Exam text content

DEE-54030 — Kryogeniikka

Tentti 9.5.2016 Risto Mikkonen

 

 

Oman ohjelmoitavan laskimen käyttö sallittu.

Vastaa viiteen kysymykseen kuitenkin siten, että ainakin toinen kysymyksistä 4 tai 5 on
vastattujen kysymysten joukossa.

Kaasun ominaisentalpian differentiaalilauseke, voidaan esittää muodossa

Ov
dh=C, ar ver (57) |"
p

missä Cp on kaasun ominaislämpö, v ominaistilavuus T lämpötila ja p paine. Määritä
kaasun isentalpisessa laajenemisessa maksimi inversiolämpötila, mikäli kaasua voidaan

a) mallintaa ideaalikaasuna
b) mallintaa seuraavalla tilayhtälöllä

missä a ja b ovat vakioita ja R yleinen kaasuvakio.

Esitä heliumin tilapiirros ja määritä heliumin trippelipiste. Kuvaile edelleen heliumiin
liittyviä erityispiirteitä muihin kryogeenisiin kaasuihin/nesteisiin nähden

Kuvaile Stirling -kryojäähdyttimen rakenne ja toimintaperiaate. Laite hyödyntää ns.
regeneratiivista lämmönvaihdinta. Mitä tällä tarkoitetaan?

Kryojäähdyttimen kompressoriteho huoneenlämpötilassa (7 = 300 K) on 7.5 kW ja lait-
teen jäähdytyksen hyötykerroin (COP, Coefficient of Performance) on 25 % ideaalisesta
Carnot'n arvosta. Millä nopeudella (kJ/min) laitteisto poistaa lämpöä jäähdytettävästä
kohteesta, kun loppulämpötila on 77 K? Mikäli laitteella jäähdytetään 10 kg:n kupari-
massa, kuinka kauan sen jäähtyminen kestää kyseiseen lämpötilaan? Kuparin ominais-
lämpö on 0.385 kJ/kgK.

KÄÄNNÄ!
 

 

5. Eristetyn paneelirakenteen (siis 1D lämmönjohtuminen) paksuus on 15 cm, poikkipinta-
ala 1 m? ja lämmönjohtavuus 0.58 W/mK. Paneelin ulkopuolella olevan ilman lämpötila
on 300 K ja sisäpuolella säilytettävän nestetypen lämpötila 77 K. Ulko- ja sisäpuolen
konvektiiviset lämmönsiirtokertoimet ovat kumpikin 8 W/m?K. Kuinka paksulti rakennet-
ta tulee eristää perliittieristeellä, jonka lämmönjohtavuus on 0.046 W/mk, jotta
lämpöhäviöt pienenevät viidenteen osaan alkuperäisestä? Kuinka paljon tällöin neste-
typpeä tunnissa kiehuu, kun nestetypen höyrystymislämpö on 2 x 105 J/kg ja tiheys 804
kg/m? (Vihje: Lämpöverkkomalli karteesisessa koordinaatistossa...)

6. Ovatko seuraavat väitteet oikein vai väärin? Oikea vastaus tuottaa kukin yhden pisteen,
väärästä vastauksesta sakotetaan yhdellä miinuspisteellä. Vastaamatta jättäminen ei
tuota pisteitä kumpaankaan suuntaan.

a) Ranskalainen insinööri Georges Claude kehitti nesteyttimen, mikä perustui isen-
trooppiseen kaasun laajenemiseen.

b) Magnetokalorimetrinen ilmiö selittää faasimuutoksen normaaliheliumin ja superhe-
liumin välillä.

c) Karteesisessa koordinaatistossa johtumislämpövastus on suoraan verrannollinen
materiaalin lämmönjohtavuuteen.

d) Wiedemann-Franzin lain mukaan materiaalin lämmönjohtavuus on suoraan verran-
nollinen materiaalin resistiivisyyteen.

e) Tehokkaimpien kryojäähdyttimien jäähdytysteho 4 K:ssä on noin 1-2 W.

f) Kirjainlyhenne MLI viittaa kryogeeniseen eristämiseen supereristeiden avulla.