Сосуд Дьюара: устройство, типы и сферы применения

Что такое сосуд Дьюара, как он устроен

Сосуд Дьюара представляет собой емкость с двойными стенками, между которыми создается вакуум для теплоизоляции. Назначение этого устройства — длительное сохранение веществ при постоянной температуре, которая поддерживается пассивным способом.
Принцип работы сосудов Дьюара основан на минимизации теплопередачи между содержимым и окружающей средой. Тепло передаётся тремя способами: теплопроводностью, конвекцией и излучением. Конструкция сосуда Дьюара борется с каждым из них:

1. Теплопроводность и конвекция исключаются благодаря вакууму в межстеночном пространстве. Воздух — хороший теплоизолятор, но вакуум рациональнее, так как отсутствуют молекулы газа, которые могли бы переносить тепло.
2. Излучение в современных сосудах уменьшается за счет экранно-вакуумной изоляции алюминиевого внутреннего резервуара. Раньше использовалось покрытие отражающим слоем (серебрение). Этот слой отражает тепловые лучи обратно к источнику или от него, снижая потери.
3. Теплопроводность через горловину или стенки минимизируется за счет использования материалов с низкой теплопроводностью, а также узкой горловины.

Типичное устройство ёмкости включает следующие элементы:

• Внешний корпус защищает внутреннюю колбу от механических повреждений, служит основой для крепления ручек.
• Внутренний сосуд или колба непосредственно вмещает хранимое вещество.
• Горловина — узкое отверстие, через которое производится заливка или извлечение содержимого. Диаметр влияет на скорость испарения.
• Пробка или крышка закрывает горловину, предотвращая попадание посторонних предметов, снижая испарение.
• Ручки для переноски.
• Адсорбент — специальное вещество на внешней стенке внутреннего сосуда для удаления остаточных газов из межстеночного пространства [1]

 

Сосуды Дьюара изготавливаются из различных материалов в зависимости от назначения. Лабораторные модели часто делают из стекла. Промышленные или медицинские сосуды большого объема производят из алюминия или нержавеющей стали. Алюминий обеспечивает легкость, а сталь — прочность и долговечность.

История создания

Немецкий физик Адольф Фердинанд Вейнхольд описал вакуумную колбу для лабораторных целей в 1881 году в учебнике «Physikalische Demonstrationen». Создал стеклянный ящик с двойными стенками, из пространства между которыми откачали воздух. Этот контейнер использовали для хранения сжиженных газов. Однако в конструкции Вейнхольда широкое горло приводило к быстрому испарению жидкости, а без отражающего покрытия тепло проникало внутрь через излучение [2].

Шотландский физик и химик сэр Джеймс Дьюар взял идею Вейнхольда за основу и усовершенствовал в 1892 году. Он превратил громоздкий стеклянный ящик в изящную двустенную колбу с узкой горловиной, это резко замедлило испарение жидкости.

Затем Дьюар посеребрил внутренние стенки колбы: отражающий слой стал преградой для теплового излучения. Вакуум в межстеночном пространстве на 90-99% устранил теплопроводность и конвекцию [3] .

Эту хрупкую стеклянную конструкцию учёный поместил в металлический кожух, подвесив колбу на пружинах для защиты от механических повреждений.

Сосуд Дьюара был впервые представлен научному сообществу 20 января 1893 года. Благодаря изобретению Дьюар смог первым в мире получить жидкий водород в 1898 году, а в 1899 году — твёрдый [4].

 

Типы сосудов Дьюара

Классификация проводится по нескольким параметрам:

Параметр классификации	Тип	Описание / Применение
По материалу изготовления	Стеклянные	Лабораторные исследования, работа с небольшими объемами.
	Металлические (алюминий, нержавеющая сталь)	Хранение и транспортировка больших количеств жидких газов.
По назначению	Лабораторные	Научные эксперименты.
	Медицинские	Хранение биоматериалов: крови, тканей, биологических образцов.
	Промышленные	Хранение и перевозка сжиженных газов: кислород, азот, аргон, гелий.
	Бытовые	Термосы для пищевых продуктов (супы, напитки).
По типу изоляции	Экранно-вакуумная [5]	Классический вариант: вакуум между стенками + экраны для отражения тепла.
	Вакуум-перлитная	Дополнительное заполнение полости перлитом (для емкостей большого размера).
	С «азотной рубашкой» (гелиевые сосуды) [6]	В качестве изоляции, помимо экранно-вакуумной, используется промежуточная ёмкость для жидкого азота. Она располагается вокруг сосуда с жидким гелием, экранирует, замедляет испаряемость жидкого гелия.
По наличию абсорбента [7]	Обычные	Жидкий азот находится в свободном состоянии внутри сосуда.
	Сухие (Dry Shipper)	Жидкий азот впитывается в пористый материал во внутреннем сосуде, чтобы избежать разлива при опрокидывании. Такой сосуд Дьюара получил название «сухая транспортная тара» DryShipper, востребован для транспортировки биоматериалов.
По объему	Малые (от 1 до 10 л)	Лабораторные нужды, индивидуальные пробы.
	Средние (от 10 до 100 л)	Медицинские хранилища, небольшие производства.
	Крупные (сотни литров)	Промышленные задачи, долгосрочное хранение больших объемов газов.

 

Сферы применения

Благодаря универсальности сосуды Дьюара используются в следующих отраслях:

• Медицина и биотехнологии: хранение биологических материалов (крови, плазмы, стволовых клеток, эмбрионов, спермы). Сосуды используются в хирургии, дерматологии, криохирургии для удаления новообразований.
• Научные исследования: проведение экспериментов при сверхнизких температурах в физике, химии, биологии. Хранение образцов для молекулярной биологии, генетики.
• Промышленность: хранение или транспортировка сжиженных газов (кислорода, азота, аргона, гелия, водорода) для сварки, металлургии, пищевой промышленности.
• Сельское хозяйство, ветеринария: хранение семени животных для искусственного осеменения.
• Для дома, поездок, прогулок: термосы для сохранения горячей или холодной пищи и напитков.
   

Как выбрать сосуд Дьюара

Выбор зависит от конкретных задач, а также требований к эксплуатации. При выборе учитывают следующие параметры:

Критерий	Назначение / Описание
Объём	Определяется количеством хранимого вещества или образцов. Для лабораторных нужд достаточно объёма 2–5 литров.
	Для медицинских центров или промышленных предприятий требуются ёмкости от 20 литров.
Диаметр горловины	Влияет на скорость испарения и удобство размещения образцов. Узкая горловина уменьшает потери холода, но затрудняет доступ к крупным объектам.
	Широкая горловина удобна для работы с канистрами и ковшами, но увеличивает испарение.
Время статического хранения	Время статического хранения показывает, сколько суток сосуд Дьюара позволяет сохранять температуру без дозаправки, рассчитывается на основе нормы статических потерь. Например, для модели Haier Biomedical YDH-3-YS объемом 3 литра время полного испарения составляет 8 суток.
Масса	Важна для удобства переноски. Пустой сосуд YDS-6-D1 объемом 6 литров весит 4,8 кг.
Материал	Алюминий легче.
	Нержавеющая сталь прочнее и долговечнее.
Наличие абсорбента	Для транспортировки биоматериалов рекомендуется выбирать «сухие» сосуды с абсорбентом, исключающие риск разлива.
Соответствие стандартам	Для международных перевозок сосуд должен соответствовать требованиям IATA, ADR, IMDG.

 

Техника безопасности. Признаки неисправностей.

Работа с сосудами Дьюара, заполненными криогенными жидкостями, требует строгого соблюдения правил безопасности:

• Запрещается закрывать горловину самодельными или герметичными пробками. Испарение жидкости создает избыточное давление, которое может привести к разрушению сосуда. Используйте только штатные крышки с каналами для сброса паров [8].
• Избегайте попадания жидкости на кожу и одежду, это вызывает низкотемпературные ожоги. Используйте защитные очки или маску, перчатки, другие средства защиты, например, крио-фартук и бахилы.
• Не допускайте попадания влаги и посторонних предметов внутрь. В сосуд Дьюара также запрещается опускать деревянную или пластиковую палку с намотанными на нее ватой, бинтом или тряпкой для последующей криопроцедуры. Это ведет к накапливанию грязи во внутренней ёмкости, а со временем может привести к выходу его из строя.
• Храните и транспортируйте сосуды в вертикальном положении.
• Не размещайте ёмкости вблизи источников тепла или на прямом солнечном свету.
• Регулярно проветривайте помещение, в котором проводятся криопроцедуры с жидким азотом. При испарении 1 л жидкого азота образуется 700 л газообразного азота, который понижает концентрацию кислорода в замкнутом помещении. Это может явиться причиной гипоксии. Убедитесь, что все помещения с криогенным оборудованием надлежащим образом вентилируются, оснащены соответствующими датчиками уровня кислорода, средствами сигнализации и масками для защиты от гипоксии. 

Признаки неисправностей:

• Образование льда на горловине — признак нарушения вакуума или повышенного испарения.
• Повышенное испарение — ёмкость быстро теряет содержимое.
• Внешние повреждения корпуса — вмятины, трещины.
• Нарушение вакуума — при хранении сжиженных газов стенки становятся холодными на ощупь, а в бытовых термосах с горячими напитками – тёплыми.
   

Источники

1. Криогенные системы и низкотемпературное разделение газовых смесей: учебно-методическое пособие. С. В. Визгалов, И. И. Шарапов; Минобрнауки России, Казан. нац. исслед. технол. ун-т. – Казань: Редакционно-издательский центр «Школа», 2023. – 113 с. https://moodle.kstu.ru/pluginfile.php/624052/mod_resource/content/1/КС_пособие%20с%20обложкой.pdf
2. Adolf Ferdinand Weinhold — Wikipedia https://en.wikipedia.org/wiki/Adolf_Ferdinand_Weinhold
3. Иванов В.И. Вакуумная техника: Учеб. пособие. СПб.: Университет ИТМО, 2016. 129 с. https://books.ifmo.ru/file/pdf/1952.pdf
4. Сосуд Дьюара - Академик https://dic.academic.ru/dic.nsf/ruwiki%5Cdic.academic.ru/dic.nsf/ruwiki/909094
5. Г.И. Абрамов, В.М. Бродянский. Хранение и транспорт ожиженных газов http://cryophysics.ru/library/hranenie-transport-ogigennyh-gazov/sosudy-dlya-hraneniya-i-perevozki-ogigennyh-gazov-kislorod-azot/
6. Model No.: EFD-675-DNM CRYO Industries of America, Inc.
7. Absorption of liquid nitrogen into porous materials used in the cryogenic cold chain / R.M.A. Spijkers, S. Vanapalli https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0011227524001565
8. Требования охраны труда при проведении теплолечения и криолечения https://www.consultant.ru/document/cons_doc_LAW_373020/621101955b6de440382a7acf4478e9c8cc009bf6/