CRYOGENIC INSULATION

Kriyojenik Sistemlerde Yaltmalar CANE 12522004(YL)Onur YARAY 11522104 (YL)Can EKC 11522301 (DR)

Giri

Cyrogenic, ksaca ok dk scaklklarla ilgili alarak bunlarn nasl retilip korunduunu, ayrca malzemelerin bu scaklklarda nasl davrandyla ilgilenen bir daldr.GREndstriyel amalar iin kullanlan 120 K scakln altndaki uygulamalar, kryojenik uygulamalar tanmna girebilir.

Sabit olarak ne kadar dk scaklklarda allmak isteniliyorsa o kadar iyi yaltm yaplmaldr.GRKryojenik izolasyon eitleri, uygulama alanlarna gre optimize edilerek seilir. Bu optimizasyonda hesaba katlan faktrler ise; ekonomi,uygunluk,arlk,hacim ve yaltm verimlilii olarak sylenebilir. ok zel uygulamalar her zaman en iyi verimlili salayacak izolasyonla uyumlu olmayabilirler. Bu gibi durumlarda verimlilik 2. plana atlarak uygun olan izolasyon tipi seilmelidir.GRGenel olarak termal izolasyon performans aadaki faktrlere baldr.-Scaklk-Snr yzeylerin yayd radyant enerji-Malzeme younluu-Malzeme iinde bulunan gazn basnc-Nem oran-Mekanik titreimlerin etkisiGRCryogenic uygulamalarda kullanlan izolasyon tiplerini alt balk altnda inceleyebiliriz.1) Kpkl(poliretan) zolasyon2) Gaz doldurulmu tozlar ve fiber malzemeler3)Vakum zolasyonu4)Boaltlm gzenekli izolasyon5)ok katmanl izolasyon6)Opaklatrlm Tozlar

KPK ZOLASYONU

naat sektrnde kullanm yaygn olan poliretan kpk, poliol ve MD(izosiyanat) ad verilen iki kimyasal maddenin birlemesiyle meydana gelmektedir.Kpk, retimi srasnda ortaya kan karbondioksit gazndan dolay hcresel bir yapya sahiptir.KPK ZOLASYONU

KPK ZOLASYONUKpk izolasyonu kullanlan malzemeye gre, poliretan,polistren kpk,kauuk,silikon olarak gruplara ayrlrlar. Homojen malzeme olmadklarndan dolay termal iletkenlikleri, hcre younluu,barndrdklar gazlar ve scakla gre deimektedir.

KPK ZOLASYONUAada polistren kpk iin termal iletkenliin younlua gre deiimini gsteren grafik verilmitir.KPK ZOLASYONU

KPK ZOLASYONUKpk bir ka ay boyunca evre havasna maruz kalrsa hcrelerin iindeki karbondioksitin yerini hava alr ve bu da iletkenlii artrabilir. Bunun yannda kpn hidrojen ve helyum ieren bir ortamda uzun sre kalmas durumunda ise bu sefer bu gazlar boluklara difze olarak kpn termal iletkenliini yksek iletkenliklerinden dolay 3-4 kat artrabilirlerKPK ZOLASYONUBu izolasyonun en byk dezavantajlarndan biri yksek termal genleme katsaysnn olmasdr. Dolaysyla belirli scaklk deiimlerinde dier malzemelere gre 2-5 kat(Al) veya 4-10 kat(elik) fazla genleebilirler. Dolaysyla metal yzeylere direk olarak uygulanmazlar...KPK ZOLASYONU

KPK ZOLASYONU

KPK ZOLASYONUzolasyonun verimliliini artran faktrler:-Hcresel yaplarn kk ve birbirleriyle temas etmiyor olmas-Gaz basncnn drlmesi(decreasing mean free path)

KPK ZOLASYONU

KPK ZOLASYONU

KPK ZOLASYONUGenel olarak kpk izolasyonunda termal iletkenlik, dokular arasndaki gazlarn kondksiyonuna ve az da olsa radyasyonla s transferine baldr. Bu gazlarn dokulardan ekilmesi ile termal iletkenlik azaltlabilir.

KPK ZOLASYONUAyrca cam ve silika kpkler kapal hcrelere sahip olduklar iin dokulara difze olabilecek hava,hidrojen veya helyuma kar bir engel tekil ederler. Ancak bu zellikleri onlarn termal iletkenliklerinin ok dk olduunu gstermez.KPK ZOLASYONU

GAZ EREN TOZ VE FBER MALZEMELERDk younluktaki toz partiklleri ve fiberler ile doku aralarnda bulunan gazla salanan yaltmdr. Toz olarak kmr,perlit,silika-kmr karm, fiber malzeme olarak da fiber glass(cam elyaf), ta yn kullanlmaktadr.GAZ EREN TOZ VE FBER MALZEMELERBu yaltmn en nemli zellii, bu yaltmdaki kondksiyon miktarnn kpk izolasyonuna gre s transfer yolunun sreksiz olmas dolaysyla daha dk olmasdr. Ayrca kk boluklar iermesinden dolay konveksiyonun yok denecek kadar azaltlabilmesidir. GAZ EREN TOZ VE FBER MALZEMELER

GAZ EREN TOZ VE FBER MALZEMELER

GAZ EREN TOZ VE FBER MALZEMELER

GAZ EREN TOZ VE FBER MALZEMELER

GAZ EREN TOZ VE FBER MALZEMELER

GAZ EREN TOZ VE FBER MALZEMELER

GAZ EREN TOZ VE FBER MALZEMELERAslnda yaltm iindeki toz ve fiberler s akn ksa devre yaparak termal iletkenlii artrrlar, ancak ok kaliteli partikl kullanldnda, partikller aras mesafe mean free path mesafesinden ok daha kk olup, bu olay termal iletkenlii bu sefer azaltmaktadr.Dolaysyla boluklarn toz ile doldurulmas ile yaplan yaltm, bolukta gaz olmasna dayanan yaltmdan daha etkilidir.GAZ EREN TOZ VE FBER MALZEMELERBu yaltmlarda difzyonla ieri su buhar girmesi durumunda iteki souk katmanlara ilerleyen su buhar buralarda buz olarak tortu brakr ve termal iletkenlii bir hayli artrrlar.Bu yzden nlem olarak yaltmn d snrna hava kanallar alabilir.GAZ EREN TOZ VE FBER MALZEMELERDier gazlar iin de bu durumun nlenmesi iin souk yzeyin scaklnn gazn younlama noktasnn altnda olmamas gerekir. Bu snrlar hava iin 81,5 K, nitrojen iin 77 Kdir.77 Knin altndaki almalarda pratikte uygulanan en verimli gaz helyumdur..Uygulama seiminde titreimler gz ard edilmemelidir.GAZ EREN TOZ VE FBER MALZEMELER

GAZ EREN TOZ VE FBER MALZEMELER

GAZ EREN TOZ VE FBER MALZEMELER

GAZ EREN TOZ VE FBER MALZEMELERNusseltin Termal letkenlik Forml

Vr , partikl hacminin/ toplam hacme oranks, kat malzemenin sl iletkenliikg , Yaltm iindeki gazn sl iletkenlii, Stefan Boltzman Sabiti (0,1714 x 10-8 Btu/hr.ft2. R4)T, izolasyon scakld, partikl ap

GAZ EREN TOZ VE FBER MALZEMELER

Vakumlu Yaltm SistemleriKriyojenik sistemlerin izole edilmesinde kullanlan balca yntemlerden biri de vakumlu yaltm sistemleridir.

Vakumlu yaltm sistemleri ilk olarak sko fiziki James Dewar tarafndan tasarlanmtr. Bu tasarmna ithafen tasarm literatrde Dewar Kanal olarak adlandrlmtr.Vakumlu Yaltm SistemleriBu sistemlerin tasarm baznda en byk getirisi gazlarn iletimle ve tanmla s transferini engelleyebiliyor oluudur.

Uygun kat yaltkanlarn desteini ald durumda radyasyon ve tanmla s transferinin de byk oranda nne geebilmektedir.

En yaygn kullanlan iki tip Dewar kanal ise Pyrex Glass ve metal kanallardr.

Vakumlu Yaltm SistemleriPyrex GlassBu tip yaltmda kriyojenik maddeyi depolayan cam tpn dnda, aradaki hacmin vakumland bir cam tp daha bulunmaktadr.

D tpn d yzeyi ise gmle kaplanmtr. Bylelikle tanmla s transferi miktarnn azaltlmas amalanmtr.

Vakumlu Yaltm SistemleriMetal TplerBu tip yaltmda da kriyojenik maddeyi depolayan tpn dnda, aradaki hacmin vakumland bir tp daha bulunmaktadr ancak tp malzemesi bakrdr.

Bakrn yzey przllnn ok dk olmas nedeniyle srtnmelerin nne geilecei ve vakum etkisinin daha uzun sre korunabilecei gr savunulmaktadr.

Bakr malzeme lehimleme yntemiyle birletirilmektedir.

Vakumlu Yaltm SistemleriRadyasyonla Is TransferiSeilecek malzeme ve tpn geometrik tasarm saklanmas dnlen kriyojenik maddenin tipine ve miktarna bal olarak deimektedir.

Radyasyonla gerekleen s transfer miktarn bulmak iin Stefan-Boltzmann denkliinden yararlanlr. ki yzey aras transfer miktar ise yine benzer bir tretmeyle elde edilir.

e: Toplam yaynmT: ScaklkA: Toplam Is Transfer Alan: Sabit (5,67x10^-12)Vakumlu Yaltm SistemleriYaltmn geometrisine bal olarak s transfer miktar deimektedir.

Aadaki tabloda gri yzeylerde farkl geometriler iin yaynma katsaylar verilmitir. e deerleri iki yzeyin farkl malzemelerden olmas durumu gz nne alnarak formlize edilmitir.

Vakumlu Yaltm SistemleriSeilecek malzeme tr de radyasyonla s transferi miktarna dorudan etkimektedir.

Aadaki tabloda farkl malzemeler iin 300 K scaklnda bir kaynaktan farkl scaklk aralklarndaki yzeylere birim zamanda gerekleen transfer miktarna bal olarak iletim katsaylar verilmitir.

Vakumlu Yaltm SistemleriTp malzemesinin s transfer miktar eitli mekanik yzey ilemleri ile deiime tabi tutulabilmektedir.

Aadaki tabloda eitli malzemeler iin yaplan yzey ilemleri sonras s transfer katsaylarnn deiimi gsterilmektedir. Bu tabloya gre yzey dzenleme ve przll azaltma ilemleriyle yaynm gc azalmaktadr.

Vakumlu Yaltm SistemleriDk scaklklar iin yaplan deneyler sonucu elde edilen ortak veriler yledir;

En iyi reflektr grevindeki malzemeler ayn zamanda en iyi elektrik iletkenleridir(bakr,gm,altn,alminyum).

Yaynm scaklk dyle dmektedir.

yi reflektrlerin yaynm gc iyi yzey kontaminasyonu ile artmaktadr.

Bir metali iyi bir reflektrle alamlamak yaynm gcn azaltr.

Yzey dzenleme ve przll azaltma ilemleriyle yaynm gc artmakta, vakum yzeylerde ise srtnme etkisini azaltt iin yaynm gc azalmaktadr.

Grsel deiimler, yaynma gc konusunda uzun dalga boylu yaynmlarda gvenilir bir kriter deildir.Vakumlu Yaltm SistemleriKinetik teoriye gre ksa mesafeli s transferlerinde basn deiimi olduka dk olduundan etkisi ihmal edilmektedir.

