YTÜ Is* Proses Tezli YL

YTÜ Isı Proses Tezli YL
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:
1) Genleşmeli Köpükler
2) Tozlu ve elyaf Malzemeler
3) Vakum Yalıtım
4) Vakumlanmış(boşaltılmış) tozlar ve elyaf
malzemeler
5) Opaklaştırılmış Tozlar
6) 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;
o kütle yoğunluğuna,
o yalıtım ortalama sıcaklığına,
o 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.

1.
Öncelikle ışınımla olan ısı transferi için
yayıcılık faktörü :
2.
İç kabuk alanı = A1= 75.8 ft2
Radyosyonla Isı transferi
3.
4.
Konaklama Faktörü (Fa)
5.
G:
6.
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.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.
- 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
 σ , Stefan Boltzman sabiti,
iletkenliğini,
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 ceketikılıfı 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.
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. 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 sıvıhe 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, buharkalkanı 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, buharkalkanı 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=