidrojen veya helyuma karşı bir engel teşkil ederler. Ancak bu özellikleri onların termal iletkenliklerinin çok düşük olduğunu göstermez.

21. KÖPÜK İZOLASYONU

22. GAZ İÇEREN TOZ VE FİBER MALZEMELER • Düşük yoğunluktaki toz partikülleri ve fiberler ile doku aralarında bulunan gazla sağlanan yalıtımdır. • Toz olarak kömür,perlit,silika-kömür karışımı, fiber malzeme olarak da fiber glass(cam elyaf), taş yünü kullanılmaktadır.

23. GAZ İÇEREN TOZ VE FİBER MALZEMELER • Bu yalıtımın en önemli özelliği, bu yalıtımdaki kondüksiyon miktarının köpük izolasyonuna göre ısı transfer yolunun süreksiz olması dolayısıyla daha düşük olmasıdır. Ayrıca küçük boşluklar içermesinden dolayı konveksiyonun yok denecek kadar azaltılabilmesidir.

24. GAZ İÇEREN TOZ VE FİBER MALZEMELER

25. GAZ İÇEREN TOZ VE FİBER MALZEMELER

26. GAZ İÇEREN TOZ VE FİBER MALZEMELER

27. GAZ İÇEREN TOZ VE FİBER MALZEMELER

28. GAZ İÇEREN TOZ VE FİBER MALZEMELER

29. GAZ İÇEREN TOZ VE FİBER MALZEMELER

30. GAZ İÇEREN TOZ VE FİBER MALZEMELER • Aslında yalıtım içindeki toz ve fiberler ısı akışını kısa devre yaparak termal iletkenliği artırırlar, ancak çok kaliteli partikül kullanıldığında, partiküller arası mesafe ‘mean free path’ mesafesinden çok daha küçük olup, bu olay termal iletkenliği bu sefer azaltmaktadır.Dolayısıyla boşlukların toz ile doldurulması ile yapılan yalıtım, boşlukta gaz olmasına dayanan yalıtımdan daha etkilidir.

31. GAZ İÇEREN TOZ VE FİBER MALZEMELER • Bu yalıtımlarda difüzyonla içeri su buharı girmesi durumunda içteki soğuk katmanlara ilerleyen su buharı buralarda buz olarak tortu bırakır ve termal iletkenliği bir hayli artırırlar.Bu yüzden önlem olarak yalıtımın dış sınırına hava kanalları açılabilir.

32. GAZ İÇEREN TOZ VE FİBER MALZEMELER • Diğer gazlar için de bu durumun önlenmesi için soğuk yüzeyin sıcaklığının gazın yoğunlaşma noktasının altında olmaması gerekir. Bu sınırlar hava için 81,5 K, nitrojen için 77 K’dir.77 K’nin altındaki çalışmalarda pratikte uygulanan en verimli gaz helyumdur.. • Uygulama seçiminde titreşimler göz ardı edilmemelidir.

33. GAZ İÇEREN TOZ VE FİBER MALZEMELER

34. GAZ İÇEREN TOZ VE FİBER MALZEMELER

35. GAZ İÇEREN TOZ VE FİBER MALZEMELER

36. GAZ İÇEREN TOZ VE FİBER MALZEMELER Nusselt’in Termal İletkenlik Formülü Vr , partikül hacminin/ toplam hacme oranı ks, katı malzemenin ısıl iletkenliği kg , Yalıtım içindeki gazın ısıl iletkenliği σ, Stefan Boltzman Sabiti (0,1714 x 10-8 Btu/hr.ft2. ᵒR4) T, izolasyon sıcaklığı d, partikül çapı

37. GAZ İÇEREN TOZ VE FİBER MALZEMELER

38. Vakumlu Yalıtım Sistemleri • Kriyojenik sistemlerin izole edilmesinde kullanılan başlıca yöntemlerden biri de vakumlu yalıtım sistemleridir. • Vakumlu yalıtım sistemleri ilk olarak İskoç fizikçi James Dewartarafından tasarlanmıştır. Bu tasarımına ithafen tasarımı literatürde ‘’Dewar Kanalı’’ olarak adlandırılmıştır.

39. Vakumlu Yalıtım Sistemleri • Bu sistemlerin tasarım bazında en büyük getirisi gazların iletimle ve taşınımla ısı transferini engelleyebiliyor oluşudur. • Uygun katı yalıtkanların desteğini aldığı durumda radyasyon ve taşınımla ısı transferinin de büyük oranda önüne geçebilmektedir. • En yaygın kullanılan iki tip Dewar kanalı ise PyrexGlass ve metal kanallardır.

40. Vakumlu Yalıtım Sistemleri PyrexGlass • Bu tip yalıtımda kriyojenik maddeyi depolayan cam tüpün dışında, aradaki hacmin vakumlandığı bir cam tüp daha bulunmaktadır. • Dış tüpün dış yüzeyi ise gümüşle kaplanmıştır. Böylelikle taşınımla ısı transferi miktarının azaltılması amaçlanmıştır.

41. Vakumlu Yalıtım Sistemleri Metal Tüpler • Bu tip yalıtımda da kriyojenik maddeyi depolayan tüpün dışında, aradaki hacmin vakumlandığı bir tüp daha bulunmaktadır ancak tüp malzemesi bakırdır. • Bakırın yüzey pürüzlülüğünün çok düşük olması nedeniyle sürtünmelerin önüne geçileceği ve vakum etkisinin daha uzun süre korunabileceği görüşü savunulmaktadır. • Bakır malzeme lehimleme yöntemiyle birleştirilmektedir.

