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INFN LABORATORI NAZIONALI DI LEGNARO CRIOGENIA

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INFN LABORATORI NAZIONALI DI

LEGNARO

CRIOGENIA

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Criogenia

• La criogenia è una branca della fisica che si occupa dello studio, della produzione e dell'utilizzo di temperature molto basse (sotto i -150 °C o 123 K) e del comportamento dei materiali in queste condizioni.

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Criogenia: aspetti tecnologici

• Tecnologia del vuoto: convezione

• Tecnologia del superisolamento: irraggiamento

• Materiali: conduzione e resilienza

( )21 ttlAq −=

λ

( )21 ttAq c −=α

( )42

41 TTAEq n −= α

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Criogenia: aspetti sicurezza

Data la presenza di macchinari ad alta energia,apparecchiature elettriche, gas compressi e rischi dibruciature a freddo, un impianto criogenico èconsiderato un impianto intrinsecamente pericoloso ecome tale le operazione dovrebbero essere eseguitesolo da personale preventivamente formato eaddestrato.

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Le seguenti raccomandazioni sono state riportate dal manuale di uso emanutenzione dell’impianto criogenico Linde TCF50 e

Rappresentano le buone norme di comportamento in riferimento a generaliprocedure operative sugli impianti criogenici e non sostituiscono le norme disicurezza approvate dai LNL

• Le temperature estremamente basse di processo possono causare gravi bruciaturesulla pelle

• Campioni di gas e di liquido devono essere presi in ambienti ventilati. I campioni devono essere presi utilizzando adeguai serbatoi che devono essere preventivamente ispezionati per garantirne un uso pulito e sicuro. Indossare guanti ed occhiali di protezione o una visiera durante il prelievo dei campioni. Evitare il contatto di liquidi criogenici con i componenti dell’impianto o sulla pelle

Aspetti di sicurezza di carattere generale

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• Alcuni metalli riducono sensibilmente il carico di rottura e infragiliscono a bassetemperature. Per esempio gli acciai al carbonio non devono essere soggetti atemperature molto basse. Altri materiali non devono essere sottoposti a colpi ocarichi insoliti una volta raffreddati. Alluminio, acciaio inox, rame ed ottone sonopreferibili per impieghi criogenici

• Il personale addetto alla manutenzione dovrebbe lavorare consapevole dei requisitidi sicurezza. Non dovrebbero essere eseguiti lavori meccanici, saldature ecc…senza lapreventiva autorizzazione.

• Non dovrebbe essere autorizzata nessuna manutenzione su attrezzatura fredda.L’attrezzatura dovrebbe essere prima riscaldata a temperatura ambiente

• I liquidi criogenici non dovrebbero mai essere immessi su attrezzature a temperaturaambiente. L’attrezzatura a temperatura ambiente può generare grandi volumi di gasche non è desiderabile e l’attrezzatura potrebbe gravemente danneggiarsi a causa delrepentino cambio di temperatura. Tutta l’attrezzatura a temperatura ambientedovrebbe essere raffreddata con gas freddo prima di permettere che venga acontatto con liquido.

• Il liquido criogenico non deve mai essere intrappolato in un impianto inattivo o tradue blocchi di valvole. Pressione estremamente elevate possono essere raggiuntequando questo liquido evapora se non ci sono mezzi per scaricare il vapore

• Non lasciare mai incustodito l’impianto o l’attrezzatura mentre è in corso iltrasferimento di liquidi criogenici

In caso di transfer di liquidi criogenici non abbandonare mai l’impianto

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• Chiunque deve lavorare inprossimità dell’impianto deve porre la massima attenzione alla natura dell’azoto per rischio asfissia. Una persona può superare la soglia di allarme e passare allo stato di incoscienza in pochi secondi. Gli scarichi delle linee di azoto dovrebbero essere convogliati tutti fuori dagli edifici, non all’interno.

