Kriyojenik Sistemlerde Yalıtım

Kriyojenik Sistemlerde Yalıtım
Çağlar CANŞE – (YL) Onur YARAY – (YL) Can EKİCİ – (DR)

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

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.

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.

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

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

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.

KÖPÜK İZOLASYONU

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.

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

KÖPÜK İZOLASYONU

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…

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...

KÖPÜK İZOLASYONU

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

KÖPÜK İZOLASYONU

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.

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.

KÖPÜK İZOLASYONU

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.

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.

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.

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.

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.

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

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

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 Pyrex Glass ve metal kanallardır.

Pyrex Glass 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.

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.

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)

Yalıtımın geometrisine bağlı olarak ısı transfer miktarı değişmektedir. Aşağıdaki tabloda gri yüzeylerde farklı geometriler için yayınma katsayıları verilmiştir. e değerleri iki yüzeyin farklı malzemelerden olması durumu göz önüne alınarak formülize edilmiştir.

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.

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.

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.

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.

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.

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, Adsorbentler ile gaz alma işlemi.

Isı Transferinde Destek Sistemler - Malzeme Isı iletim katsayısı, gerilme katsayısı ve elastisite modülü 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.

Isı Transferinde Destek Sistemler - Malzeme

Isı Transferinde Destek Sistemler - Gerilme Vakum sistemlerde gerilmeleri azaltmak amacıyla çeşitli destek sistemleri geliştirilmiştir. Bunlardan en yaygın ikisi aşağıda gösterilmiştir. İlk sistem 3 adet rijit destekle, diğer sistem ise tanka farklı noktalardan bağlanan ve yer değişikliği yapılabilen destekle gösterim şeklinde özetlenmiştir.

Toz Vakumlu Yalıtım Sistemleri
Yalıtımı sağlayan alana brüt yoğunluğu, yani gazla dolu hali katı materyallere nazaran daha az hacim kaplayan tozlarla destek verildiği durumlarda ısı transfer oranlarının düştüğü gözlemlenmiştir. Bu tozların desteklediği gazın yalıtım alanına basınçlı gönderimi esnasında görünür ısı iletimi belirli bir noktaya kadar değişim göstermemiş ancak deneylerle belirlenen bir basınç aralığından sonra artış göstermiştir.

Perlit: Volkanik camsı taşlardan elde edilir. Çok yüksek sıcaklıklarda genişleme gösterir. Poroz yapısı nedeniyle düşük yoğunluklu bir maddedir. Kolay elde edilirliği nedeniyle tercih oranı yüksektir. Kolloidal Silika: Silikon tetraklorid maddesinin sıcak gaz ortamında hidrolizi (1100 ̊C) sonucu ortaya çıkan beyaz ve kabarık bir maddedir. Silika Aerogel: Su ile alkolün yer değişimi ile hazırlanan bir jeldir. Daha sonra alkolün çekilmesi ile katı tutucu bir madde ortaya çıkar. Bu maddenin metalik maddeler ve karbonla karışımı yalıtımda kullanılır.

Özellikle dielektrik maddelerin toz olarak kullanıldığı sistemlere metalik tozların katkısı ile ısı transfer miktarı azaltılabilir. Aşağıdaki grafikte bu dielektrik maddelere (Cab-O-Sil,perlit,Sancotel) alüminyum tozu ilavesi sonrası ısıl iletkenliklerindeki değişimi gözlemleyebiliriz. İletimdeki değişim ilave edilen Al tozunun miktarına bağlı olarak değişkenlik göstermektedir ve bu etki Cab-O-Sil maddesinde perlite göre daha yüksektir.

Perlit Kolloidal Silika Silika Aerogel

Toz vakumlu izolasyon sistemleri yüksek vakumlu ve çok katmanlı yalıtım sistemlerinden daha az etkindir. Yine de bu toz maddeler adsorber etki göstererek belirgin miktarda nemi hapseder ve vakum alanının kuru olmasını sağlar. Buna ek olarak bu tozlar vakum pompalarına doğru filtrasyon uygulanmazsa yalıtım alanında ve pompa gövdesinde aşınmalara neden olabilir.

