Il trasferimento di calore è un processo fondamentale in varie applicazioni scientifiche e industriali e comprendere il meccanismo di trasferimento di calore in un criostato di azoto liquido è cruciale per il suo funzionamento efficiente. Come fornitore leader di criostati di azoto liquido, abbiamo una vasta esperienza e una conoscenza approfondita di questo argomento. In questo blog, esploreremo i meccanismi di trasferimento di calore in un criostato di azoto liquido, tra cui conduzione, convezione e radiazioni.
Conduzione
La conduzione è il trasferimento di calore attraverso un materiale senza il movimento del materiale stesso. In un criostato di azoto liquido, la conduzione avviene in diversi componenti. Innanzitutto, consideriamo le pareti del criostat. Il criostato è in genere realizzato con materiali con bassa conducibilità termica per ridurre al minimo il trasferimento di calore dall'ambiente esterno all'azoto liquido all'interno. Materiali come l'acciaio inossidabile o alcuni polimeri sono comunemente usati perché hanno conduttive termiche relativamente basse rispetto a metalli come rame o alluminio.
La conduzione del calore attraverso le pareti del criostat può essere descritta dalla legge di Fourier di conduzione del calore: (q = -ka \ frac {dt} {dx}), dove (q) è la velocità di trasferimento del calore, (k) è la conduttività termica del materiale, (a) è il materiale di temperatura attraverso il materiale.
All'interno del criostato, anche il supporto del campione e qualsiasi altro componente solido a contatto con l'azoto liquido sperimentano conduzione. Ad esempio, se un campione viene inserito in un supporto e il supporto è in contatto diretto con l'azoto liquido, il calore si svolgerà dal campione all'azoto liquido. Il tasso di conduzione dipende dalla conduttività termica del materiale del supporto, dalla differenza di temperatura tra il campione e l'azoto liquido e dall'area di contatto tra il supporto e l'azoto liquido.
Un altro aspetto importante della conduzione in un criostato di azoto liquido è la conduzione attraverso le strutture di supporto. Queste strutture vengono utilizzate per tenere in atto i vari componenti, ma possono anche fungere da condotti per il trasferimento di calore. Per ridurre questo effetto, le strutture di supporto sono spesso progettate con una piccola area trasversale e realizzate con materiali con bassa conducibilità termica.
Convezione
La convezione è il trasferimento di calore mediante il movimento di un fluido. In un criostato di azoto liquido, ci sono due tipi di convezione: convezione naturale e convezione forzata.
La convezione naturale si verifica a causa delle differenze di densità nel fluido causato dalle variazioni di temperatura. Quando l'azoto liquido vicino alle superfici calde (come il campione o le pareti del criostato) viene riscaldato, diventa meno denso e si alza, mentre il più cotto e più denso azoto liquido affonda. Ciò crea un modello di circolazione che trasferisce il calore dalle regioni calde alle regioni più fredde dell'azoto liquido.
Il tasso di convezione naturale in un criostato di azoto liquido dipende da diversi fattori, tra cui la differenza di temperatura tra le regioni calde e fredde, le proprietà dell'azoto liquido (come densità, viscosità e conducibilità termica) e la geometria del criostat. Ad esempio, una differenza di temperatura maggiore comporterà generalmente un flusso di convezione naturale più vigoroso.
La convezione forzata può anche essere presente in un criostato di azoto liquido. Ciò può essere ottenuto usando pompe o ventole per far circolare l'azoto liquido. La convezione forzata può aumentare significativamente la velocità di trasferimento del calore rispetto alla convezione naturale. Spostando attivamente l'azoto liquido, le regioni calde sono raffreddate più rapidamente e la distribuzione della temperatura all'interno del criostato diventa più uniforme.
In alcuni criostati di azoto liquido avanzati, viene utilizzata la convezione forzata per garantire un controllo preciso della temperatura del campione. Ad esempio, è possibile utilizzare una pompa per far circolare l'azoto liquido attorno al supporto del campione, consentendo un rapido trasferimento di calore e una migliore stabilità della temperatura.
Radiazione
Le radiazioni sono il trasferimento di calore attraverso le onde elettromagnetiche. Tutti gli oggetti emettono radiazioni termiche e la quantità di radiazioni emesse dipende dalla temperatura e dall'emissività dell'oggetto. In un criostato di azoto liquido, si verifica il trasferimento di calore a radiazione tra i componenti caldi (come le pareti esterne del criostato a temperatura ambiente) e i componenti freddi (come l'azoto liquido e il campione).
Il tasso di trasferimento di calore radiazione tra due oggetti può essere calcolato usando la legge di Stefan - Boltzmann: (Q = \ Epsilon \ Sigma A (T_1^4 - T_2^4)), dove (Q) la velocità di trasferimento del calore, (\ Epsilon) è l'emissività della superficie, (\ sigma) è la costante di boltzman - (5.67 W/m^{2} k^{4})), (a) è la superficie dell'oggetto emetto, (t_1) è la temperatura assoluta dell'oggetto più caldo e (t_2) è la temperatura assoluta dell'oggetto più freddo.
Per ridurre il trasferimento di calore in radiazione in un criostato di azoto liquido, vengono spesso utilizzate superfici riflettenti. Ad esempio, le pareti interne del criostato possono essere rivestite con un materiale altamente riflettente come l'alluminio. Questo rivestimento riflettente riflette una grande porzione della radiazione in arrivo, riducendo la quantità di calore che viene assorbita dall'azoto liquido.
Inoltre, gli scudi di radiazioni possono essere posizionati tra le regioni calde e fredde del criostato. Questi scudi fungono da barriere al trasferimento di calore radiazioni, riducendo ulteriormente il carico di calore sull'azoto liquido.
Impatto sulla performance del criostat
Comprendere i meccanismi di trasferimento del calore in un criostato di azoto liquido è essenziale per ottimizzare le sue prestazioni. Riducendo al minimo il trasferimento di calore attraverso la conduzione, la convezione e le radiazioni, possiamo ridurre il consumo di azoto liquido e migliorare la stabilità della temperatura del criostato.
Ad esempio, se il trasferimento di calore attraverso la conduzione non è correttamente controllato, l'azoto liquido si ribollerà a una velocità più rapida, richiedendo un riempimento più frequente. Ciò non solo aumenta il costo operativo, ma può anche interrompere i processi sperimentali o industriali che si basano sul criostato.
Allo stesso modo, l'eccessivo trasferimento di convezione o radiazione può portare a fluttuazioni di temperatura all'interno del criostato, che possono influire sull'accuratezza degli esperimenti o sulla qualità dei prodotti industriali. Progettando attentamente il criostato per ridurre al minimo questi meccanismi di trasferimento di calore, possiamo garantire un funzionamento più stabile ed efficiente.
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Riferimenti
- Incropera, FP e DeWitt, DP (2002). Fondamenti di trasferimento di calore e di massa. John Wiley & Sons.
- Kittel, C. (1996). Introduzione alla fisica a stato solido. John Wiley & Sons.
- Touloukian, Ys (a cura di). (1970). Proprietà termofisiche della materia. Ifi/Plenum.