Cryogenic Engineering, Second Edition, Revised and Expanded

Cover......Page 1
Copyright page......Page 4
Preface to the Second Edtion......Page 6
Preface to the First Edition......Page 7
Contents......Page 9
2. THE ENTREPRENEURS......Page 12
3. THE BUTCHERS......Page 15
4. THE BREWERS......Page 16
5. THE INDUSTRIALISTS......Page 17
6. THE SCIENTISTS......Page 20
7. THE ENGINEERS......Page 23
8. THE ROCKET SCIENTISTS......Page 26
9. THE PHYSICISTS AND SUPERCONDUCTIVITY......Page 27
9.2. The Ceramic Superconductors......Page 28
10. SCIENCE MARCHES ON......Page 32
Cited References and Suggested Reading......Page 0
1. INTRODUCTION......Page 34
2. THERMODYNAMICS......Page 38
2.1. Master Concepts......Page 41
2.2. The First Law of Thermodynamics......Page 42
2.2.1. Open System—the Flow Case......Page 46
2.2.2. The Constant-Volume Case......Page 47
2.3. The Second Law of Thermodynamics......Page 48
2.4. Clausius Inequality and Entropy......Page 50
2.5. The Maxwell Relations......Page 53
2.6.1. Deriving the Ideal Gas Law......Page 56
2.7. Thermodynamic Analysis of Low-Temperature Systems......Page 62
2.8. Joule–Thomson Coefficient......Page 64
3.1 Conductive Heat Transfer......Page 66
3.2. Convective Heat Transfer......Page 71
3.3. Radiative Heat Transfer......Page 75
4. MOMENTUM TRANSFER......Page 79
5. HEAT LEAK AND PRESSURE DROP IN CRYOGENIC TRANSFER LINES......Page 80
6. COOLDOWN......Page 84
7. SUMMARY......Page 87
1. PVT BEHAVIOR OF A PURE SUBSTANCE......Page 88
2. TEMPERATURE–ENTHALPY AND TEMPERATURE–ENTROPY DIAGRAMS OF PURE SUBSTANCES......Page 92
3. PROPERTIES AND USES OF CRYOGENIC FLUIDS......Page 94
3.1.1. Properties of Oxygen......Page 103
3.2. Nitrogen......Page 120
3.2.1. Properties of Nitrogen......Page 123
3.2.2. Uses of Nitrogen......Page 129
3.3. Air......Page 135
3.3.1. Properties of Air......Page 136
3.3.2. Uses of Liquid Air......Page 153
3.4. Argon......Page 155
3.4.1. Properties of Argon......Page 159
3.4.2. Uses of Argon......Page 164
3.5.1. Properties of Neon......Page 167
3.5.2. Uses of Neon......Page 179
3.6.3. Vapor Pressure......Page 186
3.6.4. Density of Liquid Fluorine......Page 188
3.6.7. Other Properties......Page 189
3.7.1. Large-Scale Liquid Hydrogen Production......Page 191
3.7.2. Molecular Forms of Hydrogen and Ortho–Para Conversion......Page 198
3.7.3. Properties of Hydrogen......Page 212
3.7.4. The Hydrogen Density Problem......Page 220
3.7.5. Uses of Hydrogen......Page 225
3.8. Helium......Page 230
3.8.1. Helium Phase Diagram......Page 231
3.8.2. Helium-3......Page 245
3.8.3. Properties of Helium......Page 259
3.8.4. Uses of Helium......Page 263
2. STRENGTH, DUCTILITY, AND ELASTIC MODULUS......Page 268
3.3. Metals......Page 270
4. DUCTILITY......Page 272
4.1.1. Metals......Page 273
4.1.2. Elastomers......Page 274
4.2. Ductility as a Function of Temperature......Page 275
4.3. Ductility as a Function of Strain Rate and Stress Complexity......Page 276
5. LOW-TEMPERATURE STRENGTH OF SOLIDS......Page 279
5.1. Metals......Page 280
5.3. Glass......Page 281
5.4. Ultimate Stress......Page 283
6.2. Bulk Modulus, B......Page 285
6.4. Shear Modulus, G......Page 286
6.5. Poisson’s Ratio, nu......Page 287
6.8. Typical Elastic-Constant Values......Page 288
7. MODULUS OF ELASTICITY......Page 290
8. FATIGUE STRENGTH......Page 293
9. MECHANICAL PROPERTIES SUMMARY......Page 295
10. DESIGN CONSIDERATIONS......Page 296
11.1. General Design Considerations......Page 302
11.2. Constitution and Structure of Steel......Page 303