• Si raccomanda che qualsiasi lavoro sia eseguito all’interno della cold box o in ogni serbatoio, due persone devono essere sempre presenti: una dentro il serbatoio per lavoro e la seconda all’esterno che supervisiona le operazioni

• Devono essere prontamente accessibili, in caso di emergenza, maschere ad ossigeno o autorespiratori. Dovrebbe essere utilizzato solo materiale testato e certificato

• Quando si lavoro nella cold box o in ogni altro serbatoio, prestare attenzione a fornire adeguata ventilazione poiché sacche di azoto o di gas di processo potrebbero essere presenti nell'isolamento a causa di piccole perdite dalle linee o dai componenti

• Non permettere nessun lavoro meccanico, saldatura o fiamme libere senza un’appropriata autorizzazione. Non deve essere autorizzato nessun lavoro nei serbatoi senza un adeguato flussaggio, verifica e ventilazione

• Se la causa del problema è all’interno della cold box ,l’impianto deve essere spento. Rimuovere ogni traccia di liquido presente nell’impianto. Depressurizzaere le linee. Scaldare a temperatura ambiente l’area. Installare dei tappi per evitare che il gas di processo possa fluire nell’are di lavoro

• Riparazioni minori sui componenti della cold box possono essere eseguiti senza spegnere l’impianto o entrare nella cold box.

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• Quando viene sostituito materiale assorbente seguire le procedure d’uso e di sicurezza contenute nella scheda di sicurezza del materiale. Indossare adeguati guanti e maschere antipolvere

• Utilizzare l’equipaggiamento di sicurezza richiesto. Evitare di indossare vestiti larghi in modo particolare nei pressi di macchine in movimento. Prestare attenzione nelle vicinanze di parti in movimento. Stoccare stracci unti e scarti in appositi bidoni. Non usare scale metalliche nelle vicinanze di attrezzature elettriche

• Maneggiare con cura tutte le bombole di gas. Dovrebbero essere sempre bloccate da catene. Mettere il tappo di chiusura delle bombole se non in uso. Verificare che sia ben indentificato il contenuto e le condizioni.

• Eseguire una regolare e rigorosa ispezione di tutta l’attrezzatura e delle procedure. Controllare lo stato dell’attrezzatura e i dispositivi di sicurezza

• Controllare sempre i sistemi prima della rimessa in servizio dopo un intervento• Mantenere un corretto stato dei compressori. Tenere gli scambiatori di calore liberi da

materiale che possa imbrattare e ridurre l’efficienza per mantenere la temperatura di mandata bassa. Controllare frequentemente l’acqua di raffreddamento. Controllare l’ eccessiva lubrificazione e la contaminazione di olio

• Avere ben presenti i limiti di pressione, temperatura e livello relativi a tutto l’impianto. Azionare le valvole lentamente e cautamente. Non chiuderle all’improvviso. Acquisire familiarità con le correnti istruzioni operative

• tenere in ordine gli utensili. Fare attenzione su piattaforme per evitare la caduta accidentale di parti che possono ferire il personale sottostante. Eliminare eventuali rischi di inciampare

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• Esaminare la Cold Box per rilevare eventuali perdite utilizzando metodi approvati. Eseguire un soddisfacente flussaggio della cold box

• Tutte le linee di venting dovrebbero essere periodicamente controllate per assicurare che sia libero il passaggio del gas

• Confermare che non vi sia presenza di vapori d’olio nelle vicinanze delle linee di processo e fuoriuscite d’ olio durante la manutenzione. Controllare l’isolamento per verificare eventuali segni di contaminazione di olio dopo la manutenzione. Rimpiazzare l’isolamento se in dubbio

• Non usare acqua, soda o schiuma sull’attrezzatura elettrica a causa del rischio di folgorazione

• CO2, polvere, schiuma, vapore o acqua nebulizzata sono adatti per incendi su oli. Tenere a portata di mano tale attrezzatura e mantenere libere le vie di fuga.