Opaklaştırılmış Toz Vakumlu Yalıtım Sistemleri
Toz vakumlu sistemlere bakır ya da aluminyum pullar eklenerek oluşturulan yalıtım sistemidir. Bu pulların ilavesi ile radyasyonla ısı transferinde büyük oranda düşüş gözlemlenmiştir. Yalıtımda metal pulların kulanım oranının ise toz içinde yaklaşık %35-50 arasında optimum olduğu tespit edilmiştir. Aşağıdaki grafikte metal pulların katkı oranlarına göre ısı transfer miktarının değişimini gözlemleyebiliriz.

Grafiğe bakıldığında optimum oranın %45 dolaylarında olduğu görülmektedir.

Opaklaştırılmış toz sistemlerde, vakum alanında oluşması muhtemel titreşimler sonucu tozun opak metal maddelere zarar verme ihtimali vardır. Ayrıca metal pulların çarpışarak paket vaziyete geçmesi ısı transfer miktarına artış yönünde etki eder. Alüminyum tozlar oksijenle birleştiğinde yanma sıcaklığı çok yüksektir ve bu sistemde çeşitli mekanik sorunlara neden olabilir. Dolayısıyla bakır malzeme daha yoğun tercih edilmektedir.

Çok Katmanlı Yalıtım Genel Bilgi Çok katmanlı yalıtım ilk olarak 1951 yılında İsveçli Petersen tarafından geliştirilmiştir.

Çok Katmanlı Yalıtım

Çok Katmanlı Yalıtım Alternatif birden fazla katmandan oluşur.
Yüksek yansıtıcılığa sahip tabakalar (shield) Düşük iletkenliğe sahip ayırıcılar (spacer) Katmanlar arası çok iyi vakum

Çok Katmanlı Yalıtım Tabakalar arası vakum taşınım etkisinin azalmasını sağlayacaktır. Yüksek yansıtıcılık radyasyon etkisi açısından önemlidir.

Çok Katmanlı Yalıtım Yüksek yansıtıcı katmanlar için genellikle Al, Cu veya alimunized mylar denilen bir çeşit film malzemesi kullanılır. Bu malzeme fiberglas vb. yalıtım malzemesinin mekanik dayanımın aliminyum ile kaplanarak artırılması sonucu elde edilir.

Çok Katmanlı Yalıtım Her bir yalıtım elemanının kendine has bir özelliği bulunmaktadır. Yansıtıcı plaka (shield): Yüksek yansıtıcılıkla birlikte radyasyonla ısı transferini düşürürler. Ayırıcılar (spacer): Naylon ayırıcılar çok düşük ısıl iletkenliğe sahiplerdir, böylece iletimle ısı transferini düşürürler. Katmanlar arası vakum: Vakumun mükemmele yakın olması katmanlar arasındaki oluşacak konveksiyon ile ısı transferini düşürecektir.

Çok Katmanlı Yalıtım Özetle; çok katmanlı yalıtımda ısı transferinin tüm çeşitleri (radyasyon, taşınım, iletim) minimuma indirilmeye çalışılmaktadır. Düşük ısıl iletkenliğe sahip ve az noktaya dokunan spacer kullanılarak kondüksiyon, yüksek vakum ile konveksiyon, yüksek yansıtıcılıkta bir çok katman plaka (shield) kullanılarak radyasyon etkileri bertaraf edilmeye çalışılmaktadır.

Çok Katmanlı Yalıtım Her bir katmanın kalınlığı genellikle 6 µm civarındadır. Katmanlar arasında kalan artık gaz miktarı konveksiyon değerini etkileyecektir. Optimum performans için vakum değerinin 7,5E-05 Torr civarında olması gerekmektedir. 1 Torr = 133,32 Pascal

Çok Katmanlı Yalıtım Optimum performans için MLI ısı transferi yönüne dik olmalıdır.

