Из чего состоит сосуд дьюара. Сосуды дьюара и хранение в них жидкого азота

Сосуд Дьюара - это дедушка современных термосов. Сегодня нет проблем с сохранением необходимых продуктов длительное время при определенной температуре. Причиной для изобретения подобного сосуда послужило то, что у физиков не было возможности в течение какого-то времени сохранять газы в жидком состоянии. Сосуд Дьюара для жидкого азота был именно тем изобретением, которое успешно решило проблему. И, как это всегда бывает, находка для научных работ нашла свое применение в быту.

История

Так называемый сосуд Дьюара начинает свою историю с 1881 года. Немецкий ученый Адольф Фердинанд Вейнхольд разработал самый первый контейнер, который использовался для хранения сжиженного газа.

Он представлял собой стеклянный ящик, имеющий двойные стенки. Особенностью конструкции было то, что из межстеночного пространства воздух откачивался. В таком сосуде можно было хранить жидкий кислород. Изобретатель назвал сосуд «бутылкой Вайнхольда».

В 1892 г. шотландский химик и физик сэр Джеймс Дьюар внес в конструкцию А. Ф. Вейнхольда некоторые усовершенствования. Стеклянный ящик изменил форму и стал колбой с узким горлом, что позволило значительно сократить испарение жидкости. Кроме того, по указанию Дьюара было посеребрено межстеночное пространство. Впервые был получен и сохранен не только жидкий, но и твердый водород.

Первая демонстрация состоялась на публичной лекции в январе 1893 года, а массовое производство сосудов было начато в 1904 году. Фирма Thermos GmbH (Германия) была основана для изготовления термосов, она и взялась за внедрение изобретения для коммерческих целей.

Принцип действия

Как же работает сосуд Дьюара? Устройство аппарата поражает своей гениальной простотой: стеклянная или металлическая колба, имеющая двойные стенки, между которыми откачан воздух. Такая система значительно уменьшает теплопроводность стенок.

Оставшееся очень незначительное количество молекул воздуха переносит к содержимому сосуда Дьюара температуру окружающей среды. Такая остаточная теплопроводность провоцирует постоянное и постепенное испарение жидкого газа.

Это, в свою очередь, приводит к увеличению давления внутри емкости. Чтобы избежать неминуемого взрыва, аппарат снабжают предохранительным клапаном либо его неплотно закрывают. На испарение жидкого азота неплотно закрытая пробка влияет мало. Передача тепла снизу вверх происходит медленно, а площадь отверстия в сосуде ничтожно мала.

Таким образом, газ понемногу стравливается. Потери вещества незначительны, например, один килограмм жидкого воздуха за 10 дней при хранении потеряет всего 4 грамма.

Такое устройство позволяет в течение длительного времени сохранять и транспортировать газ в жидком состоянии, что очень важно для современной промышленности.

Модели

Во многих отраслях промышленности сосуд Дьюара применяют для различных целей. Существуют несколько моделей:

• серия Х, ХТ, LD - алюминиевые, горловина стеклопластиковая, применяются для перевозки и хранения жидкого азота и биоматериалов;
• серия СК, СДП - со стеклопластиковой горловиной, изготовлены из алюминия, применяются для транспортировки, хранения небольшого количества жидкого азота;
• серия СДС - алюминиевые, горловина стеклопластиковая применяются для транспортировки и хранения биоматериалов;
• вертикальные (объем 28-660 литров) - изготовлены из нержавеющей стали, применяются для транспортировки и хранения закиси азота жидкого азота, углекислоты, аргона, кислорода;
• горизонтальные - выполнены из нержавеющей стали, служат для хранения жидкого азота.

Кроме того, освоен выпуск огромных железнодорожных и автомобильных цистерн. Есть и специально оборудованные корабли, перевозящие крупные партии сжиженного газа.

Применение

Сосуд Дьюара широко применяется в современных отраслях хозяйствования. Чаще всего аппарат используют:

• в быту - для продолжительного хранения напитков, продуктов питания (термосы);
• в промышленности, лабораториях - для сохранения жидкого азота и прочих криожидкостей;
• в ветеринарии и медицине - для хранения биологического материала;
• в геофизике - для работы в горячих скважинах (в сосуд помещают кристаллы и электронные компоненты).

Стоимость

В настоящее время на рынке представлены самые разнообразные марки и разновидности термосов. Небольшие бытовые изделия используют для продуктов питания или жидкостей (чай, кофе). Цена в зависимости от объема, материала и марки производителя может колебаться от 5 долларов до 50.

