Строение сосуда дьюара. Что такое сосуд Дьюара? Каково устройство сосуда Дьюара? Пищевой термос - история изобретения. Видео. Строение сосуда Дьюара

Для своих нужд, не все имеют представление об их устройстве. Сейчас расскажем, как устроена эта емкость и почему, находясь в ней, криогенные жидкости сохраняют свои свойства.

Прообраз современного сосуда

Первый резервуар для хранения криогенных жидкостей был изобретен в конце девятнадцатого века в Германии. Тогда он представлял собой стеклянный ящик с двойными стенками, между которыми создавался вакуум. Шотландский ученый Дж. Дьюар доработал изобретение, придав ему форму колбы с узким горлом.

Такая конструкция была выбрана неслучайно – узкое горло препятствует быстрому испарению криогенных жидкостей, а вакуум в межстеночном пространстве помогает поддерживать заданную температуру веществ. Стенки с внутренней стороны подвергались серебрению, что обеспечивало дополнительную термоизоляцию. С появлением новых технологий конструкция совершенствовалась, пока мы не получили изделие, которое используем сейчас.

Конструкция современных сосудов Дьюара

Современные изделия, к которым мы привыкли, несколько отличаются от своих предшественников. Если первые сосуды Дьюара изготавливались из стекла, то сейчас их производят из алюминия или нержавеющей стали. Важную роль при выборе материала играют прочность и вес.

Основные составляющие части сосуда Дьюара:

• внешний и внутренний сосуд;
• горловина;
• крышка;
• адсорбент для межстеночного пространства.

Внешний и внутренний сосуды соединяются в горловине. Из пространства между ними воздух откачивается до давления 10 −2 Па (создается вакуум). Стенки внутреннего сосуда с внешней стороны покрыты адсорбирующим веществом. Сделано это для удаления остаточных газов из вакуумного пространства.

Горловина соединяет обе части сосуда. В зависимости от модели горловина может быть узкой или достаточно широкой (до 210 мм в диаметре). Она выполняется из армированного пластика, для удешевления производства может использоваться нержавеющая сталь.

Крышка сосуда позволяет плотно (но не герметично) закрывать горловину. К ней дополнительно крепят пенопластовый цилиндр, который закрывает ее и способствует стравливанию излишков жидкого азота. От серебрения стенок сосуда отказались, заменив его полировкой.

Если вы ищете сосуды Дьюара с высокими техническими характеристиками, рекомендуем заказать их в нашем магазине. Все товары сопровождаются гарантией, а большой выбор продукции позволит подобрать оптимальный вариант.

Сосуды Дьюара помогают хранить вещество при температуре, имеющей пониженное либо повышенное значение. Одним из главных качеств подобного устройства является его низкая теплопроводность. За счет этого температура может сохранять свое исходное значение. Кроме того, активизации данного фактора способствуют также процессы разной направленности, протекающие в самом веществе.

Современная конструкция сосуда

Изготавливаются сосуды сосуды дьюара так… Оба стакана - и тот, что находится внутри, и тот, что снаружи, выполняются из теплостойкого алюминия. Иногда в качестве основного компонента может выступать нержавеющая сталь. Главным свойством вещества для помещения его в сосуд является удельный вес. Между двумя стаканами располагается перемычка. Она должна быть достаточно прочной, но в то же время достаточно тонкой. Изготавливаться она может из нержавеющей стали или из прочнейшего пластика (новейшие тенденции).

Перед изготовителями постоянно встает вопрос об обеспечении вакуумного уплотнения благодаря имеющемуся креплению. Для этого тот сосуд, что находится снаружи, покрывается особым веществом - адсорбентом. Такое вещество способно поглощать излишние выделившиеся внутри сосуда газы. Чтобы снизить теплопотери, сосуд дополнительно покрывают теплоизоляционным материалом. Чтобы снизить возможный процесс конвекции, к крышке крепят цилиндр из пенопласта, который перекрывает перемычку, но делает это не полностью. Все те газы, которые имеют низкое давление, откачиваются из области вакуума. Поверхность изнутри тщательно отполирована.