11.3. Nickel Steel and Nickel Alloys......Page 304
11.5. Austenitic Stainless Steels......Page 305
11.6. Titanium Alloys......Page 308
11.7. Aluminum and Aluminum Alloys......Page 309
1.1.1. Lattice Heat Capacity......Page 312
1.1.2. Electron Heat Capacity......Page 320
1.2. Thermal Conductivity......Page 322
1.2.1. Dielectric Heat Conduction......Page 323
1.2.2. Metallic Heat Conduction......Page 326
1.2.3. Design Considerations......Page 331
1.3. Thermal Expansivity......Page 332
2. EMISSIVITY, ABSORPTIVITY, AND REFLECTIVITY......Page 338
3.1.1. Metals......Page 343
3.1.3. Semiconductors......Page 347
3.3. Summary of Electrical Properties......Page 349
4.1. Introduction......Page 350
4.2. Magnetic Properties of Superconductors......Page 354
4.3.1. Specific Heat......Page 359
4.4. The Isotope Effect......Page 360
4.5. A Classical Representation of the BCS Theory of Superconductivity......Page 361
4.6. Superconducting Materials......Page 362
4.7. The High-Temperature Superconductors......Page 365
4.8. Summary of Superconductivity......Page 367
2. REFRIGERATION AND LIQUEFACTION......Page 370
3. RECUPERATIVE CYCLES......Page 378
4.1. Liquefaction Principles......Page 380
4.2. Adiabatic Expansion......Page 381
4.3. Comparison of Isenthalpic and Isentropic Expansion Processes......Page 382
5. REFRIGERATOR EFFICIENCY......Page 388
6. USEFUL THERMODYNAMIC RELATIONS......Page 391
7.1. Vapor Compression......Page 392
7.2. Cascade Vapor Compression......Page 393
7.3. Mixed Refrigerant Cascade Cycle......Page 394
7.4. Isenthalpic Expansion—The Linde Apparatus......Page 395
7.4.1. Heat Exchanger Effectiveness......Page 401
7.4.2. Dual-Pressure Process......Page 403
7.5. Isentropic Expansion......Page 405
7.6. Combination of Isenthalpic and Isentropic Expansion......Page 407
7.7.2. Mixed Refrigerant Cycle......Page 409
9. REGENERATIVE CYCLES......Page 412
9.1. The Stirling Cycle......Page 414
9.1.1. General Characteristics......Page 416
9.1.3. Applications......Page 417
9.2. The Philips Refrigerator......Page 421
9.2.1. Importance of Regenerator Effectiveness for the Philips Refrigerator......Page 423
9.3. The Solvay Refrigerator......Page 425
9.4. The Gifford–McMahon Refrigerator......Page 426
9.5. Vuilleumier Refrigerator......Page 429
9.6. Ericsson and Postle Refrigerators......Page 432
9.7. Pulse Tube Refrigerator......Page 433
9.7.1. Four Types of Pulse Tube Refrigerators......Page 435
10. MAGNETOCALORIC REFRIGERATION......Page 438
11.1. Dilution Refrigerator Fundamentals......Page 444
11.2. 3He–4He Dilution Refrigerator......Page 446
11.3. Pomeranchuk Cooling......Page 448
12. VERY SMALL COOLERS......Page 449
13. SUPERCONDUCTORS AND THEIR COOLING REQUIREMENTS......Page 450
14. CRYOCOOLERS......Page 452
15. CONCLUSION......Page 453
1. INTRODUCTION......Page 456
2.2. Gas Conduction......Page 457
3. VACUUM INSULATION......Page 459
3.1. Heat Transfer by Radiation......Page 460
3.2. Heat Transfer by Residual Gas......Page 466
3.2.1. Outgassing......Page 472
3.2.2. Getters......Page 473
3.3. Heat Transfer by Supports......Page 474
3.3.2. Tension Supports......Page 475
4.1. Powders and Fibers......Page 479
4.1.1. Convenient Formula for Porous Insulation......Page 483
4.1.2. Other Relevant Properties of Insulating Powders......Page 484
4.3. Opacified-Powder Insulation......Page 485
5. GAS-FILLED POWDERS AND FIBROUS MATERIALS......Page 486
6. SOLID FOAMS......Page 488
6.2. Thermal Conductivity......Page 492
7. MULTILAYER INSULATION......Page 494
7.1.1. Multiple-Resistance Spacers......Page 495