На порядок выше стоимость тех сосудов, которые используются в промышленных масштабах и называются сосуд Дьюара. Цена определяется объемом и качеством изготовления. Хороший, на большой объем аппарат может стоить и несколько сотен долларов:

• модель Х-40СП (Харьковского завода транспортного оборудования, Украина) - 650 $;
• модель L2050 (Cryo Diffusion, Франция) - 1050 $;
• модель ХТ-3 (Taylor-Wharton, Словакия) - 220 $.

Цистерны, автомобильные или железнодорожные, для транспортировки криогенных жидкостей, стоят десятки тысяч долларов.

Криогенная техника - это такое специальное оборудование, которое позволяет производить, долго хранить и транспортировать различные газы. При этом, одной из главных составляющих этого оборудования считается сосуд Дьюара.

Что это такое?

Этот предмет представляет собой сосуд особого типа, необходимый для хранения различных веществ, температура которых отличается от температуры откупающей среды (пониженная или повышенная). Именно с помощью таких сосудов и удается долгое время хранить вещества с нужными температурными показателями. В целом, сосуд Дьюара действует по типу знакомого всем бытового термоса.

Строение сосуда Дьюара

Для обеспечения низкой тепловодности сосуд Дьюара изготовляется по особой технологии. Состоит он из 2 резервуаров:

• внешнего;
• внутреннего.

Обе эти емкости изготовлены из теплостойкого алюминия, однако в некоторых случаях в качестве основного материала может выступать нержавеющая сталь. Между резервуарами предусмотрены перемычки. Они должны быть одновременно тонкими и достаточно прочными. Такие характеристики может обеспечить нержавеющая сталь, но в последнее время ее все чаще заменяют специализированным прочным пластиком. Существуют и другие особенности, позволяющие увеличить эффект от использования сосуда Дьюара.

Внешний резервуар покрывается абсорбентом. Такая дополнительная защита позволяет эффективно поглощать газы, которые выделяются веществом из внутренней части сосудов.

Слой теплоизоляции на внешнем сосуде позволяет снизить теплопроводность до минимальных показателей.

Особую подготовку проходит и внутренний сосуд - его тщательно полируют для придания идеальной гладкости. На крышке устанавливается пенопластовый цилиндр, препятствующий началу процесса конвекции.

Цистерны Дьюара

Разработка сосудов Дьюара заметно повлияла на хранение и транспортировку различных веществ, среди которых, и жидкий азот. Хранить и транспортировать вещества в больших объемах позволяют большие емкости, которые и получили название «цистерны». Они могут иметь разный объем, достигающий 50 л. В зависимости от цели применения, можно выбрать, как совсем маленький, так и большой резервуар.

Отличительной характеристикой этого сосуда являются максимально прочные стенки наличие ручек для удобной переноски. Транспортировка цистерн с помощью ручек максимально удобна и безопасна даже с учетом низких температур транспортируемого вещества - холодный ожог рукам не грозит.

Сферы применения сосудов Дьюара

Цистерны, позволяющие хранить и транспортировать вещества с низкими температурами, получили широкое распространение. Особенно это касается перевозки и хранения в них жидкого азота. Так, купить сосуд Дьюара можно совершенно для разного применения.

1. Медицина. Жидкий азот нашел применение в нейрохирургии, гинекологии, оториноларингологии, нейрохирургии, хирургии и других направлениях. С его помощью удаляют злокачественные и доброкачественные опухоли и разные патологические ткани. При этом, процедура проходит быстро и безболезненно, а после нее не остается шрамов.
2. Косметология. В этом направлении азот получил не меньшую популярность. С его помощью удается избавиться от папиллом и бородавок. Азотом проводится криомассаж, в результате которого кожа приобретает здоровый цвет, гладкость и молодость. Криосауны - еще одно место, где без сосуда Дьюара просто не обойтись. Всего за 2-3 минуты нахождения в кабинке с жидким азотом, человек может начать эффективно худеть, омолодиться, улучшить состояние своей кожи.
3. Ветеринария. Цистерны Дьюара в этой сфере могут послужить контейнером для транспортировки биоматериалов (используются для искусственного оплодотворения животных).
4. Лаборатории. Жидкий азот применяется в научных компаниях и лабораториях. Кроме того, такой контейнер необходим для сохранения многих веществ в определенной температуре.
5. Машиностроение и промышленность. Довольно часто азотом пользуются для достижения повышенной прочности металлических деталей.
6. Приготовление еды. Молекулярная кухня… Для этих кулинарных изысков, основанных на физико-химическом процессе, тоже придется купить сосуды Дьюара. Именно с участием жидкого азота возникают химические реакции. Для ресторанов, работающих в традиционном направлении приготовления еды, азот тоже пригодится. Он помогает моментально охладить продукты.
7. Развлечения. Цистерны Дьюара - то, без чего невозможны многие развлекательные шоу для детей и взрослых.