Гелиевые сосуды Дьюара

Применение гелия для использования его в конструкции сосуда обусловлено низкими теплопотерями. Поэтому данный вид сосуда экранируют гелием, охлаждаемым при этом жидким азотом. Для экрана же применяют металлы, хорошо проводящие тепло. У такого сосуда Дьюара можно наблюдать две перемычки: одна делается для жидкого азота, другая - для гелия. Гелиевая перемычка снабжается также сбросовыми штуцерами, разъемами для подключения манометра и сифона. Такие методы контроля позволяют нагнетать определенное давление и контролировать производимые манипуляции.

Сфера применения сосудов Дьюара

Сосуды Дьюара любой человек применяет почти каждодневно в своем быту, порой об этом совершенно не подозревая. Обыкновенный термос является моделью сосуда, адаптированной для сохранения чая, кофе и других напитков. Сосуды Дьюара используются для экспериментальных исследований, помогая сохранять вещества в охлажденном состоянии. Кроме того, данное оборудование позволяет оставлять неизменными биологические образцы для их использования в медицине.

Цистерны Дьюара

Цистерны различных типов используются для транспортировки охлажденных веществ на некоторое расстояние. Принцип их изготовления идентичен, только увеличены объемы по сравнению с обычными сосудами. Основа, которая делает мобильные цистерны дьюара возможными к применению - стенки с двойным дном. Материалом для изготовления стаканов является сталь, из нее же выполняются перемычки. В качестве охлаждающей среды используется жидкий азот, экранироваться цистерна может гелиевым слоем. Цистерны Дьюара помогают сохранять качества охлажденного вещества в их изначальном состоянии.

Теплоизоляция сосудов Дьюара

Прежде использовались две модели обеспечения теплоизоляции сосуда: вакуумная, и экранирование сосуда гелием вкупе с охлажденным азотом. Обе модели были весьма действенными, но в обоих случаях могли наблюдаться очень незначительные некоторые моменты, требующие доработки. В частности, при возможной утечке газа и нарушении целостности оболочки обнаружить ее было практически невозможно. Использование криогенной жидкости различного рода позволяет увеличить безопасность при применении сосуда. Ведь в случае слишком большой потери исходного продукта сосуд способен взорваться из-за разницы давления внутренней и внешней среды.

Теплоизоляция трубопроводов для перекачивания азота

Азот относится к числу веществ, требующих постоянного контроля при перекачивании и транспортировке. Поэтому и теплоизоляция для трубопроводов, контактирующих с данным газом, должна быть соответствующая. Чаще всего теплоизоляция трубопроводов сегодня выполняется в виде жидкого керамического материала . Множество не видимых глазу силиконовых шариков, заполненных кислородом, непрерывно движутся внутри жидкой консистенции. Основой для такой жидкости служат полимеры акрила, синтетический каучук, элементы неорганики. Данная комбинация способствует большей гибкости, большей надежности материала. Такой жидкий материал обычно бывает белого цвета. Сохнет он достаточно быстро, образуя необходимую защитную пленку.

Новый метод теплоизоляции

Благодаря вводимым в эксплуатацию технологиям (применение жидкой теплоизоляции) по транспортировке и хранению азота и иных веществ производство сосудов Дьюара также должно стать гораздо дешевле. При этом польза от применения устройств в практических целях заметно возрастет. Это касается и цистерн, и малых сосудов изготовленных по одному тому же признаку.

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?

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.

Термос изобретен усилиями трех человек на протяжении четверти века. В 1879 году физик профессор А. Вайнольд предложил использовать для сохранения жидких газов двустенный сосуд из стекла с вакуумом между стенками. В 1890 году английский химик профессор Джеймс Дьюар усовершенствовал «бутылку Вайнхольда», посеребрив стенки, что ослабило утечку тепла через стенки. Наконец, в 1904 году берлинский стеклодув Р. Бургер добавил к сосуду Дьюара защитную оболочку и стал продавать его как термос для горячего кофе или бульона.

Сосуд Дьюара представляет собой резервуар «сосуд в сосуде», межстенное пространство которого заполнено многослойной изоляцией (алюминиевая фольга АДI-М-0,011 и стеклобумага - стекловуаль ЭВТИ-7) и откачан воздух при изготовлении до остаточного давления 10 (-4) мм.рт.ст. Для поддержания глубокого вакуума в межстенном пространстве расположены адсорбент и поглотитель водорода. Материал сосуда - алюминиевый сплав АМц, благодаря этому температура в верхней зоне сосуда Дьюара не поднимается выше минус 170 градусов цельсия даже при наличии в нем 5 кг. (12%) жидкого азота.

