YTÜ Isı Proses Tezli YL KROYEJENİK AKIŞKANLARIN DEPOLANMASI, AŞIRI SOĞUTMA TEKNİĞİ KROYEJENİK AKIŞKANLARIN DEPOLANMASI, TAŞINMASI ve YALITIMI Abdullah Tekin BARDAKCI 12522102

Kroyejenide Yalıtım Gazların saflaştırılmasında, sıvılaştırılmasında yada ayrıştırılması gibi kriyojenik sistemlerde, örneğin sıvı metan için 112 K, sıvı helyum için 4,2 K vs vs gibi sıcaklıklarla uğraşılır. Isı kazancını minumum seviyelerde tutmak için tasarım mühendislerinin optimum yalıtımı sağlaması gerekmektedir.

Yüksek sıcaklıktaki ortamdan bu kroyejenik akışkanların depolandığı ve taşındığı tanklara ve borulara olan ısı kazancı, soğutma için harcanan enerjiye eşit anlamına gelir.

Eğer yalıtım yapılmazsa, istenilen şartlarda akışkanları saklamak için dışarıdan yapılan soğutmanın, kompresörlerin harcadığı enerjinin, mekanik soğutma ünitelerinin maliyeti yapılmayan yalıtımın maliyetinden daha fazla olur, bu da istenmeyen bir durumdur.

Bu nedenlerle ısı kazancını düşürmek için ve böylece prosesimizin yada kroyejenik akışkanların depolanması için daha düşük enerji harcanması sağlanmış olur.

Kroyejenik Depoların Yalıtımı Kroyojenik ekipmanların yalıtımında çeşitli methotlar vardır. Bunlar: Genleşmeli Köpükler Tozlu ve elyaf Malzemeler Vakum Yalıtım Vakumlanmış(boşaltılmış) tozlar ve elyaf malzemeler Opaklaştırılmış Tozlar Çokkatmanlı Yalıtım Methotu

Bu yöntemler, 1  6 ya kadar yalıtım performanlarının ve maliyetlerinin artışına göre listelenmiştir. Özel bir uygulama için hangisinin uygulanacağı: Uygulamanın kolaylığı, sistemin ağırlığı(density), sağlamlığı ve maliyeti arasındaki optimizasyonla belirlenir.

1- Genleşmeli Köpük Yalıtımı (Expanded Foams) Genişletilmiş köpükler, köpük imalatı esnasında gelişen gaz tarafından oluşturulan bir hücresel bir yapıya sahiptir. Köpük yalıtım örnekleri arasında -Poliüretan köpük, -polistren köpük, kauçuk, -Silikon ve cam köpüğü gösterilebilir.

=> Köpükler homojen olmadığı için ısıl iletkenliği; kütle yoğunluğuna, yalıtım ortalama sıcaklığına, köpük izolasyonu için kullanılan gaza bağlıdır. => Şekil 1 ve II de köpük yoğunluğu ve ortalama sıcaklığıyla ısıl iletkenliğin değişimi gösterilmiştit.

Şekil 1 Poliestren köpüğün yoğunluğu ile ısıl iletkenliğinin değişimi

Şekil II – Sabit Yoğunluktaki bilinen bir poliestrenin ortalama yalıtım sıcaklığıyla ısıl iletkenliğinin değişimi

Çoğu genleşmeli köpük için kullanılan gaz, sıvı azot sıcaklıklarında düşük buhar basıncına da sahip olan CO2’dir. Başlangıçta, sıvı azot sıcaklıklarına soğutulurken, CO2’in çoğunun yoğuşmasındna dolayı, taze köpüğün ısıl iletkenliği azalır.

Köpüğün belirli bir zaman ortam havasına maruz kalmasıyla, gözeneklere CO2 yerine hava dolar. Ama köpüğü, Hidrojen ve Heliumdan oluşan bir ortamda daha uzun süreli bir periyotta tutarsak, bu sefer bu gazlar voidlerin (gap, boşlukların) içine difüze olurlar ki ısıl iletkenliği 3 kat 4 kat daha artırılabilir.

Çünkü, H2 ve He gazlarının ısıl iletkenlikleri daha fazladır.