• Tutti i sistemi antiincendio dovrebbero essere mantenuti in piena efficienza e ispezionati periodicamente. Dopo l’uso vanno ricaricati e sostituiti immediatamente

• Non ammettere personale non autorizzato o non formato negli impianti. Fare attenzione al luogo di lavoro del personale per assicurare una pronta evacuazione in caso di emergenza

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Bruciature dovute al contatto con liquidi criogenici o superfici fredde possono causare il congelamento dei tessuti della pelle. Le parti interessate dovrebbero essere immerse in acqua a temperatura ambiente quanto prima. La temperatura dell’ acqua non deve superare i 40°C. Le zone colpite non devono essere mosse finché non saranno scaldate. Dopo, per i trattamenti successivi, ci si deve rivolgere al personale medico professionale.

Azionamento delle valvole

Le valvole devono essere aperte e chiuse lentamente ! !

Bruciature criogeniche

Uso del Breox – B35

I compressori di ciclo degli impianti criogenici utilizzano normalmente olio Breox- Evitare il contatto con la pelle e gli occhi- Usare occhiali, guanti in PVC e abiti protettivi- Evitare la nebulizzazione del BreoxIn caso di olio a temperatura > 50°C (oltre a quanto detto sopra)• Evitare il contatto con la pelle e gli occhi e non inalarne i vapori• Non fumare• Provvedere una ventilazione forzata o utilizzare maschere prottettive

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Mancanza di ossigeno

• L’aria contiene normalemente il 21% di ossigeno. Non entrare nella cold box o in altri serbatoi se la concentrazione dell’ossigeno scende sotto il 19% o oltre i l 23%. L’elio e lidrogeno sono gas non tossici, ma possono causare asfissia sostituendosi all’aria in spazi chiusi. Date le loro caratteristiche incolore, inodore e insapore la loro presenza non viene rilevata dai sensi umani. Sintomo di una inadeguata persenza di aria (ossigenazione) sono sonnolenza, capogiri, respiro affannoso, nausea, incoscienza e possibile morte

• Controllare ogni contenitore freddo, serbatoio o altra area chiusa portando con se un rilevatore di ossigeno prima di accedervi

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REFRIGERATORI

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• Refrigeratore ALPI(Air Liquide HELIAL)

– 800W * @ 4,2K 1,2 bar abs– 3000 W @ 60 K 5 bar abs

• 20 cryostats (QWRs) • 110 m cryogenic lines• 20 m LHe ransfer line

– 1 Auxiliary LN2 Cold Box 2 x 6000 W@ 80K, 7 bar abs – 2 +2 screw compressor (65+95 g/s + 2x 55 g/s@ 17 bar abs) Mycom e Howden– Electrical Motors : A=300kW, B= 350kW, C= 280kW, D = 280kW

• Refrigeratore PIAVE (Linde TCF 50)

– 334 @ 4,5K 1,3 bar abs (w/LN2 precooling, w Shields - 36 W)– 525 W @ 46 K @ 5 bar abs

• 3 cryostats (2 QWRs, 2 SRFQ ) • 15 m cryogenic lines

– Screw compressor 63,5 g/s @ 13,2 bar abs– Electrical motor 220 kW

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LIQUIDI CRIOGENICI

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Liquefattore Linde TCF20:

22 l/h w/o LN2 precooling or 45 l/h w LN2Kaiser screw compressor 34 g/s @ 11 bar

AURIGA: consumo 36000 litri/anno

Dewar elio liquido - mobili

4 dewar 3500 litri3 dewar da laboratorio 450 litri4 dewar da 1000 litri (INFN – PD)

Stoccaggio azoto liquidoCapacità totale 125000 litri

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SISTEMA DI RECUPEROSISTEMA DI RECUPERO E PURIFICAZIONE

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Sistema di recupero

• 3 gruppi di compressione Burckhardt 5 stadi, 200 Nm3/h @ 200 bar

• 3 palloni di recupero: 90 + 30 + 20 m3 500 metri di linea di recupero

• 32 bombole di stoccaggio ad altra pressione (200 bar)• 3 essicatori 70 Nm3/h @ 7 bar, punto di rugiada -70°C

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CRIOSTATI QWR

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CRIOSTATI SRFQ

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Bibliografia: Wikipedia Criogenia 27/03/2011 http://it.wikipedia.org/wiki/CriogeniaLinde Kryotechnik «Helium refrigerator Legnaro 00 – Plant Documentation» Jennuary 2002