В настоящее время промышленно выпускается криогенное оборудование (греч. криос – холод, генос - рождение) разных типов и марок: сосуды Дьюара промышленные – СДП: СДП-5, СДП-10, СДП-16, СДП-25, СДП-40 и др. (цифра означает емкость сосуда в литрах); СД –сельскохозяйственные: СДС-5, СДС-20, СДС-30, Х-30 (Харьков-30) и др.; стационарные хранилища – ХСЖА, КВ-6202, ХБ-0,5 (на 500 л.), ХБ-0,2 (на 240 л.) и др.

Важнейшей характеристикой Сосуда Дьюара является срок полного испарения жидкого азота, который для всех СДП и СДС составляет 30-35 суток, а в сосудах старого типа АТ-6 – до 20 суток. Испаряемость жидкого азота от СДП-5 до СДП-40 составляет от 10 до 24 г/ч (4,8-1,8% в сутки!), в СДС-20, СДС-35, СДС-50 соответственно 10,12,14 г/ч.

Сосуды Дьюара нового поколения «СДС-35М» и СДС-6М – имеет более совершенную многослойную теплоизоляцию и высокий вакуум; внутренний и наружный слои из алюминиевого сплава соединены стеклопластиковой горловиной, при этом время полного испарения жидкого азота доходит до 300 и 48 суток соответственно, а испаряемость жидкого азота составляет 3,9 и 4,6 г/час. (См. Рис. Схема сосуда Дьюара).

Жидкий азот – это бесцветная жидкость, по внешнему виду напоминает воду. Температура кипения его -196 °C, удельный вес 0,804 кг/л, теплота испарения -47,7 ккал/кг. Из всех криогенных жидкостей, получаемых путем сжижения атмосферного воздуха (жидкий воздух, жидкий кислород -183 °C) жидкий азот наименее опасен, химически инертен. Испаряясь, он превращается в газообразный азот, который бесцветен, не имеет запаха, не горюч, его удельный вес 1,16 кг/м3, молекулярная масса 28; в атмосферном воздухе он содержится в количестве 79%. При длительном вдыхании воздуха с повышенным содержанием азота (уменьшение содержание кислорода менее 16%) у человека наблюдается головная боль, а при больших концентрациях азота (например, выливание азота из упавшего Сосуда Дьюара) – обморочное состояние. Поэтому в помещениях, где работают с жидким азотом, должна быть принудительная вентиляция. На пункте Сосуды Дьюара хранят в манеже, в специально отгороженном решеткой месте или лаборатории, на таком расстоянии от окна или двери, чтобы до него мог достать шланг для заправки жидким азотом.

При падении, ударах, резких толчках может произойти нарушение соединения внутреннего и наружного сосудов, так как они соединены только в области горловины, что сопровождается потерей вакуума, поэтому при транспортировке необходимо надежно закреплять Сосуд Дьюара в кузове машин. Первым признаком потери вакуума является обледенение, появление инея – образование «снеговой шубы» в области горловины кожуха Сосуда Дьюара, испарение жидкого при этом идет очень быстро. Категорически запрещается оставлять на отогрев такие сосуды Дьюара в помещение, где могут находится люди, так как увеличение давления в межстенном пространстве может привести к взрыву. Сосуды Дьюара, потерявшие вакуум, отогревают в течение не менее трех суток в изолированном помещении, а затем отправляют для ремонта на завод-изготовитель.

Особенности эксплуатации Сосудов Дьюара заключается в том, что оператор должен регулярно определять уровень жидкого азота в них. Первый замер производится через неделю, после доливки, второй – через неделю после первого. Результаты замеров фиксируются в журнале. Для обычных Сосудов Дьюара необходимо произвести третий замер, в течение третий недели после доливки, при этом необходимо записывать температуру окружающего воздуха, сколько раз открывался сосуд Дьюара. Определять уровень жидкого азота можно специальными металлическим щупом –мерной линейкой: её опускают в Сосуд Дьюара до дна и выдерживают 15-20 секунд, извлекают – замерзшая зона покажет количество азота в Сосуде Дьюара.