Sert köpüklerin ciddi dezavantajlarından biri büyük ısıl genleşme katsayılarıdır. -22 ile +86 ᵒF sıcaklıkları arasında, poliestren köpük 4x10-5 F-1 ısıl genleşme katsayısına sahipken, oysaki aynı sıcaklık aralığı için Carbon çeliğinin genleşme katsayısı 0,64x10-5 ᵒF-1 dir.

Yani; Köpük, sıvı azot tankına çok yakın monte edilirse, soğuma esnasında içteki tanktan daha çok büzüleceğinden dolayı kırılır, çatlar. Su buharı ve hava bu çatlaklardan akarak, izolasyon performansını ciddi oranda düşürür.

Sert köpükler; köpük içinde büzülme derzleri ve derzlere buhar ve hava difüze olmasını engellemek için kullanılan Mylar gibi plastik kılıf içinde olursa, izolasyon olarak kullanılabilir.

II- Gaz dolu Tozlar ve Elyaf Malzemeler (Gas-filled powders and fibrous insulations) Gözenekli- delikli (porous) izolasyonlar ; - fiberglass, - tozlaştırılmış mantar, - taş yünü, perlite (incitaşı), santocel vb gibi malzemeleri kapsar. Gaz dolu tozlu ve elyaf izolasyonların ana mekanizması, materyal içindeki mevcut küçük gaz boşlukları nedeniyle oluşan konveksiyonun ortadan kaldırılması yada azaltılmasıdır.

Ek olarak bu malzemelerin ısıl iletkenliği, ısı iletim yollarının dolambaçlı ve süreksiz olmaması nedeniyle, genleşmeli köpüklere oranla biraz daha azdır. Şekil III’de çeşitli türlerine göre sıcaklıkla ısıl iletkenliğin değişimleri gösterilmiştir.

Şekil III- Düşük sıcaklıklarda çeşitli toz ve elyaf malzemelerin ısıl iletkenliği

Nusselt, gas dolu tozlar ve elyaf malzemeler için ısı iletkenliğini aşağıdaki formülle ifade etmiş : Vr , katı 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)

Kroyejenik sıcaklıklarda T3 ün olduğu ifade kg yi içeren terimden daha büyük olduğu için: Ve hatta: Neden dönüştü? ( Katı materyalin ısıl iletkenliği, izolasyon içindeki gazdan daha büyük )

Son denklemden de görüyoruz ki gas dolu tozlar ve elyafların ısıl iletkenliği, izolasyon gazın iletkenliğine yaklaşıyor. Ama bu açıklamanın, toz partikülleri arasındaki uzaklığın, gazın ortalama serbest yolundan daha da küçük olduğu çok ince tozlar için bir istisnası var. Gazların ısıl iletkenliği moleküllerin ortalama uzaklıklarıyla orantlılı olduğu için, efektive gaz ısıl iletkenliği azalır.

Gazla doldurulmuş elyaf malzemelerin bir dezavantajı da, buhar bariyeri (vapor barrier) kullanılmazsa, nem ve havanın izolasyon malzemesinden soğuk yüzeye difüze olmasıdır. Sıvı- Hidrojen tankları için, helyum tasviye gazı (purge gas) olarak kullanılabilir. Ama helyumun yüksek ısıl iletkenliği, boşluk oranı helyum moleküllerinin ortalama serbest yolundan düşük olmadıkça, izolasyonun da iletekenliğini de artırır.

III- Vakum Yalıtım (Vacuum Alone) 20. yy başlarında Dewar adlı bilim insanı, kryojenik tankların izolasyonu olarak yüksek vakum’u önermiştir. Vakum izolasyonunun kullanılması, temel olarak ısı transferinin 2 bileşenini ortadan kaldırır: Katı ısı iletimi ve Gaz taşınımı.

Isı, sıcak dış ceketten soğuk iç kaba radyasyon ile vakum izolasyonlu kabın halka şeklindeki boşluğu boyunca aktarılır. (Termodinamik Analizi incelenecektir.) Vakum izolasyon (vakum alone), küçük boyutlu laboratuvar dewarlarında kullanılır.

İTÜ Bilim ve Teknoloji Parkı

İTÜ Bilim ve Teknoloji Parkı Laboratuvarı Vakum yalıtımlı 100 L dewar

Şekil – 4 Prex ve Metal Vakum kapları

Vakum Yalıtım’da Radyasyonla Isı Transferi Stefan Boltzman Işınım eşitliği: ............... (4) Fe , yayıcılık faktör (emissitivity factor) T1 ve T2 sıcaklıkları sırasıyla soğuk ve sıcak yüzeyler, F1-2 , konfigürasyon faktörü (İç kabın dış kap tarafından mahfaza edildiği kroyejenik sıvı tanklarında 1’ e eşittir.)

Eş merkezli silindir ve küreler için Fe : TN, en dıştaki yüzeyin mutlak sıcaklığı, T1, en içteki yüzeyin mutlak sıcaklığı

Işınımla ısı tranferi, sıcak ile soğuk yüzey arasına sabit olmayan / yüzer radyosyon kalkanı konarak azaltılabilir. Örneğin, en dıştaki ve en içteki yüzeylerin yayıcılıklarının e0 olduğunu düşünün ve böylece e1=e0=eN Radyasyon kalkanı olmaksızın, paralel düz plakaların yayıcılığı: Fe (kalkan yok) = e0/2-e0 olur (Ai=A1)

Ns adet kalkan için yada Ns+2 adet yüzey için eşitlik: e0= 0,90 ve es=0,05 olduğunu düşünelim, Yayıcılık faktörü : Fe (kalkansız) = 0,889 Fe (kalkanlı) =1/ (1,2 + 39.Ns)

10 adet kalkan (shield) kullanıldığı düşünürsek; Fe (kalkansız) / Fe (kalkanlı) =348 çıkar Bunun anlamı; 10 adet düşük yayıcılıkta kalkan (shileds) kullanılmasıyla radyasyonla ısı transferi 348 kat azaltılabilir.

Vakum Yalıtım’da Gaz iletimi ile Isı transferi Radyosyonla olan ısı transferine ek olarak, bir dewar içindeki vakum alanından (vacuum space) gas iletimiyle de enerji iletilebilir. Şekil - 5

Gaz basıncı, gaz moleküllerinin sertbest ortalama yolu iki yüzey arasındaki uzaklıktan daha büyük olacak şekilde düşükse, ısı iletimin tipi değişir. Sabit ısıl iletkenlikteki sıradan iletimde, transfer olan ısı duvar içinde lineer sıcaklık gradyeni oluştururdu.

Ama burdaki serbest moleküler iletimde , gas molekülleri birbirlerine nadiren çarpar, çünkü bağımsız bir gaz molekülü, diğer gaz moleküllerine enerjisini transfer etmeksizin gaz alanı üzerinden hareket eder, çünkü onlarla çarpışmadığını söylüyor.

Şekil 5’ de gösterilen sırasıyla T1 ve T2 sıcaklıklarında tutulan parelel 2 levha düşünelim. Bir gas molekülü T1 sıcaklığındaki soğuk yüzeye çarptığında enerjinin bir kısmını duvara transfer eder. Molekül duvar üzerinde enerji eşitliğini kuracak kadar uzun kalmadığından dolayı, T1den az daha yüksek T1’ sıcaklığında kinetik enerjiyle ayrılır.

Bu T1’ sıcaklığındaki molekül vakum alanında hareket eder ve sıcak T2 duvarına çarpar. Aynı şekilde molekül ısı dengesini kuracak kadar uzun süre kalmadığından dolayı molekül T2den az daha küçük T2’ sıcaklığında, kinetik enerjiyle döner. Çarpışma sırasında, moleküllerin ısıl dengeye yaklaşım derecesi konaklama katsayısı ile ifade edilir:

Konaklama Derecesi (accommodation coefficient) Gerçek transfer olan ısı / Maksimum transfer olabilecek ısıya oranı’dır. Konaklama katsayısı, yüzey sıcaklığına ek olarak, gaz-yüzey birleşimine de bağlıdır. Tablo 1’de bazı konaklama katsayıları gösterilmiştir.

Tablo 1 Konaklama Katsayıları

Fa , konaklama faktörüdür, yayıcılık faktörü formunda ifade edilir.

Duvara çarpan moleküldeki birim kütle başına toplam enerji değişimi, yüzeye çarpma anındaki iç enerji değişimi ile yüzeye dik hareket edenki kinetik enerji değişimlerinin toplamıdır: R= Spesfik Gaz sabiti Cv= Gazın özgül ısısı Ɣ= özgül ısı oranı

Gazların kinetik teorisinden, birim alan başına moleküllerin kütle akış hızı : m/A= ¼ * p* v Burada: P = gazın yoğunluğudur. P= P/R*T v: ortalama molekül hızı v = ((8*gc*R*T)/π) ^(0,5)

Bu ifadeyi bulduktan sonra moleküler iletkenlikle transfer edilen miktarı bulunur:

-Moleküler iletimin olabilmesi için, gaz moleküllerinin ortalama serbest yolu, iki duvar arasındaki mesafeden fazla olması gerektiğini sölemiştik. -Bu formülle kontrol edilir:

Yani böylece, ile toplam ısı transferi hesaplanır.

Uygulama 1: Dış kabuk çapı 7 ft, iç kabuk çapının 5 ft olduğu küresel bir dewarda, dıştan içe doğru toplan ısı transferini hesaplyacağız. Dış kabuk özellikleri: Yüze sıcaklığı 80 F, yayıcılık 0,10, konaklama katsayısı 0,90 İç kabuk ise : 140 ᵒR, yayıcılık 0,05, konaklama katsayısı ise 1 dir. Halka şeklindeki boşluktaki gaz, 10-5 mmHg basıncındaki havadır ve 80 ᵒF’dir. Dewar, vakumlu izolasyon yöntemiyle izole edilmiştir.

Öncelikle ışınımla olan ısı transferi için yayıcılık faktörü : İç kabuk alanı = A1= 75.8 ft2 Radyosyonla Isı transferi

Konaklama Faktörü (Fa) G: Gaz basıncı 10-5 mmHg, 2,79*10-5 psfa eşit.

Şimdi de moleküler gaz iletimi ile ısı transfer:

Toplam Isı Transferi de: Q = Qr + Q g =463+8 = 471 btu/hr

Ortalama serbest yoluda hesaplayalım ki iki cidar arasındaki uzaklıktan çok olup olmadığını kontrol edelim: = 25 ft çıkar... İki cidar arasındaki fark = 7-5 /2 =1 ft 25 ft > 1 ft olduğu için moleküler iletimin olduğunu ispat ettik.

4- Vakumlanmış (boşaltılmış) Tozlar ve elyaflı malzemeler (Evacuated-powder and fibrous insulations) II. Kısımda, lifli ve tozlu izolasyon malzemelerinin ısıl iletkenliklerinin, düşük sıcaklıklardaki izolasyonlarda gazların ısıl iletkenliğine yaklaştığını gördük. Bu bölümde, ısı transferini da daha da azaltmak için belirgin diğer bir yöntem de, yalıtım malzemesi içinden gaz boşaltmaktır.

Şekil 6 - Çekilen gazın basınc – Evacuated powder ısıl iletkenliğinin değişimi

Yukardaki grafikte; Tipik bir toz izolasyonunun ısıl iletkenliğinin değişimi gösterilmektedir. İzolasyon malzemesi içindeki gazın basıncı atmosfer basıncından 10mmHg mertebelerine düştüğünde, ısıl iletkenliğinde küçük bir değişme olur. Bu basınç aralıklarında, izolasyon içindeki gazın ısıl iletkenliği, çok ince tozlar haricinde basınçtan bağımsızdır,

Basınç daha da düşürülürse, ısıl iletkenliğin basınçla neredeyse lineer bir Şekil 7’ de değiştiği II.bölgeye ulaşılır.

Gaz basıncının daha da azaltılması üzerine, gaz halindeki ısı transferinin önemi, radyosyon ve katı iletimle olan transferden daha da az önemli olmaya başlar. Bu noktada, izolasyon ısıl iletkenliği basıncın azalmasıyla yatayda sabit kalmaya başlar ve ısıl iletkenlikliği, ışınımla ve katı iletimiyle olan değerlere yaklaşmaya başlar.

Sıvı Azot, sıvı hidrojen ve helyum sıcaklıklarında ışınımla olan katkı, katı iletiminden daha da azdır. Bu nedenle, vakumlanmış (boşaltılmış) tozlar (evacuated powders) sıvı Azot ile çevre arasındaki ısı transferi için, vakumlu yalıtımdan (vacuum alone) daha üstündür. Çünkü düşük sıcaklıklarda katı iletimi daha etkin olur, böylece sıvı zot, sıvı hidrojen ve sıvı Helyum sıcaklıkları arasında vacumla yalıtım kullanmak daha avantajlıdır. Vakumlanmış Toz ve Lifli yalıtımı üzerinden ısı transfer hızı Fourier Eşitliğinden hesaplayabiliriz:

Fourier Isı iletim denklemi: Δx, yalıtım kalınlığı . Th, Tc , yalıtım sıcak ve soğuk yüzeyleri Am, ortalama yalıtım yüzeyi alanı A1 iç kabın yüzeyi ( A2 dış kabın yüzeyidir.

Eş merkezli Silindir ve küreler için sırasıyla;

ASME’nin verdiği torisferik başlı silindirler için: A= 0.264 x π x D2 D, başın düz flanşının çapıdır. Eliptik başlar için alan ifadesi: Buradaki D, başın büyük çapı D1 , elipsin küçük çapı yüzey alanı bulunur.

5- Opaklaştırılmış Toz İzolasyonları (Opacified- powder insulation) Vakumlanmış (boşaltılmış) toz yalıtım içine bakır yada aliminyum pul ekleyerek performans artımı gerçekleştirilebilir. (Yani radyasyonla ısı transferini azaltarak) Şekil 8’ de iki adet opaklaştırıcı maddenin ısıl iletkenliğinin, opaklaştırıcı maddenin ağırlıkça yüzdesiyle değişimi gösterişmiştir.

Şekil 8 İki adet opaklaştırıcı maddenin ısıl iletkenliğinin, opaklaştırıcı maddenin ağırlıkça yüzdesiyle değişimi

Şekilden de görüldüğü üzere ağırlıkça oranlarının 40-50 arası olduğu karışım, optimum performansı vermektedir. Optimum opaklaştırıcı miktarı kullanarak, bir boşaltılmış toz izolasyon malzemesi kullanarak, 10x10-4 den yaklaşık 2x10-4 e kadar ısıl iletkenliği azaltırız.

Güvenlik açısından, bakır pulların (copper flakes) aliminyuma göre tercih edilebilir olduğu ispatlanmıştır, çünkü aliminyumun oksijen ile kombinasyonuyla yanma ısısı büyüktür. Sıvı oksijen konteynırlarında aliminyum opaklı toz kullanılırsa, vakum alanına doğru küçük Oksijen sızıntılarında sürekli bir tehlike oluşturur. Bakır opaklı izolasyonlar, tamamen güvenli bir şekilde kullanılabilir.

Opaklaştırılmış tozların, titreşimin metal pullara (yapraklara) zarar vermesi gibi dezvantajları vardır. Birden fazla pul birlikte paketlenirse, termik kısa devre oluşur ve bu da yalıtımın ısıl iletkenliğini artırır.

6- Çokkatmanlı Yalıtımlar (Multilayer Insulations) Çok katlı izolasyonlar, Yüksek yansıtıcı malzemelerden (reflecting materials): örneğin aliminyum folyo, bakır folyo yada Aliminyumlu Mylar Düşük iletkenlikli ayırıcı malzemelerden: (spacer material) örneğin fiber glas hasır veya kağıt, cam elyaflı dokuma (glass fabric), naylon tül (nylon net) gibi alternatif malzemelerden yapılır.

Multilayer izolasyonlar doğru uygulandığı taktirde, 10-5 btu/hr. ft Multilayer izolasyonlar doğru uygulandığı taktirde, 10-5 btu/hr.ft.F gibi düşük ısıl iletkenlikler elde edilebilir. Bu yalıtım yöntemi, 1951 yılında Peterson tarafından İsveç’de geliştirildi. O zamandan beri araştırmacılar, izolasyon performansını artırmak için çeşitli çokkatmanlı malzemelerden oluşan teknikler üzerinde çalışmalar yapmaktadır.

Multilayer izolasyonların etkili olması için 10-4 mmHg altındaki basınçlara kadar vakumlanmalı, içleri boşaltılmalıdır (evacuate edilmelidir). Şekil 9 ’da tipik bir multilayer izolasyonun atık gaz basıncına ısıl iletkenliğinin bağımlılığı gösterilmektedir.

Şekil 9 Tipik bir multilayer izolasyonun atık gaz basıncına ısıl iletkenliğinin bağımlılığı

- Radyasyon (yansıtıcı) kalkanları: radyasyon azaltmak için - Radyasyon (yansıtıcı) kalkanları: radyasyon azaltmak için. - Ayırıcı (spacer): katı iletim azaltmak için. - Tahliye (evacuation): gaz iletim azaltmak için.

