Сосуд Дьюара: устройство, принцип действия, применение

Сохранение и транспортировка газов в жидком состоянии — основное предназначение криогенной техники. Принцип сосуда Дьюара играет в ней ведущую роль. Рассмотрим, как он действует и где используется.

Сохранение и транспортировка газов в жидком состоянии — основное предназначение криогенной техники. Принцип сосуда Дьюара играет в ней ведущую роль. Рассмотрим, как он действует и где используется.

История создания

Впервые емкость для хранения сжиженных газов изобрел немецкий ученый А.Ф. Вейнхольд в 1881 году. Она представляла собой ящик из стекла, между двумя стенками которого был вакуум.

Спустя одиннадцать лет уже шотландский физик Д. Дьюар усовершенствовал конструкцию, придав ей форму колбы с зауженным горлышком. Кроме этого, межстеночное пространство было посеребрено, а воздух так же, как и у предшественника — откачан.  Серебрение требовалось для получения отражающего покрытия, чтобы уменьшить потери на излучение.

Закрепив емкость на пружинах в металлическом чехле, ученому впервые удалось сохранить жидкий водород. Коммерческое развитие сосуды Дьюара получили уже в 1904 году, когда немецкая фирма Thermos выпустила их в продажу.

Современное строение сосуда Дьюара

За более чем сто лет своего существования устройство претерпело множество изменений. Сегодня оно используется в основном для хранения жидкого азота.

Конструкция состоит из двух резервуаров (алюминиевых или из нержавейки), между которыми находятся тонкие, но достаточно прочные перемычки. Они могут быть выполнены также из нержавеющей стали или специального пластика.

Внешнюю емкость покрывают слоем адсорбента для поглощения остаточного газа из межстеночного пространства. Внутренний резервуар дополнительно теплоизолируют. Поверхности уже не серебрят, а тщательно полируют.

Между собой сосуды соединены горловиной. К ее теплопроводности предъявляют особые требования. Обычно она, как и основные элементы, сделана из нержавейки. Но встречаются модели с горлышком из армированного пластика.

На крышке емкости находится цилиндр из пенопласта для сокращения теплопередачи при конвекции. Давление в вакуумной полости доводят до величины 10-²Па.

На схеме показана конструкция сосуда Дьюара. Обозначения:

1. Основание.
2. Вакуум.
3. Теплоизоляционный слой.
4. Адсорбент.
5. Внешний и внутренний резервуары.
6. Внешний и внутренний резервуары.
7. Горловина.
8. Запорный элемент.
9. Трубка для создания вакуума.

Емкости для гелия

Гелий, с низкой температурой испарения, требует дополнительной теплоизоляции. Поэтому для его хранения и транспортировки используют модифицированный вариант. 

Дополнительно предусматривают медные тепловые экраны (на схеме обозначены 5). Их охлаждают жидким азотом, заливая его через горловину (1) в емкость (4). Во внутренний резервуар (6) подают сам гелий через вторую горловину (3). Она оборудована головкой со штуцерами (2) для присоединения клапана, сифона, манометра или газосброса.

Как и в традиционном сосуде, здесь предусмотрена теплоизоляция (7) и слой адсорбента (8).

Важно! Гелиевый сосуд категорически нельзя отклонять от вертикального положения.

Цистерны для жидкого азота

Для перевозки, а также хранения этого востребованного вещества используют емкости различного объема, вплоть до цистерн вместимостью 50 л.

Такие модели отличают очень прочные стенки и специальные ручки для удобства перемещения. Они надежно защищают руки от холодного ожога при крайне низких температурах перевозимой жидкости.

Для чего нужен сосуд Дьюара

Жидкий азот нашел свое применение в многочисленных направлениях производства, промышленности, медицины. Отсюда и популярность сосудов для его транспортировки:

• медицина и косметология — азот в жидком агрегатном состоянии нужен для удаления патологических новообразований и тканей;
• производство и машиностроение — требуется для обработки деталей из металла;
• пищевая промышленность — выступает в качестве агента для охлаждения продуктов, незаменим в молекулярной кухне.

Основное бытовое применение — это термос для еды и напитков.

В ветеринарии дьюар служит контейнером для различных биоматериалов. Например, при искусственном оплодотворении животных. В научных лабораториях также используется для хранения реагентов при заданной температуре.

В геофизике в таких емкостях размещают электронные элементы и кристаллы, если работы ведутся в горячих скважинах.

Поддержание постоянной температуры пассивным способом на основе отличной термоизоляции — выгодно отличает сосуды Дьюара от крио- или термостатов. Если сосуд необходим для однократной перевозки или разовых работ, то его можно арендовать. Но предварительно важно изучить приложенную техническую документацию и уточнить срок эксплуатации.