Criogenia

Objectivos

1) Dar conhecimentos gerais sobre o que é a criogenia e a sua importância como “tecnologia fronteira” entre muitas ciências e engenharias como a termodinâmica, a física do estado sólido, a instrumentação, a metrologia, a tecnologia do vácuo, as tecnologias ligadas ao espaço, a medicina, etc.... Os exemplos de utilização da criogenia serão temas de exercícios de aplicação ao longo do semestre.

2) Fornecer ao aluno a capacidade para, em frente de um sistema criogénico, perceber rapidamente os princípios básicos do seu funcionamento. Face a um problema “simples” de criogenia (Sr Engenheiro, queria arrefecer 1 kg de cobre a 80 K, como que se faz ?), o aluno deverá saber, perante os requisitos específicos do pedido (caderno de encargos), propôr soluções adequadas, escolher uma e explicar as razões dessa escolha.

3) Fazer alguns cálculos simples que permitem dimensionar ou emitir um diagnóstico ou fornecer as ordens de grandeza envolvidas na concepção de um criostato.

Caracterização geral

Código

10530

Créditos

3.0

Professor responsável

Gregoire Marie Jean Bonfait

Horas

Semanais - 2

Totais - 28

Idioma de ensino

Português

Pré-requisitos

Bases de Termodinâmica.

Bibliografia

Apontamentos do prof (slides, notas manuscritas)

Internet

Outras IGNOREes que podem ser úteis:

The Art of Cryogenics, G. Ventura & L. Risegari, Elsevier 2010

Cryogenic Process EngineeringKlaus D. Timmerhaus, Thomas M. Flynn, Springer

 


Método de ensino

Primmeira parte da aula: Aulas teóricas

Segunda parte: exercícios de aplicação.

Em casa: Apresentação na forma de gráficos de dados de criogenia e resolução por cálculos numéricos simples de pequenos problemas típicos de criogenia utilizando folhas de cálculo e dados de páginas web.

Método de avaliação

Componente Teórica: 2 testes (1,5 h) (60%)

Componente Prática: Aula prática + relatório (25%)

Componente TIC: 3 exercíciso a fazer "em casa": Construção duma folha de cálculo para apresentação de dados de criogenia  (15%) 

A aprovação a Criogenia necessita uma nota positiva para a componente teórica

Conteúdo

I- Introdução

I-1 Aplicação da criogenia: exemplos
I-2 Problemáticas da criogenia

 II- Líquidos Criogénicos:

II-1 O meu primeiro criostato: “Criostato de banho” (tipo Banho-maria)
II-2 Líquidos criogénicos (T< 100K)
II-3 Caso do hélio 4 e do hélio 3
II-4 Características importantes dos líquidos criogénicos
 

III- Transferência de calor por radiação

III-1 Lei de Stefan Boltzmann, factores de forma, emissividade dos materiais
III-2 Caso dos ecrãs a temperatura fixa
III-3 Caso dos ecrãs múltiplos ( Multilayer insulation -MLI)

 

IV- Condução térmica

IV-1 Importância da condução térmica
IV-2 Mecanismo de condução térmica
                 IV-2-1  Mecanismo de condução nos gases: regime viscoso e molecular
                 IV-2-2  k= 1/3 Cv v λ
                IV-2-3   k(T) dos matériais: the big picture
                IV-2-4  Lei de Wiedman-Franz
IV-3 Transferência de calor por condução
                IV-3-1 Lei da condução :                        
                IV-3-2 Integral de condução térmica
IV-4 Condução nos gases
                IV-4-1 Regime viscoso
                IV-4-2 Regime molecular

 

V- Máquinas térmicas

V-1 Introdução
V-2 Liquefactores
                IV-2-1 Expansão isentrópica, expansão JT, temperatura de inversão.
                IV-2-2 Liquefactor ideal, primeira lei da Termodinâmica para os sistemas abertos.
                IV-2-3 Cálculo de taxa de liquefacção.
                IV-2-4 Optimização dos Liquefactores. Caso dos liquefactores de hélio

V-3 Criorrefrigeradores

                IV-3-1 Stirling e GMM. PT (?).

                IV-3-2 Cálculo do COP.
 

Componente prática

  1. Determinação dos vários modos de troca de calor entre uma superfície sólida e o azoto líquido. Efeito Leidenfrost.
  2. Utilização de folha de cálculo e de páginas web para  resolução de problemas frequentes em criogenia (propriedaes gases reais vs gases ideias,  Integrais de condução térmica, Tempo dearrefecimento;; ...)

Cursos

Cursos onde a unidade curricular é leccionada: