Exam text content

SMG-4400 Kryogeniikka

Tentti 15.5.2012 Risto Mikkonen

 

Oman ohjelmoitavan laskimen käyttö sallittu.

OSA |

00)

10.
11.
12.
13.

14.

15.

Vastaa lyhyesti seuraavaan 15:ta kysymykseen.

Miten ranskalainen insinööri Georges Claude liittyy kryogeniikan kehitykseen ja histori-
aan?

Miten matemaattisesti ja verbaalisesti määritellään käsite lämpökapasiteetti vakiotila-
vuudessa?

Miksi neonin nesteyttäminen on huomattavasti kalliimpaa heliumin nesteytykseen
nähden, vaikka nestemäisen neonin höyrystymislämpötila on paljon korkeampi nes-
teheliumiin verrattuna?

Suprajohtava magneetti on upotettu nesteheliumkylpyyn. Magneetin ulkoiset virtajohti-
met valmistetaan joko kuparista tai messingistä, jolloin virtajohtimien kautta siirtyvä
lämpökuorma nesteheliumiin muodostuu lämmönjohtumisesta ja virtajohtimien sähkö-
virran aiheuttamista Joule-häviöistä. Kommentoi ja perustele virtajohtojen materiaaliva-
lintaa, kun kriteerinä on minimoida niiden aiheuttamat lämpöhäviöt.

Mitä tarkoitetaan käsitteillä Gibbsin ja Helmholzin vapaa energia?

Mitä rajoitteita liittyy heliumin nesteyttämiseen, mikäli hyödynnetään isentaipista laaje-
nemista?

Happea hyödynnetään paljon teräksen valmistuksen yhteydessä. Miksi?

Esitä ja kommentoi heliumin faasidiagrammia.

Mitä tarkoitetaan jäähdytyksen hyötykertoimella ja mitä tämä suure on vedyn ja heliu-
min tapauksessa?

Minkä typpisiä lämmönvaihtimia tämän päivän kryojäähdyttimet hyödyntävät?

Kuvaile Gifford-McMahon -tyyppisen kryojäähdyttimen toimintaperiaatetta.

Mitä suuruusluokkaa kryojäähdyttimien hyötysuhde tänä päivänä parhaimmillaan on?
Suprajohdemagneetin toimintalämpötila on 20 K. Esitä magneetti ja sen kryostaattira-
kenne, kun järjestelmä hyödyntää 2-vaiheista kryojäähdytintä.

Miten lämpösäteily eroaa muista lämmönsiirron mekanismeista? Mitä on ns. supereriste
ja millä tavalla se vaikuttaa säteilylämmönsiirtoon?

Mitä ymmärretään lämpövastuksen käsitteellä? Minkälainen on karteesisessa koordi-
naatistossa johtumislämpövastuksen lauseke?

KÄÄNNÄ!
OSA II

1

2.

Todenna ideaalikaasulle osittaisderivaattoja koskeva ns. kiertosääntö.

Tarkastellaan vedyn ominaisentalpian differentiaalilauseketta, joka voidaan esittää muo-
dossa

Ov
dh=C, ar|v-r(7) JE
Pp

missä Cp on vetykaasun ominaislämpö, v ominaistilavuus T lämpötila ja p paine. Määritä
kaasun isentalpisessa laajenemisessa Joule-Thomson -kerroin, kun vetyä voidaan pitää
ideaalikaasuna. Mitä johtopäätöksia voi tehdä saamastasi tuloksesta?

Nesteheliumiin siirtyy lämpöä johtumalla teräksestä valmistettua sylinterimäistä
tukirakennetta pitkin, jota ei jäähdytetä höyrystyvällä heliumkaasulla. Umpinaisen
sylinterin poikkipinta-ala on 20 mm? ja pituus 200 mm. Mikäli tukiputken puoleenväiiin
liitetään kryojäähdytin, on ankkurointipisteessä putken lämpötila 70 K. Kuinka paljon
edullisemmaksi käyttökustannuksiltaan ratkaisu on verrattuna tilanteeseen, jossa
kryojäähdytintä ei käytetä? Teräksen lämmönjohtavuuden integraali lämpötilavälillä 300
K > 42 K on 3100 W/m ja välillä 70 K > 4.2 K 200 W/m. Nesteheliumin
höyrystymislämpö on 20.4 J/g ja tiheys 125 kg/m?. Kryojäähdyttimen vaatima teho
huoneen lämpötilassa on 10 kW , sähkön hinta 0.1 €/kWh ja nesteheliumin hinta 10 €/l.