7.1.2. Point Contact Spacers......Page 496
7.1.5. Spacer Materials......Page 497
7.2. Radiation Shields......Page 498
7.3.1. Effects of Number of Radiation Shields......Page 500
7.3.2. Effects of Compressive Loads......Page 505
7.3.4. Effects of Type of Gas and Gas Pressure......Page 508
7.3.6. Effects of the Boundary Temperature......Page 510
7.3.7. Effects of Attachment Methods......Page 513
7.3.8. Effect of Penetrations......Page 519
8.1. Vapor Barrier Materials......Page 521
8.3. Applications of Vapor Barriers......Page 523
9.1. Protective Enclosure Not Exposed to Aerodynamic Heating......Page 524
10.1. Liquid Shields......Page 525
10.2. Vapor Shields......Page 526
10.3. Use of Vapor Cooling......Page 528
11. COMPOSITE INSULATIONS......Page 529
11.1.2. The Saturn S-II Insulation System......Page 530
11.2. Sealed Evacuated Honeycomb Insulations......Page 532
11.3. Constrictive Wrap External Insulation......Page 533
11.5. Internally Insulated Fiberglass Cryogenic Storage Tank......Page 534
13.2. Internal Insulation......Page 536
14. ADHESIVES......Page 537
14.1. Adhesives for Cryogenic Application......Page 538
15. COMPARISON OF INSULATIONS......Page 539
16. SUMMARY......Page 546
1.1. Heat of Vaporization......Page 548
1.6. Uniqueness of Cryogenic Instrumentation......Page 549
2. STRAIN......Page 550
2.2. Low-Temperature Effects on Strain Measurements......Page 551
2.3. Peculiarities of Cryogenic Strain Measurements......Page 553
3. DISPLACEMENT AND POSITION......Page 554
4. PRESSURE......Page 556
4.1. Mechanical Description......Page 557
4.2. Steady-State Temperature Effects on Pressure Transducers......Page 558
4.3. Thermal Shock Effects on Pressure Transducers......Page 560
4.4. Avoiding Temperature Effects on Pressure Measurements......Page 561
4.5. Pressure Summary......Page 564
5.1. Positive Displacement Flowmeter......Page 565
5.1.1. Screw Impeller Volumetric Flowmeter......Page 566
5.2. Pressure Drop Flowmeters......Page 567
5.2.1. Liquids......Page 569
5.2.2. Compressible Fluids (Gases)......Page 570
5.2.4. Discharge Coefficient......Page 572
5.3. Turbine Type Meters......Page 576
5.4. Transverse Momentum Mass Flowmeters......Page 577
5.4.1. Axial Flow Transverse Momentum Mass Flowmeter......Page 578
5.4.2. Elbow Axial Flow Transverse Momentum Flowmeter......Page 579
5.4.3. Gyroscopic Transverse Momentum Mass Flowmeter......Page 580
5.4.4. Radial Flow Transverse Momentum Mass Flowmeter......Page 582
5.5. Vortex Shedding Meter......Page 584
5.6. Momentum–Capacitance Mass Flowmeter......Page 585
5.7. Electromagnetic Flowmeter......Page 587
5.9. Flowmetering Summary......Page 589
6. LIQUID LEVEL......Page 590
6.1.2. Capacitance......Page 591
6.1.4. Acoustic......Page 592
6.2. Continuous Liquid-Level Sensors......Page 594
6.3. Performance Data......Page 596
6.4. Liquid-Level Transducers—Summary......Page 597
7.2. Buoyant Force......Page 598
7.6. Acoustic......Page 599
7.7. Ultrasonic......Page 600
7.9. Nuclear Radiation Attenuation......Page 601
7.10. Nuclear Magnetic Resonance (NMR) Method......Page 602
7.11. Summary of Density Determination......Page 603
8.1.1. Gas Thermometry......Page 605
8.1.2. Vapor Pressure Thermometry......Page 607
8.2. Metallic Resistance Thermometry......Page 612
8.2.1. Platinum Resistance Thermometers......Page 613
8.2.2. Other Metallic Resistance thermometers......Page 615
8.3.1. Germanium......Page 619
8.3.2. Carbon......Page 621
8.3.3. Carbon Glass......Page 623
8.3.4. Thermometers for Radiation and Magnetic Field Environments......Page 625
8.3.5. Diodes......Page 626
8.3.6. Thermistors......Page 631
8.4. Thermocouples......Page 633
8.4.3. Type T Thermocouples......Page 634
8.4.4. Gold–Iron Alloy Thermocouples......Page 635
8.5.1. Capacitance Thermometers......Page 636
8.6. Thermometry Summary......Page 639
1.1. Design Pitfalls......Page 644
1.2. Commonly Used Cryogenic Equipment......Page 647
2.1.1. Compression Paths......Page 649
2.1.2. Multistaging......Page 651
2.2. Compressors......Page 652
2.2.1. Reciprocating Compressors......Page 653
2.2.2. Centrifugal Compressors......Page 654
3.1. Introduction......Page 655
3.2. Positive Displacement Pumps......Page 656
3.3. Centrifugal Pumps......Page 657
4.1. Introduction......Page 663
4.2. Expansion Engine General Design Considerations......Page 664
4.3. Reciprocating Expanders......Page 666
4.3.1. Non-Lubricating Reciprocating Expansion Engines......Page 668
4.4.1. Development......Page 670
4.4.2. Analysis of a Centripetal Turbine......Page 672
5.1. Valves for Cryogenic Liquids......Page 676
5.2. Joule–Thomson Valves......Page 681
6.1. The Thermodynamics of Heat Exchangers......Page 682
6.2.1. Coiled Tube Heat Exchangers......Page 691
6.2.2. Concentric Tube Heat Exchangers......Page 693
6.2.3. Plate–Fin Exchangers......Page 694
6.2.4. Reversing Exchangers......Page 698
6.2.5. Regenerators......Page 699
6.3. Determining Temperature Differences......Page 701
6.4. Basic Heat-Exchanger Design Approaches......Page 702
7.1. Some Common Factors in Storage Systems......Page 707
7.2.1. Vacuum-Insulated Vessels......Page 709
7.2.4. Comparison of Evaporation Rate vs. Size for Different Vessels......Page 710
7.3. Liquid-Nitrogen-Shielded Dewars......Page 712
7.4. A Large Powder-Insulated Transport Dewar for Liquid Hydrogen......Page 713
7.5.1. Vapor-Refrigerated Shields......Page 714
7.5.3. Combining High-Vacuum and Evacuated Powder Insulation......Page 720
7.5.4. Comparison of Heat Leaks......Page 721
7.5.5. Vapor-Cooled Vent Tube......Page 722
7.6. Support Systems......Page 724
8. TRANSFER OF LIQUEFIED GASES......Page 725
8.1. Two-Phase Flow......Page 726
8.2. Cool-Down......Page 727
8.4. Transfer Through Uninsulated Lines......Page 728
8.5. Transfer Lines Insulated with Porous Materials......Page 729
8.7. Design Considerations......Page 730
8.7.2. Emissivity of the Inner Line......Page 732
8.7.3. Thermal Contraction......Page 735
8.8. Transfer Line Issues......Page 736
1. INTRODUCTION......Page 738
2. PURIFICATION......Page 741
2.1. Water Removal—Dehydration......Page 744
2.2. Removal of Carbon Dioxide and Hydrogen Sulfide......Page 747
2.3. Combined Water and Carbon Dioxide Removal......Page 749
2.4. Two-Stage Adsorption and Purification......Page 751
2.5. Mercury Removal......Page 752
3.1. Liquefied Petroleum Gas Recovery......Page 753
3.2. Ethane Recovery and Nitrogen Rejection......Page 754
3.3. Use of Natural Gas Liquids Turboexpander in Hydrocarbon Recovery......Page 755
4.1. Nitrogen Removal......Page 756
4.2.1. Refinery/Petrochemical Vent Gases......Page 757
4.3. Cryogenic Upgrading of Synthesis Gas......Page 758
6.1. Basic Cycles......Page 759
6.1.1. The Classical Cascade Cycle......Page 760
6.1.3. The Mixed-Refrigerant Cascade Cycle......Page 764
6.2. Commercially Used Multicomponent Refrigerant (MCR) Liquefaction Cycle......Page 766
6.3. Storage of Liquefied Natural Gas......Page 767
6.3.2. Prestressed Concrete Tanks......Page 768
6.3.3. Above-Ground Metal Tanks......Page 771