Multilayer izolasyonların kütlesel yoğunluğu bir dizi faktöre bağlıdır: Yansıtıcı kalkanların yoğunluğuna ve kalınlığına Kullanılan ayırıcı malzemenin tipine Birim kalınlık başına katman kalınlığına ve katman sayısına bağlıdı

ms, ayırıcı malzemenin (spacer material) kütlesi, ρr , kalkan malzemesinin (shield material) yoğunluğu tr, radyasyon kalkanının (shield material) kalınlığı N/ΔX, birim kalınlık başına izolasyon katman sayısı- yoğunluğu

Yoğunluk, daha ince folyo kullanarak yada daha az yoğun ayırıcı malzeme kullanarak azaltılabilir. Tipik bir multilayer izolasyon yoğunlukları, 2 – 20 lb/ft3 arasında değişebilir.

İyi vakumlanmış (well-evacuated) multilayer yalıtımda, ısı öncelikle ayırıcı tabakadan radyasyon ve katı iletimiyle transfer edilir. Bu durum için, aşağıdaki denklemden ısıl iletkenlik katsayısı hesaplanabilir:

hs, ayırıcı malzeme için katı iletkenliğini, σ , Stefan Boltzman sabiti, e, kalkan malzemesinin efektilf yayıcılığı T1 ve T2, izalosyon malzemesinin sırasıyla soğuk ve sıcak tarafındaki mutlak sıcaklık

Yukardaki denkleme bakarak, katman yoğunluğunu (layer density) artırarak, multilayer izolasyonun iletkenliğinin azalacağını görüyoruz.

Uygulama 2 Niendorf tarafından, süperyalıtım uygulamalarında esnek- elastik vakum ceketi- kılıfı kullanımı araştırılmıştır. 1) Esnek ceket, mylar filmin, aliminyum folyonun ve bağlantı yerlerinin bir yapışkan ile contalanmasından oluşur.

II) Multilayer katman üzerine 15 PSİA yük uygulanmasıyla, sıvı hidrojen sıcaklıklarında görünür ısıl iletkenlik 30-40 misli kadar arttığı gözlemledi. Ama yük kaldırıldığında, iletkenlik elde edilen değere ger düştüğü gözlemledi.

Uygulama III Elimizde soğuk ve sıcak yüzeyleri 140 ᵒR ve 530 ᵒR derece arasında görünür ısıl iletkenliği 2,5x10-5 btu/hr.ft.ᵒF, N/Δx (katman yoğunluğu) 60 katman/inch (720 layers per foot) olan bir multilayer izolasyonumuz var. Kalkan malzemesinin (shield material) yayıcılığı e=0,05 ise, sıcak taraf 560 R dereceye yükseldiğinde aynı katman yoğunluğu için görünür ısıl iletkenlik katsayısını hesaplayınız.?

Çözüm: 1)Öncelikle; denkleminde hs yi çeker ve inc- ft birim dönüşümünü de yaparsak:

2) Sıcak taraf 560 R dereceye yükseldiğinde: olarak hesaplanır 2) Sıcak taraf 560 R dereceye yükseldiğinde: olarak hesaplanır. Görüldüğü gibi, ısı iletkenlik katsayısı 2,5x10-5 den 2,7x10-5 Btu/hr-ft-F e düşmüştür.

7- Yalıtım Çeşitlerinin Kıyaslanması Aşağıdaki tabloda çeşitli kroyejenik yalıtımlarından ısı akılarının (heat flux) kıyaslanması verilmiştir.

Hepsinin Avantaj ve dezavantajlarını şu şekilde yazabiliriz: Genleşmeli Köpükler (Expanded foams) : Düşük maliyet, katı vakum ceketlerine ihtiyacı olmaması avantajlarıdır. Yüksek ısıl büzülme, zamanla iletkenliğin değişmesi, diğer izolasyon malzemelerine göre yüksek ısıl iletkenliği olması da dezavantajlarıdır. Gas-filled Powders and fibrous (Gaz doldurulmuş tozlar ve lifli malzemeler): Düşük maliyet, yamuk şekilli yüzeylere uygulayabilme kolaylığı avantajlarıdır. Buhar bariyeriyle kuru tutma zorunluluğu dezavantajdır. Vacuum Malzeme (Vacuum alone) : Küçük kalınlıklarda çoğu izolasyondan daha az ısı akısı, düşük soğuma kaybı avantajlarıdır. Sürekli bir yüksek vakum ihtiyacı, sınır yüzeylerinin düşük yayıcılıkta olmasının istenmesi dezavanjlarıdır.

Vakumlanmış (boşaltılmış) Tozlar ve elyaf malzemeler: + 4 inchten daha kalın vacuum alonea göre daha düşük ısı akısı sağlaması, vakum seviyesinin vacuum alone ve multilayer yalıtımlara göre daha az olması, karışık şekillere kolayca monte edilebilmesi avantajlarıdır. - Titreşim altında tozların sıkılaşması , vakum sistemine ulaşan tozun önlenmesi için vakum filtrelerinin kullanılması da dezavantajlarıdır.

Opaklaştırılmış toz yalıtımı: + Sadece vakumlanmış (evacuated powders) tozlardan daha iyi bir performansının olması, Vakum ihtiyacının sadece vakum alone ve multilayer yalıtımlardaki gibi çok olmaması (vakum için harcanan güç) Karmaşık şekillerde kullanılabilmesi avantajlarıdır. - Al /Oksijen etkileşiminden patlama riski, Evacuated powderslardan yüksek maliyetli olması, Metal pulların yerleştirilmesi gibi problemler de dezavantajıdır.

Multilayer yalıtım: + Tüm yalıtım yöntemlerine göre en iyi performansı vermesi, Evacuated powder yalıtımlarına göre daha düşük ağırlıkta olması ve daha düşük soğuma kayıpları, Tozlu yöntemlere göre daha kararlı-stabil olması (ambalajlama sorunlarının olmaması) avantajlarıdır - Birim hacim başına en yüksek maliyeti olması, karmaşık şekilli kaplara uygulamasının zor olması, Evacuated powder yalıtımına göre daha çok vakum ihtiyacının olması da dezavantajlarıdır.

Sıvı-kalkanlı Kaplar ( Liquid- shielded vessels)

Şekilde de görüldüğü gibi sıvı helyum ve sıvı fluorine gibi pahalı ve tehlikeli akışkanların buharlaşma kaybını önlemek için, ortam sıcaklıklarında ana sıvıyı korumak amacıyla yardımcı bir akışkan kullanılır (örneğin sıvı-azot gibi). Ürün sıvısı iç kaba yerleştilir, yardımcı sıvı orta konteyner içidedir ve her iki kab da bir vakum ceketi tarafından çevrelenmiştir.

Sıvı-azot kalkanlı dewarlar, daha çok küçük ölçekli sıvı-He depolanmasında kullanılır (25-50 litre). Küçük boyutlu dewarlarda vakum alone yalıtımı daha yaygın kullanılır. Bu nedenle, sıvı-azot kalkanlı (korumalı) kullanılmasıyla buharlaşma kaybındaki azalma, yüzey sıcaklıklarının 4. kuvvetlerinin farkına bağımlıdır:

Korumalı buharlaşma kaybı ile korumasız kaybın oranı: ile ifade edilebilir. T1, iç kab (inner) yüzey sıcaklığı T2, dış kap (outer) yüzey sıcaklığı Ts, kalkan (shield) yüzey sıcaklığı

Örneğin, T2 = 530 ᵒR ve T1 = 7,8 ᵒR (sıvı-He sıcaklığı) Ts yardımcı yüzey de 139 ᵒR yani sıvı-Azot sıcaklığı olsun: Yani; kalkan kullanılmasıyla ısı kaybı 47/10000 oranında azalmıştır.

Sıvı-Flor, periyodik cetveldeki en reaktif elementtir; oksijenle ve hatta asal gazlarla bile tepkimeye girmesinden dolayı transfer ve depolama sırasındaki tehlikeleri en aza indirmek için sıvı-azot kalkanlı (korumalı) 3’lü duvarlı kaplarda depolanır. Ama açıkçası; multilayer katmanlı yalıtım tekniğinin gelişmesyle birlikte, sıvı-kalkanlı kaplar kullanımı popüliritesini kaybediyor. Genellikle, multilayer yalıtım, 3. bir kab olarak hareket eden kalkan (shield) dan daha da az maliyetlidir.

Genellikle, multilayer yalıtım, 3 Genellikle, multilayer yalıtım, 3. bir kab olarak hareket eden kalkan (shield) dan daha da az maliyetlidir. Bu yüzden, sıvı-kalkanlı kaplar yerine, mevcut dewara çok katmanlı yalıtım yapılabilir.

Buhar-kalkanlı Kaplar (Vapor-shielded vessesls) Kroyejenik depolama kabından ısı sızmasını azaltmak için diğer bir yöntem de orta kalkanı (intermadiate shield) soğutmak için soğuk gaz (cold vent gas) kullanmaktır.

Şekil- Buhar- kalkanlı kapın çizimi

Çevreden buhar kalkanına doğru ısı transfer hızı: Q2-s = U2 x (T2 – Ts) = U2 x [( T2 – T1) ] = U2 x [(T2 –T1) – (Ts – T1) ] Buradaki U2 toplam ısı transfer katsayısı;

kt, izolasyonun, desteklerin (yatakların) ve ya borulamanın ısıl iletkenliği, A, herbir birleşenin alanı Δx, yalıtım kalınlığı, kap yataklarının desteklerinin uzunluğu, ve borulama kalınlığı

Yine, kalkan ile ürünün olduğu kap arasındaki ısı transferi de: Buradaki: mg , buharlaşan kayıp debi, hfg , ürün sıvısının buharlaşma ısısı,

-Ventilasyon gazının, kalkan sıcaklığına kadar ısındığındığı varsayarsak, çektiği ısı: - Kalkana enerji dengesi uygularsak:

Bu iki denklemden mg den kurtulursak:

Yukardaki ifadeden boyutsuz sayılar türetirsek: kalkanın (shield) boyutsuz ifadesinı elde ederiz:

Bu tablodan, buhar-kalkanlı korumanın sıvı- he kapları için en verimli olduğu görüyoruz.

Eğer kalkandan olan geçen mg debisi sıfır olsaydı, kalkan sıcaklığı: olacaktı. Buhar-kalkanlı ısı kaybı ile kalkansız kaybın oranı:

Grafikte gösterildiği gibi, seçilen π1 değeri için π2 ile kalkan sıcaklığı değişimini görebiliriz... Kalkan sıcaklığındaki azalmanın en büyük olduğu yer, duyulıur ısının gizli ısıya oranının büyük değerler aldığı yerdedir.

Bu ifadesinin, duyulur ısının gizli ısıya oranıyla olan değişimi de aşağıdaki grafikte gösterilmiştir.

Yukardaki grafikten, sıvı-helyum depolama tankındaki (π1 =73) ısı akısının, buhar- kalkanı kullanarak 4-5 kat nasıl azaldığını görebiliyoruz. Sıvı- helyumun çok pahalı olmasından dolayı, kaçakların önlenmesiyle birlikte, ekstradan takılan buhar-kalkanı kısa sürede amorti edecektir.

Diğer taraftan, sıvı-Azot depolama sırasındaki buharlaşma kaybındaki azalma (π1 =1,14) sadece 1,2 kadardır. Sıvı azotun göreceli olarak daha ucuz olması, buhar- kalkanı kullanımı gibi ekstradan maliyet ve sorunlara değmeyebilir.

KAYNAKLAR 1 - The book, Cryogenic Systems, BARRON RANDAL Mcgraw-Hill Series in Mechanical Engineering İTÜ Kütüphanesi Yer No: TP 482 B37 1966 2 - The book, Cryogenic Heat Transfer, BARRON RANDAL İTÜ Kütüphanesi Yer No: TJ260 B37 1999 3 - The book, Cryogenic Technology, VANCE, Robert W. University of California İTÜ Kütüphanesi Yer No: TP482 C79 1963 4 - E- magasine: Cryogenics, İTU Library http://divit.library.itu.edu.tr/search~S0*tur?/tCryonic+insulation/t cryonic+insulation/- 3,0,0,B/l856~b1430254&FF=tcryogenics&1,,2,1,0/indexsort=-

5- The book, Cryogenics: Theory, Process, Applications İTÜ Kütüphanesi Yer No: QC278,4 C79 2011 6- E-kaynak, İTÜ Kütüphanesi Cryogenic Engineering, Second Edition, Revised and Expanded Thomas M . Flynn Sayfa: 445–535 http://www.crcnetbase.com/doi/abs/10.1201/9780203026991.ch7?p revSearch=%255BFulltext%253A%2Binsulation%255D&searchHisto ryKey=