42. Vakumlu Yalıtım Sistemleri Radyasyonla Isı Transferi • Seçilecek malzeme ve tüpün geometrik tasarımı saklanması düşünülen kriyojenik maddenin tipine ve miktarına bağlı olarak değişmektedir. • Radyasyonla gerçekleşen ısı transfer miktarını bulmak için Stefan-Boltzmann denkliğinden yararlanılır. İki yüzey arası transfer miktarı ise yine benzer bir türetmeyle elde edilir. e: Toplam yayınım T: Sıcaklık A: Toplam Isı Transfer Alanı σ: Sabit (5,67x10^-12)

43. Vakumlu Yalıtım Sistemleri • Yalıtımın geometrisine bağlı olarak ısı transfer miktarı değişmektedir. • Aşağıdaki tabloda gri yüzeylerde farklı geometriler için yayınmakatsayıları verilmiştir. e değerleri iki yüzeyin farklı malzemelerden olması durumu göz önüne alınarak formülize edilmiştir.

44. Vakumlu Yalıtım Sistemleri • Seçilecek malzeme türü de radyasyonla ısı transferi miktarına doğrudan etkimektedir. • Aşağıdaki tabloda farklı malzemeler için 300 ̊K sıcaklığında bir kaynaktan farklı sıcaklık aralıklarındaki yüzeylere birim zamanda gerçekleşen transfer miktarına bağlı olarak iletim katsayıları verilmiştir.

45. Vakumlu Yalıtım Sistemleri • Tüp malzemesinin ısı transfer miktarı çeşitli mekanik yüzey işlemleri ile değişime tabi tutulabilmektedir. • Aşağıdaki tabloda çeşitli malzemeler için yapılan yüzey işlemleri sonrası ısı transfer katsayılarının değişimi gösterilmektedir. Bu tabloya göre yüzey düzenleme ve pürüzlülüğü azaltma işlemleriyle yayınım gücü azalmaktadır.

46. Vakumlu Yalıtım Sistemleri • Düşük sıcaklıklar için yapılan deneyler sonucu elde edilen ortak veriler şöyledir; • En iyi reflektör görevindeki malzemeler aynı zamanda en iyi elektrik iletkenleridir(bakır,gümüş,altın,alüminyum). • Yayınım sıcaklık düşüşüyle düşmektedir. • İyi reflektörlerin yayınım gücü iyi yüzey kontaminasyonu ile artmaktadır. • Bir metali iyi bir reflektörle alaşımlamak yayınım gücünü azaltır. • Yüzey düzenleme ve pürüzlülüğü azaltma işlemleriyle yayınım gücü artmakta, vakum yüzeylerde ise sürtünme etkisini azalttığı için yayınım gücü azalmaktadır. • Görsel değişimler, yayınma gücü konusunda uzun dalga boylu yayınımlarda güvenilir bir kriter değildir.

47. Vakumlu Yalıtım Sistemleri • Kinetik teoriye göre kısa mesafeli ısı transferlerinde basınç değişimi oldukça düşük olduğundan etkisi ihmal edilmektedir. • Basınç değişiminin etki alanı, ısı transferinde serbest akım alanı olarak bilinen mesafenin belirlenmesinde rol oynamaktadır. Basınç etkisiyle moleküler hareketin salınım alanı kısıtlanır ve bu ısı transfer katsayılarını artış yönünde etkiler.

48. Vakumlu Yalıtım Sistemleri Gaz Kaçakları • Vakum etkisindeki alanlarda zamanla ölçülür miktarda gaz kaçakları yaşanabilmekte, bu durum radyasyonla ısı transferine olumsuz etkimektedir. • Bu kaçakların başlıca nedeni vakum alanındaki gazın içinde bulunan harici gazlardır. Oluşan yoğunluk farkı nedeniyle vakum alanında hareketlenmeler ve kaçakların oluşumu kaçınılmazdır. Isıtma yöntemiyle bu gazın giderilmesi mümkündür ancak özellikle metal yüzeylerde tercih edilmemektedir. • Çeşitli solventler, teflon, polietilen, polistren ve epoksi katkılı yüzey oluşumları, absorber etkileri nedeniyle kaçakların giderilmesinde önlem olarak sunulabilir. • Sistemin çeşitli solüsyonlarla temizliğinin yapılması da bu yoğunluk farkları oluşumunun önüne geçtiğinden bir önlem olarak gösterilmektedir.

49. Vakumlu Yalıtım Sistemleri Gaz Gidericiler • Vakum alanında oluşan çeşitli kimyasal reaksiyonlar ve adsorpsiyonlar sonrası oluşan gazların tahliyesi gerekmektedir. • Belirlenen en geçerli üç yöntem ise; • Kimyasal gaz alma işlemi, • Solüsyonlar ile gaz alma işlemi, • Adsorbentlerile gaz alma işlemi.

50. Vakumlu Yalıtım Sistemleri Isı Transferinde Destek Sistemler - Malzeme • Isı iletim katsayısı, gerilme katsayısı ve elastisitemodülü destek sistemlerinin tasarımında en önemli parametrelerdir. • Bu parametrelerden ısı iletim katsayısı ile maksimum çalışma gerilmesi miktarlarının oranları belirleyici faktörlerin başında gelir. • Bu oranlar göz önüne alındığında endüstriyel ürünler olan Dacron,Nomex ve glass-fiber maddelerinin paslanmaz çelik ve titanyum alaşmlarına göre daha seçkin oldukları görülmektedir. • Öte yandan tasarıma ait özel koşullara bakılarak maksimum yükte uzama yüzdesi ve ısıl genleşme katsayısı gibi parametreler de göz önüne alınmalıdır.