Учитывая все вышесказанное, можно заключить: Такое криогенное оборудование, как сосуд Дьюара, широко распространен во многих отраслях промышленности и науки. Более того, спрос на него неуклонно растет.

В 1879 году немецкий физик А. Вайнхольд был озадачен сугубо научной проблемой: как хранить в лабораториях жидкий или даже твердый водород с температурой плавления аж -259,2 °С. Нужен был сосуд, сохраняющий столь низкую температуру даже в теплом помещении. Выход был найден. Ученому пришла идея соединить два тонкостенных стеклянных сосуда, поместив один в другой, спаять герметично горлышки, а из пространства между ними откачать воздух. Таким образом, вакуум сохранял температуру внутренней емкости, не позволяя ей нагреваться или охлаждаться (по такому же принципу действуют привычные оконные стеклопакеты ). Будучи к тому же еще и опытным стеклодувом, физик без труда , а результат подробно описал в своей книге «Демонстрационные опыты по физике», скромно назвав изобретение «бутылкой Вайнхольда». Спустя несколько лет его шотландский коллега Джеймс Дьюар совершенствует изделие, посеребрив внутренние стенки сосуда, для лучшего сохранения температуры. И «бутылка» превращается в «сосуд Дьюара».

Но на этом усовершенствования не закончились. Немецкий стеклодув Бюргер, долгое время производивший колбы для лабораторий, отметил, что сосуд Дьюара может быть полезен не только в науке, но и в быту.

В 1903 году Бюргер немного доработал вакуумный сосуд шотландца, облачив хрупкое стекло в металлическую оболочку, снабдив его функциональной крышкой-чашкой и первым из троих разработчиков догадался запатентовать изобретение. Вскоре был объявлен конкурс на лучшее название для новинки . Немцы активно предлагали различные замысловатые названия для сосуда. Однако победителем оказался житель Мюнхена, вспомнивший греческое слово therme (горячий). Так термо-сосуд, ровно как и фирма, занявшаяся его производством обрели свое имя . В 1904 году немецкая фирма THERMOS GMBH начинает серийный выпуск сосудов Дьюара, с этого момента именуемых не иначе, как термосы.

Естественно, создатель термоса, Джеймс Дьюар, пытался доказать права на изобретение, к тому времени уже приносившее серьезный доход. К сожалению, справедливости ученый так и не добился, единственным разработчиком, указанным в патенте так и остался Рейнгольд Бюргер.

С тех пор прошло больше ста лет. Сейчас можно выбрать термос любой емкости и расцветки, в металлическом, пластиковом и даже стеклянном корпусе. А, например, в советское время практически в каждой семье был большой жестяной термос красного или синего цвета, украшенный цветами или изображением восходящего солнца. Яркий и блестящий, на советской кухне он хранился на виду как предмет интерьера. Немецкие термосы до Союза не доезжали, зато без труда можно было купить китайский аналог. Большая часть привозимых в страну термосов производилась на пекинской фабрике «Олень». Вообще-то иностранные названия фирм обычно транскрибируют, а не переводят, но «Олень» решил оставить в тени свое китайское название, войдя на западный рынок как Bejiing Deer (пекинский олень). Таким образом жестяной китаец с немецким именем вошел в нашу жизнь.

По большому счету, с тех времен конструкция термоса не изменилась, за исключением маленькой, но очень важной детали — пробки. Она, в отличие от верхней крышки-чашки, не завинчивалась. Дело в том, что внутренний сосуд китайского термоса состоял из стекла и не имел резьбы. Так что использовалась исключительно крышка-затычка, как правило деревянная. Естественно, такой сосуд нельзя было переворачивать, что не всегда возможно на природе или в дальних поездках .

Сейчас существует огромное разнообразие марок и разновидностей термосов: для еды, напитков, термокружки. Одним словом, прогресс не стоит на месте. Впрочем, для многих это не просто предмет, а теплое напоминание о приятных событиях: поездке на природу с друзьями, дальнем путешествии или зимней прогулке.

Видео Что такое термос?

При искусственном осеменении животных все шире используют сперму, замороженную при -196°, которую хранят в жидком азоте в специальных емкостях - сосудах Дьюара .

В животноводстве используют различные типы сосудов отечественного и импортного производства. Наибольшее распространение получил сосуд отечественного производства СД 50 емкостью 52 л.

При работе персонала с жидким азотом и сосудами Дьюара возможны:

• обмораживание открытых участков тела при контакте с охлажденными поверхностями или попадании жидкого азота;
• головокружение, обморок или удушье в результате снижения концентрации кислорода в воздухе при испарении большой массы жидкого азота;
• взрыв сосуда Дьюара вследствие внезапной потери вакуума, быстрой десорбции газов при отогревании сосуда, а также из-за испарения азота при герметично закрытой горловине;
• конденсация на охлажденных жидким азотом поверхностях кислорода воздуха и возгорание при контакте с горючими материалами.