6.4. Stratification......Page 772
6.4.1. Common Principles......Page 773
6.4.2. Weathering......Page 774
6.4.3. Rollover......Page 776
6.4.4. Thermal Overfill......Page 777
6.4.6. Summary of Stratification......Page 778
6.5. Marine Transport of LNG......Page 779
6.6.1. Cold Utilization......Page 781
2.1. Frostbite......Page 784
2.2. Nitrogen Asphyxiation......Page 786
2.3. Effects of Pure Oxygen......Page 787
3.1. Brittle Fracture......Page 788
3.2. Thermal Stress......Page 789
3.3. Overpressure......Page 791
3.4. Vapor Pressure Curves Showing Critical Temperatures and Pressures......Page 793
3.6. Oxygen Compatibility......Page 795
4.1. Flammability and Detonability Data......Page 799
4.1.1. The Dilutent Role......Page 802
4.1.2. Flame and Detonation Velocities......Page 803
4.1.3. Flammability Limits—Methane–Oxygen–Nitrogen Mixtures......Page 804
4.3. Solubility of Hydrocarbons in Liquid Oxygen......Page 805
4.4. Density of Solid Impurities Relative to That of Liquid Oxygen......Page 807
4.6. Flammability Hazards Associated with Oxygen......Page 808
4.7. Adiabatic Compression as Ignition Source......Page 812
5. EXCESSIVE PRESSURE GAS......Page 817
5.1. What is Excessive Pressure?......Page 818
6. SPECIAL CONSIDERATIONS FOR HYDROGEN......Page 822
6.1. Fire and Explosion Hazards......Page 823
6.1.1. Industrial and Aerospace Accidents......Page 824
6.1.3. Fire and Explosions......Page 825
6.1.6. Vent and Exhaust System......Page 827
6.2. Safety Procedures......Page 828
6.2.2. Detection Technologies......Page 829
6.2.3. Hydrogen Fire Detection......Page 832
6.2.4. Detection Technologies......Page 833
6.3.1. Pipes and Fittings......Page 834
6.3.4. Gaskets......Page 835
6.3.6. Valves......Page 836
6.3.9. Venting Systems and Safety Relief......Page 839
6.4.2. Ventilation......Page 840
6.5.1. Components—Valves, Fittings, Tubing, Regulators......Page 841
6.5.3. Stainless Steel Tanks......Page 843
6.6.2. Removal from Service......Page 844
6.7.1. Spills, Leaks, and Decontamination......Page 845
6.7.2. Firefighting......Page 846
6.7.3. First Aid......Page 847
7. SPECIAL CONSIDERATIONS FOR OXYGEN......Page 848
7.1. Basic Principles of Oxygen Safe Use......Page 850
7.2. Igniton Mechanisms and Sources......Page 851
7.3. Materials Selection for Oxygen Service......Page 852
7.4. Design Principles for Oxygen......Page 853
7.5.1. Pipes and Fittings......Page 859
7.5.3. Valves......Page 862
7.5.4. Filters......Page 866
7.5.5. Oxygen Pumps......Page 868
7.6. Cleaning......Page 869
7.6.1. Cleaning Procedures......Page 870
7.6.2. Clean Assembly......Page 871
7.7.1. General......Page 872
7.7.2. Leaks and Spills......Page 873
7.7.4. Cold Injury......Page 874
7.7.6. Fire-Fighting Techniques......Page 875
8. GENERAL SAFETY PRINCIPLES......Page 876
8.1. Safety Philosophy......Page 877
8.3. Safety Reviews......Page 879
9.1. Job Preparation......Page 880
9.2. Doing the Job......Page 881
CHAPTER 2: SUGGESTED READING......Page 884
CHAPTER 2: REFERENCES......Page 885
CHAPTER 3: SUGGESTED READING......Page 886
CHAPTER 3: REFERENCES......Page 887
CHAPTER 4: REFERENCES......Page 888
CHAPTER 5: REFERENCES......Page 889
Cryocoolers......Page 890
CHAPTER 6: REFERENCES......Page 891
CHAPTER 7: REFERENCES......Page 892
CHAPTER 8: REFERENCES......Page 893
Design......Page 895
Heat Exchangers......Page 896
Two-Phase flow......Page 897
CHAPTER 10: SUGGESTED READING......Page 898
CHAPTER 10: REFERENCES......Page 899
CHAPTER 11: REFERENCES......Page 900
APPENDIX: SUGGESTED READING......Page 901