Зачем нужен криогенный сосуд под давлением

В лаборатории с несколькими сосудами Дьюара азот приходится регулярно доливать. Если делать это ковшом или опрокидывая тяжёлый сосуд, растут потери азота, риск ожога и время работы. Криогенный сосуд под давлением решает три задачи: служит ёмкостью для жидкого азота, подаёт его по шлангу в нужную точку и удерживает азот без постоянного испарения через открытую горловину.

Поэтому его ставят там, где азот расходуется системно: у криохранилища, в лаборатории с несколькими сосудами хранения, у установки заморозки, у стенда, использующего азот как хладагент. Он не заменяет сосуд для хранения биоматериала: образцы в нём не держат, это «склад азота», из которого заправляют остальные ёмкости. Основы и классификацию вы найдёте в статьях «Что такое сосуд Дьюара» и «Виды сосудов Дьюара», а ряд моделей — в разделе «Криогенные сосуды под давлением».

Устройство криогенной емкости под давлением

Принцип изоляции тот же, что у обычного сосуда Дьюара, о котором рассказывает статья «Как устроен сосуд Дьюара»: внутренний и наружный сосуды, между ними вакуум и многослойная изоляция. Отличие в том, что горловина закрыта и герметична, а на ней установлена арматура.

Сосуды и изоляция

Внутренний сосуд из нержавеющей стали выдерживает рабочее давление и температуру жидкого азота. Наружный кожух несёт нагрузку от опор и защищает вакуумную полость. Пустое пространство между ними откачано, поэтому приток тепла мал, и испарение измеряется несколькими процентами объёма в сутки или литрами в сутки: см. значения по сериям ниже.

Арматура

На крышке или на панели установлены: вентиль выдачи жидкости с шлангом, вентиль сброса давления (газовый), вентиль наддува (или клапан, управляющий им), манометр и один-два предохранительных клапана. Внутри ёмкости идёт сифонная трубка, которая забирает жидкость со дна.

Корпус и мобильность

Сосуды большого объёма ставят на колёсную раму, чтобы перемещать по помещению. Масса пустого сосуда растёт быстро: КАДАММ СДН5 весит 15 кг, КАДАММ СДН50 — 62,5 кг, КАДАММ СДН500 — 255 кг. При планировании места учтите массу заполненного сосуда и проходимость пути.

Как работает самонаддув

Азот в закрытом сосуде при хранении постепенно испаряется, и давление над жидкостью растёт. В режиме хранения этот рост ограничивает сбросной клапан. В режиме выдачи давление создают намеренно, чтобы вытеснить жидкость наружу. Для этого служит самонаддув.

Схема работает так:

  1. Вентиль наддува открывают: небольшая часть жидкого азота идёт из нижней части сосуда в испаритель, где за счёт тепла окружающего воздуха превращается в газ.
  2. Холодный газ возвращается в верхнюю газовую подушку над жидкостью, и давление в сосуде растёт.
  3. Когда манометр показывает нужное рабочее давление, наддув прекращают или он ограничивается регулятором.
  4. Давление в газовой подушке выталкивает жидкость по сифонной трубке к вентилю выдачи.

Так азот подаётся без насоса: энергия берётся из самого азота и тепла окружающей среды. Рабочее давление в наших сериях СДН составляет 0,05 МПа; для КАДАММ СДН500 в карточке указано ещё и максимальное рабочее давление 0,09 МПа. Не поднимайте давление выше рабочего: избыточное давление не ускорит выдачу, а лишь нагрузит предохранительные клапаны.

Газовая подушка Жидкий азот Испаритель наддува Вентиль выдачи Сосуд Дьюара, установка газ возвращается наверх, давление растёт сифонная трубка забирает жидкость со дна

Самонаддув: часть азота испаряется в наддувном испарителе, газ повышает давление над жидкостью, под давлением азот идёт по сифону к вентилю выдачи.

Выдача азота в сосуды Дьюара и установки

Выдача состоит из подготовки, подачи и завершения. Нарушение порядка чаще всего приводит к проливу, обмерзанию арматуры или резкому выбросу газа.

Подготовка

Проверьте манометр и уровень азота, осмотрите шланг и штуцеры, наденьте защитные очки, перчатки для криогенных работ и закрытую обувь. Принимающий сосуд поставьте на ровную поверхность, чтобы он не опрокинулся. Присоедините шланг через переливное устройство (в частности, его применяют при заправке сосудов Дьюара с узкой горловиной), либо опустите наконечник в горловину так, чтобы он не касался стенок. Помещение должно проветриваться.

Подача

Создайте давление наддувом до рабочего значения, затем плавно откройте вентиль выдачи. Первые порции азота интенсивно испаряются, потому что шланг и принимающий сосуд тёплые; заливайте медленно, чтобы остудить их. По мере заполнения поток становится спокойнее. Следите за манометром: давление в сосуде при выдаче падает, и его можно подкачать наддувом.

Завершение

Закройте вентиль выдачи, сбросьте давление в шланге через сбросной вентиль, отсоедините шланг только после сброса. Закройте вентиль наддува и оставьте сосуд в режиме хранения с работающим сбросным клапаном. Принимающий сосуд закройте пробкой, предназначенной для него. Правила работы с сосудами Дьюара и их проверку описывает статья «Эксплуатация сосуда Дьюара».

Клапаны, манометр и безопасность

Криогенная емкость под давлением — оборудование, требующее аккуратности. Запас по давлению и защита обеспечиваются арматурой.

  • Манометр показывает давление в газовой подушке. Это основной прибор оператора: по нему определяют, когда начинать и прекращать наддув.
  • Предохранительный клапан открывается при превышении допустимого давления и сбрасывает газ. Его нельзя разбирать, перекрывать или перенастраивать самостоятельно.
  • Сбросной (газовый) вентиль позволяет снизить давление вручную перед отсоединением шланга или перед заправкой.
  • Вентиль наддува включает испаритель и повышает давление для выдачи.
  • Вентиль выдачи жидкости подаёт азот к шлангу.

Нельзя перекрывать оба пути сброса давления и оставлять сосуд закрытым без исправного предохранительного клапана: рост давления опасен. Не работайте с азотом в закрытом помещении без вентиляции: испаряясь, он вытесняет кислород.

Сосуды, работающие под избыточным давлением, подпадают под требования технического регламента Таможенного союза ТР ТС 032/2013; конкретные требования к освидетельствованию и эксплуатации уточняйте в документации на изделие и у наших инженеров. Подробнее о закупочных кодах и стандартах — в статье «ОКПД 2, ОКОФ и ГОСТ для сосуда Дьюара».

Ряд серий СДН: объёмы, испарение, масса

Значения — из карточек серий. Испарение указано так, как приведено в ТТХ каждой серии: в процентах объёма в сутки или в литрах в сутки.

СерияОбъём, лГорловина, ммСтатическое испарениеМасса пустого, кгВысота, мм
КАДАММ СДН55403 %/сут15510
КАДАММ СДН1515402,5 %/сут23750
КАДАММ СДН3030502,5 л/сут56885
КАДАММ СДН5050502 л/сут62,5998
КАДАММ СДН100100501,3 л/сут851120
КАДАММ СДН150150401,3 %/сут1021188
КАДАММ СДН200200501,2 л/сут136,81330
КАДАММ СДН300300401,1 %/сут2021459
КАДАММ СДН500500—1,1 %/сут2551576

Рабочее давление у всех серий — 0,05 МПа. Срок хранения азота для этих серий в карточках не указан: уточняйте его у наших инженеров.

Как выбрать объём и конфигурацию

Объём сосуда под давлением подбирают по суточному расходу азота и периодичности завоза. Если азот привозят раз в несколько недель, нужен запас, при котором за этот срок не накопится потерь на испарение больше допустимых. Для небольшой лаборатории с несколькими сосудами хранения достаточно серий на 5–30 л. Для криохранилища и стенда с постоянной подачей берут 100–500 л.

  • Мобильность. Небольшие сосуды переставляют вручную, крупные нужны на колёсной раме и с проходом без порогов.
  • Горловина и арматура. Уточните, какие шланги и переливные устройства подходят к вашим принимающим сосудам.
  • Испарение. Чем больше сосуд, тем ниже относительные потери: у крупных серий около 1 % в сутки, у малых — 2,5–3 %.
  • Место. Учитывайте высоту, массу и вентиляцию.

Сравнение с обычными сосудами и принципы выбора по горловине и объёму — в статье «Как выбрать сосуд Дьюара».

Эксплуатация: наполнение, контроль, обслуживание

Наполнение сосуда под давлением выполняют из стационарной ёмкости поставщика азота или из транспортного сосуда. Заправку ведут по инструкции: сначала сброс избыточного давления, затем медленная подача, чтобы сосуд остыл и не вышел на аварийное давление из-за бурного испарения. Не перенаполняйте выше допустимого уровня, чтобы осталась газовая подушка.

Ежедневно при использовании проверяйте манометр и отсутствие инея на корпусе, регулярно — состояние шлангов и штуцеров. Обмерзание наружной стенки и рост расхода азота — признаки потери вакуума, ремонт которого выполняет сервис. Как оценить срок хранения азота и потери — в статье «Сколько хранится жидкий азот». Если азот нужен для хранилища, посмотрите «Криохранилище: паровая или жидкая фаза», а для пунктов осеменения — «Сосуд Дьюара для ветеринарии».

Типовой комплект для лаборатории с централизованной выдачей азота

ЗадачаВид и объём сосудаКарточки КАДАММЧто ещё из смежных категорий
Доливка нескольких сосудов храненияСосуд под давлением 30–100 лКАДАММ СДН30, КАДАММ СДН50, КАДАММ СДН100Сосуды для хранения
Подача азота к криохранилищуСосуд большого объёмаКАДАММ СДН300, КАДАММ СДН500Криохранилища
Небольшая лаборатория, разовая доливкаКомпактный сосудКАДАММ СДН5, КАДАММ СДН15Криостаты
Хладагент для охлаждаемого оборудованияСосуд под давлением 50–200 лКАДАММ СДН150, КАДАММ СДН200Центрифуги с охлаждением
Перевозка азота между площадкамиТранспортный сосудКАДАММ СДТ35, КАДАММ СДТ50Транспортные сосуды

Сообщите нашим инженерам суточный расход азота, число точек выдачи и тип принимающих сосудов — мы подберём объём и арматуру. Все модели — в разделе «Сосуды Дьюара и криохранилища». Если часть азотной нагрузки можно снять сухим хранением, прочитайте о лиофилизации биопрепаратов.