Tentin tekstisisältö

SMG-4400 — Kryogeniikka

Tentti 7.11.2011 Risto Mikkonen
Oman ohjelmoitavan laskimen käyttö sallittu

OSA | (Vastaa lyhyesti seuraaviin 20:een kysymykseen.

1. Miten Herman Oberth jaWerner von Braun liittyvät kryogeniikan kehitykseen ja histo-
riaan?

2. Mitä tilanteita termodynamiikan pääsäännöt koskevat?

3. Miten matemaattisesti ja verbaalisesti määritellään käsite lämpökapasiteetti vakiopai-
neessa?

4. Mitä ymmärretään käsitteellä Gibbsin vapaa energia?

5. Miten jäähdytysmenetelmät, jotka perustuvat kaasun isentalpiseen tai isentrooppiseen
laajenemiseen, eroavat toisistaan?

6. Mitä tarkoitetaan kaasun isentalpisen laajenemisen yhteydessä Joule-Thomsonin ker-
toimella ja siihen liittyvällä inversiokäyrällä?

7. Keskoskaappien happipitoisuutta mitataan usein menetelmällä, joka nojaa hapen
ominaisuuteen, mikä ei päde muille kryogeenisille aineille (helium, vety, neon, typpi).
Mikä tämä ominaisuus on?

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

9. Mitä tarkoitetaan trippeli- eli kolmoispisteellä? Mitä suuruusluokkaa tämä on heliumin
tapauksessa?

10. Superheliumin erikoispiirteet.

11. Mainitse viisi kryogeniikan erityyppistä sovelluskohdetta.

12. Mitä tarkoitetaan jäähdytyksen laatuluvulla ja mitä tämä suure on typen ja vedyn tapa-
uksessa? 9,9 14

13. Mitä voit sanoa ideaalikaasun jäähtymisestä isentalpisen laajenemisen yhteydessä?

14. Kryojäähdyttimet käyttävät joko rekuperatiivista tai regeneratiivista lämmönvaihdinta.
Mikä ero näillä on?

15. Kuvaile pelkistetysti Stirling-kryojäähdyttimen periaatetta.

16. Miten kryojäähdyttimien hyötysuhde määritellään ja mitä suuruusluokkaa se on tämän
päivän tehokkaimmissa laitteissa?

17. Mitä ymmärretään magnetokalorisella ilmiöllä?

18. Mitä tarkoitetaan emissiviteetillä ja emissiviteettikertoimella?

19. Mitä on ns. supereriste ja millä tavalla se vaikuttaa säteilylämmönsiirtoon?

20. Miten lämpösäteily eroaa muista lämmönsiirron mekanismeista?

KÄÄNNÄ!
OSA II

Suprajohtavan magneetin virtajohdot (2 kpl) ovat hybridirakenteiset, ts. yläosa on val-
mistettu kuparista ja alaosa korkean lämpötilan suprajohteesta (HTS, kriittinen lämpötila
> 100 K). Yläosan pituus on 0.3 m ja poikkipinta-ala 1.96 x 105 m?. Materiaalien
liityntäkohtaan on integroitu kryojäähdytin (molemmat virtajohdot hyödyntävät samaa
jäähdytintä), joilla HTS-osien yläpäät pidetään 77 K:n lämpötilassa. Kuparin resistiivisyys
ja lämmönjohtavuus lämpötilavälillä 300 K — 77 K oletetaan vakioiksi, p = 1.76 x 10? Om
ja 4= 400 W/m. Virtajohtimien HTS osioiden pituudet ovat samat kuin kuparilla, mutta
poikkipinta-alat ovat dekadin suuremmat ja lämmönjohtavuus riippuu lämpötilasta
lausekkeen

JACT)=3-10*7? +0.17 4 W!/m

mukaisesti.

Virtajohtimien yläosa on huoneen lämpötilassa 300 K ja alaosa on nesteheliumissa T =
4.2 K. Magneettiin syötetään virta / = 300 A.

a) Mikä on virtajohtimien aiheuttaman lämpökuorman osalta kryojäähdyttimen vaadit-
tu kompressoriteho huoneen lämpötilassa, kun 1 W jäähdytystehoa 77 K:ssä vaatii
kompressoritehoa 300 K:ssä 10 W?

b) Kuinka paljon virtajohtimen vaikutuksesta nesteheliumia vuorokaudessa kiehuu, kun
nesteheliumin höyrystymislämpö on 20.3 kJ/kg ja tiheys 125 kg/m??