Basn deiiminin etki alan, s transferinde serbest akm alan olarak bilinen mesafenin belirlenmesinde rol oynamaktadr. Basn etkisiyle molekler hareketin salnm alan kstlanr ve bu s transfer katsaylarn art ynnde etkiler.

Vakumlu Yaltm SistemleriGaz KaaklarVakum etkisindeki alanlarda zamanla llr miktarda gaz kaaklar yaanabilmekte, bu durum radyasyonla s transferine olumsuz etkimektedir.

Bu kaaklarn balca nedeni vakum alanndaki gazn iinde bulunan harici gazlardr. Oluan younluk fark nedeniyle vakum alannda hareketlenmeler ve kaaklarn oluumu kanlmazdr. Istma yntemiyle bu gazn giderilmesi mmkndr ancak zellikle metal yzeylerde tercih edilmemektedir.

eitli solventler, teflon, polietilen, polistren ve epoksi katkl yzey oluumlar, absorber etkileri nedeniyle kaaklarn giderilmesinde nlem olarak sunulabilir.

Sistemin eitli solsyonlarla temizliinin yaplmas da bu younluk farklar oluumunun nne getiinden bir nlem olarak gsterilmektedir.

Vakumlu Yaltm SistemleriGaz GidericilerVakum alannda oluan eitli kimyasal reaksiyonlar ve adsorpsiyonlar sonras oluan gazlarn tahliyesi gerekmektedir.

Belirlenen en geerli yntem ise;

Kimyasal gaz alma ilemi,Solsyonlar ile gaz alma ilemi,Adsorbentler ile gaz alma ilemi.

Vakumlu Yaltm SistemleriIs Transferinde Destek Sistemler - MalzemeIs iletim katsays, gerilme katsays ve elastisite modl destek sistemlerinin tasarmnda en nemli parametrelerdir.

Bu parametrelerden s iletim katsays ile maksimum alma gerilmesi miktarlarnn oranlar belirleyici faktrlerin banda gelir.

Bu oranlar gz nne alndnda endstriyel rnler olan Dacron,Nomex ve glass-fiber maddelerinin paslanmaz elik ve titanyum alamlarna gre daha sekin olduklar grlmektedir.

te yandan tasarma ait zel koullara baklarak maksimum ykte uzama yzdesi ve sl genleme katsays gibi parametreler de gz nne alnmaldr.

Vakumlu Yaltm Sistemleri

Is Transferinde Destek Sistemler - MalzemeVakumlu Yaltm SistemleriIs Transferinde Destek Sistemler - GerilmeVakum sistemlerde gerilmeleri azaltmak amacyla eitli destek sistemleri gelitirilmitir. Bunlardan en yaygn ikisi aada gsterilmitir.

lk sistem 3 adet rijit destekle, dier sistem ise tanka farkl noktalardan balanan ve yer deiiklii yaplabilen destekle gsterim eklinde zetlenmitir.

Toz Vakumlu Yaltm SistemleriYaltm salayan alana brt younluu, yani gazla dolu hali kat materyallere nazaran daha az hacim kaplayan tozlarla destek verildii durumlarda s transfer oranlarnn dt gzlemlenmitir.

Bu tozlarn destekledii gazn yaltm alanna basnl gnderimi esnasnda grnr s iletimi belirli bir noktaya kadar deiim gstermemi ancak deneylerle belirlenen bir basn aralndan sonra art gstermitir.

Toz Vakumlu Yaltm SistemleriPerlit: Volkanik cams talardan elde edilir. ok yksek scaklklarda genileme gsterir. Poroz yaps nedeniyle dk younluklu bir maddedir. Kolay elde edilirlii nedeniyle tercih oran yksektir.

Kolloidal Silika: Silikon tetraklorid maddesinin scak gaz ortamnda hidrolizi (1100 C) sonucu ortaya kan beyaz ve kabark bir maddedir.

