Dewarova posuda

 

Dewarova vakumska boca u muzeju Royal Institution

James Dewar

Laboratorijska Dewar boca, Deutsches Museum, München

Dewarova posuda

Napor da se likvifikuje vodonik predvodio je škotski hemičar i fizičar James Dewar (1842–1923) .Svi kriogeni, uključujući tečni vodonik, imaju nisku latentnu toplinu. Mala količina toplote koja teče iz posude u tečni kriogen će uzrokovati da kriogen ispari u kratkom vremenskom periodu. Kriogeni su bili skladišteni pod vrlo visokim pritiskom, u kontejnerima sa značajnim pojačanjem pre Dewarovog vremena. Ovaj pristup je bio vrlo nepoželjan zbog visoke cene, kao i zbog sigurnosnih razloga. Tečni vodonik ima nižu temperaturu ključanja i manju molsku toplotu isparavanja (886 Joule) od ostalih gasova likvifikovanih do tada, što je čuvanje tečnog vodonika činilo posebno izazovnim.

Dewar je shvatio da je osnovno rešenje minimizirati razmenu topline između kriogena i njegovog skladišta. Sledeći svoju ideju da bi „vakum“ funkcionisao kao termička barijera između posude i hladnih kriogena, Dewar je smanjio prenos toplote u kriogen svojim izumom vakumske boce.

Ova posuda se sastojala od staklene boce s dvostrukim zidovima (ili uređaja sa dva balona), sa uklonjenim vazduhom iz prostora između dva zida, a zatim zapečaćen na vratu.

Postoje tri glavna kanala prenosa toplote: provodljivost, konvekcija i zračenje. Vakum sprečava provodljivost i konvekciju da prenesu toplotu između dva balona. Unutrašnji balon je zato dobro termički izolovan od spoljašnjeg balona, koji je na sobnoj temperaturi. Svaki kriogen sakupljen u unutrašnjem balonu ostaje hladan, sa niskom brzinom isparavanja, ostajući u tečnoj fazi duže vreme „vreme držanja“.

Treći kanal prenosa toplote (zračenje) je kasnije reduciran stavljanjem srebrnog premaza na spoljašnju površinu unutrašnjeg balona. Dewarova vakumska boca je prvi put bila izložena 1892. godine.

Pronalazak vakum boce bio je važna istorijska prekretnica u kriogenom inženjerstvu. Ovaj proboj je omogućio očuvanje kriogenih tečnosti u relativno dugim vremenskim periodima i postao je ključni alat koji je Onnes koristio za likvifikovanje helijuma u narednim godinama. Ovaj pronalazak je omogućio naučnicima da uskladište dovoljnu količinu tečnog gasa u dovoljnom trajanju za proučavanje svojstava raznih kriogena.

Uspeh kriogenog inženjerstva uskoro će dovesti do rađanja "nauke o niskim temperaturama".

Nekoliko tehnoloških primjena, kao što su mašine za nuklearnu magnetnu rezonancu i magnetnu rezonancu, oslanjaju se na korištenje dvostrukih vakum posuda. Ove posude imaju dve vakuumske sekcije. Unutrašnja boca sadrži tečni helijum, a spoljna tečni azot, sa jednim vakuumskim delom između. Gubitak dragocenog helijuma je na ovaj način ograničen.

Bezbednost

Vakum baloni su u opasnosti od implozije, a staklene posude pod vakuumom, posebno, mogu se neočekivano razbiti. Okrznuća, ogrebotine ili pukotine mogu biti početna točka za opasan kvar posude, posebno kada se temperatura posude brzo menja (kada se dodaje vruća ili hladna tečnost). Savetuje se pravilna priprema Dewar vakum boce kaljenjem pre upotrebe kako bi se održalo i optimiziralo funkcionisanje. Staklene vakum boce se obično ugrađuju u metalnu podlogu sa cilindrom koji se nalazi u mreži ili je obložen mrežom, aluminijumom ili plastikom kako bi se olakšalo rukovanje, zaštitilo od fizičkog oštećenja i sadržalo fragmente ako se razbiju.

Osim toga, Dewarove posude za kriogeno skladištenje obično su pod pritiskom i mogu eksplodirati ako se ne koriste ventili za smanjenje pritiska.

Toplotna ekspanzija se mora uzeti u obzir pri projektovanju vakum boce. Vanjski i unutrašnji zidovi izloženi su različitim temperaturama i širiće se različitom brzinom. Vakumska boca može puknuti zbog razlike u toplotnom širenju između spoljnih i unutrašnjih zidova. Dilatacijski spojevi se obično koriste u cevastim vakum bocama kako bi se izbeglo pucanje i održao integritet vakuuma.