В связи с этим обращаться с сосудами Дьюара необходимо осторожно, в строгом соответствии с инструкцией по их эксплуатации. При падении, ударах, резких толчках может произойти нарушение целостности наружного кожуха или внутреннего сосуда, что сопровождается потерей вакуума. Признаком такой неисправности является быстрое испарение жидкого азота и обледенение наружного кожуха. Эксплуатировать или отогревать в рабочих помещениях неисправные сосуды Дьюара категорически запрещается. Потерявший вакуум сосуд Дьюара надо освободить от хранимой спермы и жидкого азота, а затем поставить на отогревание в течение трех суток в помещение, куда запрещен доступ людей.

Закрывать сосуды Дьюара можно только предназначенными для них крышками. Запрещается плотно закрывать горловину сосуда; испарение части жидкого азота создает внутри сосуда избыточное давление, поэтому внутрь сосуда не может попасть кислород из наружного воздуха. Кроме того, повышение давления создает опасность повреждения сосуда или выброса жидкого азота.

При транспортировке сосуды Дьюара и находящиеся рядом предметы необходимо надежно закреплять во избежание падений, повреждений.

Заливать жидкий азот в сосуд Дьюара надо через гибкий металлорукав диаметром 18 мм, давление по манометру в транспортной цистерне должно быть не более 0,5 атм. Гибкий металлорукав должен быть опущен в сосуд до дна, чтобы струя азота не выбросила рукав из горловины, так как могут пострадать работающие рядом люди. Из сосуда Дьюара и сосуд заливку ведут через широкую металлическую воронку.

В процессе заливки категорически запрещается заглядывать в сосуд для определения уровня жидкости. Заправка считается законченной при появлении из горловины первых брызг жидкости. Особую осторожность следует соблюдать во время заполнения теплых сосудов Дьюара, то есть новых или отогретых. Заполнять сосуды Дьюара жидким азотом в одиночку запрещается.

Вводить пинцет, канистры и другие предметы в жидкий азот надо медленно во избежание разбрызгивания, вызванного «кипением» жидкости при контакте с теплыми предметами. Чтобы сперма всегда находилась в жидком азоте, сосуды Дьюара, предназначенные для ее хранения, периодически дозаправляют, при понижении уровня жидкого азота до 1/2 емкости сосуда. Контроль за уровнем азота проводят периодическим погружением в азот металлической или деревянной линейки.

Жидкий азот как более летучий компонент обогащается кислородом примесью и техническом продукте. Недопустимо в смеси свыше 15% жидкого кислорода, так как такая смесь может воспламениться при контакте с органическими продуктами. Содержание кислорода контролируют газоанализатором типа ГХП-4. При отсутствии газоанализатора после каждых 12 дозаправок жидкость из сосуда Дьюара сливают, сосуд заполняют свежим азотом. Слив проводят на открытой специальной площадке в безопасном месте. Вблизи мест слива не должно быть деревьев, бумаги, асфальта и других органических продуктов.

Чтобы предотвратить загрязнение сосуда, гибкие металлорукава и воронки хранят в чехлах. Для удаления «ила» или твердых частиц необходимо слить содержимое сосуда, промыть сосуд чистым жидким азотом и поставить на отогрев. Не ранее чем через трое суток после слива сосуд промывают теплым (до +30°) водным раствором моющего средства ОП-7, а затем ополаскивают водой (не выше +70°). Промывку и очистку сосудов проводят на госплемпредприятиях и госплемстанциях. Нельзя нагревать сосуды. Такая операция может привести к взрыву.

Персонал, работающий с сосудами Дьюара и жидким азотом, обязан надевать защитные очки (лучше щитки из органического стекла), перчатки или рукавицы. Одежда должна быть без карманов, брюки - без манжет и закрывать верх обуви. Рукавицы должны быть свободными, чтобы при необходимости их можно было легко сбросить. При попадании жидкого азота на кожу пораженный участок немедленно обильно обмыть водой.

Помещение, где работают с жидким азотом или храпят сосуды Дьюара, должно быть оборудовано приточно-вытяжной принудительной вентиляцией, обеспечивающей содержание кислорода в воздухе не менее 19%.

При естественной вентиляции работа с жидким азотом допускается в помещении, объем которого в 7000 раз больше объема находящегося там жидкого азота.

Снижение концентрации кислорода в воздухе ниже 16% приводит к головокружению, обморокам или удушью без каких-либо предварительных симптомов. Пострадавшего следует вынести на свежий воздух.

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter .