5.11. Криостаты
Криостаты - приборы, в которых поддерживается постоянная температура ниже температуры окружающей среды. Низкую температуру в криостатах создают плавящиеся охлаждающие вещества, кипящие охлаждающие жидкости и испаряющиеся жидкости с низкими температурами кипения.
Температуры немного ниже комнатной - от +5 до +15 °С - поддерживают при помощи термостатов, через змеевик которых пропускают охлаждающую воду, а температуру регулируют путем нагревания охлажденной воды, находящейся в термостате. Для охлаждения воды ее пропускают через камеру-теплообменник, наполненную какой-либо охлаждающей смесью.
При заполнении камеры теплообменника смесью, состоящей из 3 кг льда и 1 кг NaCl, достигается температура около -3 oC. В этом случае циркулирующей жидкостью является 20%-й водный раствор NaCl. В лабораториях применение такой жидкости не рекомендуют из-за коррозии змеевика и центробежного насоса, образования налетов NaCl на соединительных узлах.
Удобнее пользоваться водными растворами метанола (табл. 17).
Температуры от 0 до +8 °С поддерживают охлаждение 30%-м раствором глицерина в воде, пропускаемым через змеевик термостата.
Криостаты с плавящимися охлаждающими веществами представляют собой твердотельные термостаты - металлические блоки, погруженные-в сосуды Дьюара (см. рис. 33). Медный или алюминиевый блок 4 (рис. 108, а) покоится на фторопластовой прокладке 1, предохраняющей сосуд Дьюара 3 от механических повреждений. Термостатируемое вещество в сосудах-пробирках 5 помешают в карманы блока. Температуру контролируют при помощи термопары 6 или термометра сопротивления.
Кашицу плавящегося хладоагента 2 вносят в сосуд Дьюара, окружая ею металлический блок, затем ее периодически добавляют через воронку. Температура плавления хладоагента и будет температурой термостатирования.
Рис.108. Криостаты с плавящимся хладоагентом (а, в) и криостат Симона (б)
Для получения кашицы часть хладоагента охлаждают жидким азотом или жидким гелием до его затвердевания (хладоагент вносят в жидкий азот или гелий). К полученной твердой массе в отдельном сосуде Дьюара добавляют оставшуюся часть жидкого хладоагента до образования кашицы. В табл. 18 приведены вещества, применяемые в кри-остатах с металлическим блоком.
Криостаты с кипящей охлаждающей жидкостью (криостаты Симона) - это сосуды 2 с двойными стенками (рис. 108, б), между которыми кипит при низкой температуре жидкость под определенным давлением, контролируемым манометром 7 и регулятором 8. Сам сосуд для лучшей теплоизоляции помещают в сосуд Дьюара 1. Внутри сосуда 2 находятся термостатируемые объекты 6, небольшой вентилятор 3 и контрольный ртутный термометр 4 или термометр сопротивления. Таким образом, сосуд 2 с двойными стенками - своеобразный жидкостной кри-остат. Если жидкость кипит при атмосферном давлении, то вакуумную линию Рс регулятором давления 8 отключают и постоянство давления в криостате поддерживают с помощью простых регуляторов , присоединяемых к трубке 5. Удаляемый из сосуда 2 пар конденсируют в приемнике, охлаждаемом жидким азотом и связанным с трубкой 5. Наиболее широко в криостатах Симона применяют газы, приведенные в табл. 19.
(Симон Артур (1893 - 1962) - профессор Высшей технической школы в Дрездене.)
Ледяные криостаты. Часто в лабораториях применяют криостаты с таюшим льдом ("ледяные криостаты", рис. 108,) позволяющие поддерживать в криостатируемом сосуде 4 температуру 0 "С с довольно высокой точностью порядка ±0,01 oC. Необходимым условием эффективной работы такого криостата является интенсивное перемешивание воды. Куски льда размером 2 - 3 см помещают во фторопластовый цилиндр или цилиндр из нержавеющей стали с перфорированными стенками и дном.
Внутри цилиндра закрепляют трубку 3 из того же материала с отверстиями в стенках и дне. Внутри трубки 3 располагают быстроходную мешалку 1, которая при вращении направляет струю талой воды в низ цилиндра со льдом. Вода омывает сосуд 4 и куски льда 5 и возвращается в трубку 3 через отверстия в ее стенках. Лед периодически добавляют в криостат, а избыток воды выпускают через нижний кран. Корпус 2 и крышку такого криостата делают из теплоизоляционного материала.
Криостаты с испарителем (рис. 109) позволяют поддерживать постоянную температуру от О СС до температуры кипения хладоагента с точностью ±0,2 °С, достаточной для препаративных целей.
В таких криостатах, содержащих термостатируемый объект 8, в змеевик-испаритель б (рис. 109, а) поступает хладоагент, создающий в термостатируемой жидкости, находящейся в сосуде Дьюара 9, заданную температуру, по достижении которой срабатывает электрический регулятор давления 7, перекрывающий поступление хладоагента. В частности, жидкий азот из сосуда Дьюара 2 передавливается избыточным давлением через сифон 5 в змеевик-испаритель 6. Сифон снабжен вакуумной рубашкой, посеребренной изнутри (см. рис. 33, д). Избыточное давление создается маностатом 1. Внутренняя трубка сифона 5 должна быть несколько уже входной трубки испарителя 6, чтобы хладоагент можно было подавать в испаритель по каплям.
Криостат снабжен поплавковым уровнемером 3, трубкой 4 Для подачи хладоагента, мешалкой 10 и термопарой 11.
Криостат Р. Скотта (рис. 109, б) применяют в тех случаях, когда нужна большая точность в поддержании постоянной температуры. Криостаты этого типа представляют собой сдвоенные сосуды Дыоара, причем внутренний сосуд 4 заполнен жидкостью, температура которой поддерживается постоянной, а внешний 5 содержит жидкий азот.
Точной регулировки температуры добиваются при помощи электронагревателя 6, помещенного во внутренний сосуд с высокочувствительным датчиком 1, и интенсивной циркуляции жидкости, приводимой в движение мешалкой 7 с электромотором 2. Жидкость перемещается снизу вверх через тонкостенную фторопластовую трубку 3 и вытекает через верхние отверстия трубки, омывая внешние ее стенки.
Колебание температуры в таком криостате в интервале от О до -170 °С составляет всего ±0,001 oC.
Для поддержания температуры на уровне ±10 °С с точностью ±0,05 °С удобен криостат Муттика (рис. 109, в). Моторчик Уоррена (малогабаритный электродвигатель, производящий 60 об/мин) заставляет сжиматься и растягиваться сильфон который периодически закачивает и откачивает этанол из металлического блока 6.
Этанол помешают в медный сосуд смесь твердого CO2 4 и этанола. Металлический блок 6 содержит rриостатируемый сосуд 7 и контактный термометр (на рисунке не показан), включаюший периодически через электронное реле моторчик Уоррена, связанный с кривошипом 1. Нагревание блока 6 осуществляется за счет теплоты окружающей среды.