Çok Katmanlı Yalıtım Yalıtım performansı = f (a,b,c,d,e)
a: uygulanan sıkıştırma yükü b: katman sayısı c: gaz tipi ve basıncı d: delik boyutları ve sayıları e: çalışma sıcaklığı

Çok Katmanlı Yalıtım Sıcaklık kontrol altında Yoğunluk: 24 katman/cm
Vakum ile MLI performans ilişkisi Sıcaklık kontrol altında Yoğunluk: 24 katman/cm

Çok Katmanlı Yalıtım MLI Yığınının Yoğunluğu MLI yığınının yoğunluğu yalıtım için önemli bir parametredir. Her bir yansıtıcı plakanın kalınlığı Her bir yansıtıcı plakanın yoğunluğu Spacer birim alanı Birim kalınlığa düşen katman sayısı Birim alana düşen toplam kütle Birim hacme düşen yoğunluk (N plaka için)

Çok Katmanlı Yalıtım Vakum: 1E-05 Torr Sıcaklık şartları aynı
Farklı Malzemelerin Değerleri Vakum: 1E-05 Torr Sıcaklık şartları aynı

Çok Katmanlı Yalıtım 1 no’lu plaka için denklem
MLI için Isı Transferi Denklemleri 1 no’lu plaka için denklem

Çok Katmanlı Yalıtım N adet katman için düzenlenirse;
İlk başta katman sayısı artarken radyasyon ile ısı transferindeki düşüş katı iletimdeki yükselişten daha fazladır. Fakat grafiğin alt noktasından sonra katı iletimden kaynaklanan ısı transferi artış hızı radyasyon ile ısı transferinin düşüş hızından daha hızlıdır.

Yapılmış bir çalışmadan örnek
Çok Katmanlı Yalıtım Yapılmış bir çalışmadan örnek

Çok Katmanlı Yalıtım Değişik Yalıtım Malzemelerine Bakış

Çok Katmanlı Yalıtım Kriyojenik Sistemlerde Kullanımı MLI’nin kriyojenik sistemlerde kullanımı yaygındır. Uzay uygulamaları ve parçacık hızlandırmalarda yaygın olarak kullanılırlar.

Çok Katmanlı Yalıtım Burada flexible bir hatta kullanım görülmektedir.
Kriyojenik Sistemlerde Kullanımı Burada flexible bir hatta kullanım görülmektedir.

Çok Katmanlı Yalıtım Flexible sistemler için bir tasarım
Kriyojenik Sistemlerde Kullanımı Flexible sistemler için bir tasarım

Çok Katmanlı Yalıtım Sarmal Çok Katmanlı Yalıtım Tank Yalıtımı

Çok Katmanlı Yalıtım Sarmal Çok Katmanlı Yalıtım Kryojenik bir çok sistemde, kryojenik akışkan içeren borulama ve tüplerde yalıtım uygulanır.

Optimum plaka yoğunluğunda ısı geçiş katsayısı minimum olacaktır.
Çok Katmanlı Yalıtım Yorumlar Vakum ortamında dominant olan ısı tranfer tipi radyasyondur. (Örn: Uzay, havasız ortam) MLI, yüksek yansıtıcı plakalar ve düşük iletime sahip spacerlardan oluşan katmanları içerir. MLI, iyi vakum uygulanırsa 77 K ve 4 K sıcaklıkları arasında daha verimlidir. Optimum plaka yoğunluğunda ısı geçiş katsayısı minimum olacaktır.

Teşekkürler.

Kriyojenik Sistemlerde Yalıtım

Benzer bir sunumlar

... konulu sunumlar: "Kriyojenik Sistemlerde Yalıtım"— Sunum transkripti:

Benzer bir sunumlar

Proje hakkında

Geri bildirim

Giriş

Sosyal ağ üzerinden giriş yapmak:

Kriyojenik Sistemlerde Yalıtım

Benzer bir sunumlar

... konulu sunumlar: "Kriyojenik Sistemlerde Yalıtım"— Sunum transkripti:

Benzer bir sunumlar

Proje hakkında

Geri bildirim