Silika Aerogel: Su ile alkoln yer deiimi ile hazrlanan bir jeldir. Daha sonra alkoln ekilmesi ile kat tutucu bir madde ortaya kar. Bu maddenin metalik maddeler ve karbonla karm yaltmda kullanlr.

Toz Vakumlu Yaltm Sistemlerizellikle dielektrik maddelerin toz olarak kullanld sistemlere metalik tozlarn katks ile s transfer miktar azaltlabilir.

Aadaki grafikte bu dielektrik maddelere (Cab-O-Sil,perlit,Sancotel) alminyum tozu ilavesi sonras sl iletkenliklerindeki deiimi gzlemleyebiliriz.

letimdeki deiim ilave edilen Al tozunun miktarna bal olarak deikenlik gstermektedir ve bu etki Cab-O-Sil maddesinde perlite gre daha yksektir.

Toz Vakumlu Yaltm SistemleriKolloidal SilikaSilika AerogelPerlit

Toz Vakumlu Yaltm SistemleriToz vakumlu izolasyon sistemleri yksek vakumlu ve ok katmanl yaltm sistemlerinden daha az etkindir.

Yine de bu toz maddeler adsorber etki gstererek belirgin miktarda nemi hapseder ve vakum alannn kuru olmasn salar.

Buna ek olarak bu tozlar vakum pompalarna doru filtrasyon uygulanmazsa yaltm alannda ve pompa gvdesinde anmalara neden olabilir.

Opaklatrlm Toz Vakumlu Yaltm SistemleriToz vakumlu sistemlere bakr ya da aluminyum pullar eklenerek oluturulan yaltm sistemidir.

Bu pullarn ilavesi ile radyasyonla s transferinde byk oranda d gzlemlenmitir. Yaltmda metal pullarn kulanm orannn ise toz iinde yaklak %35-50 arasnda optimum olduu tespit edilmitir.

Aadaki grafikte metal pullarn katk oranlarna gre s transfer miktarnn deiimini gzlemleyebiliriz.Opaklatrlm Toz Vakumlu Yaltm SistemleriGrafie bakldnda optimum orann %45 dolaylarnda olduu grlmektedir.

Opaklatrlm Toz Vakumlu Yaltm SistemleriOpaklatrlm toz sistemlerde, vakum alannda olumas muhtemel titreimler sonucu tozun opak metal maddelere zarar verme ihtimali vardr.

Ayrca metal pullarn arparak paket vaziyete gemesi s transfer miktarna art ynnde etki eder.

Alminyum tozlar oksijenle birletiinde yanma scakl ok yksektir ve bu sistemde eitli mekanik sorunlara neden olabilir. Dolaysyla bakr malzeme daha youn tercih edilmektedir.

ok Katmanl Yaltm

ok katmanl yaltm ilk olarak 1951 ylnda sveli Petersen tarafndan gelitirilmitir.

Genel Bilgi

ok Katmanl Yaltm

ok Katmanl Yaltm

Alternatif birden fazla katmandan oluur.

Yksek yanstcla sahip tabakalar (shield)Dk iletkenlie sahip ayrclar (spacer)Katmanlar aras ok iyi vakum

ok Katmanl Yaltm

Tabakalar aras vakum tanm etkisinin azalmasn salayacaktr.

Yksek yanstclk radyasyon etkisi asndan nemlidir.

ok Katmanl Yaltm

Yksek yanstc katmanlar iin genellikle Al, Cu veya alimunized mylar denilen bir eit film malzemesi kullanlr. Bu malzeme fiberglas vb. yaltm malzemesinin mekanik dayanmn aliminyum ile kaplanarak artrlmas sonucu elde edilir.

ok Katmanl Yaltm

Her bir yaltm elemannn kendine has bir zellii bulunmaktadr.Yanstc plaka (shield): Yksek yanstclkla birlikte radyasyonla s transferini drrler.Ayrclar (spacer): Naylon ayrclar ok dk sl iletkenlie sahiplerdir, bylece iletimle s transferini drrler.Katmanlar aras vakum: Vakumun mkemmele yakn olmas katmanlar arasndaki oluacak konveksiyon ile s transferini drecektir.

ok Katmanl Yaltm

zetle; ok katmanl yaltmda s transferinin tm eitleri (radyasyon, tanm, iletim) minimuma indirilmeye allmaktadr.

Dk sl iletkenlie sahip ve az noktaya dokunan spacer kullanlarak kondksiyon, yksek vakum ile konveksiyon, yksek yanstclkta bir ok katman plaka (shield) kullanlarak radyasyon etkileri bertaraf edilmeye allmaktadr.ok Katmanl Yaltm

ok Katmanl Yaltm

Her bir katmann kalnl genellikle 6 m civarndadr.Katmanlar arasnda kalan artk gaz miktar konveksiyon deerini etkileyecektir.Optimum performans iin vakum deerinin 7,5E-05 Torr civarnda olmas gerekmektedir.1 Torr = 133,32 Pascal

ok Katmanl Yaltm

Optimum performans iin MLI s transferi ynne dik olmaldr.

ok Katmanl Yaltm

ok Katmanl Yaltm

Yaltm performans = f (a,b,c,d,e)

a: uygulanan sktrma ykb: katman saysc: gaz tipi ve basncd: delik boyutlar ve saylare: alma scakl

ok Katmanl Yaltm

ok Katmanl Yaltm

Scaklk kontrol altndaYounluk: 24 katman/cmVakum ile MLI performans ilikisi

ok Katmanl Yaltm

MLI ynnn younluu yaltm iin nemli bir parametredir.

MLI Ynnn Younluu

Her bir yanstc plakann kalnl

Her bir yanstc plakann younluu

Spacer birim alan

Birim kalnla den katman says

Birim alana den toplam ktle

Birim hacme den younluk (N plaka iin)

ok Katmanl Yaltm

Vakum: 1E-05 TorrScaklk artlar aynFarkl Malzemelerin Deerleri

ok Katmanl Yaltm

1 nolu plaka iin denklemMLI iin Is Transferi Denklemleri

ok Katmanl Yaltm

N adet katman iin dzenlenirse;

lk bata katman says artarken radyasyon ile s transferindeki d kat iletimdeki ykseliten daha fazladr. Fakat grafiin alt noktasndan sonra kat iletimden kaynaklanan s transferi art hz radyasyon ile s transferinin d hzndan daha hzldr.

ok Katmanl Yaltm

Yaplm bir almadan rnek

ok Katmanl Yaltm

Deiik Yaltm Malzemelerine Bak

ok Katmanl Yaltm

MLInin kriyojenik sistemlerde kullanm yaygndr.Uzay uygulamalar ve parack hzlandrmalarda yaygn olarak kullanlrlar.

Kriyojenik Sistemlerde Kullanm

ok Katmanl Yaltm

Burada flexible bir hatta kullanm grlmektedir.

Kriyojenik Sistemlerde Kullanm

ok Katmanl Yaltm

Flexible sistemler iin bir tasarm

Kriyojenik Sistemlerde Kullanm

ok Katmanl Yaltm

Flexible sistemler iin bir tasarm

Kriyojenik Sistemlerde Kullanm

ok Katmanl Yaltm

Tank Yaltm

Sarmal ok Katmanl Yaltm

ok Katmanl Yaltm

Sarmal ok Katmanl YaltmKryojenik bir ok sistemde, kryojenik akkan ieren borulama ve tplerde yaltm uygulanr.

ok Katmanl Yaltm

YorumlarVakum ortamnda dominant olan s tranfer tipi radyasyondur. (rn: Uzay, havasz ortam)

MLI, yksek yanstc plakalar ve dk iletime sahip spacerlardan oluan katmanlar ierir.

MLI, iyi vakum uygulanrsa 77 K ve 4 K scaklklar arasnda daha verimlidir.

Optimum plaka younluunda s gei katsays minimum olacaktr.

Teekkrler.