Powietrze atmosferyczne zawiera przeciętnie 78% azotu, 21% tlenu, 0,9% argonu i około 0,1% innych gazów, w tym dwutlenku węgla. Gazy, takie jak wodór, krypton i ksenon są obecne w powietrzu jedynie w śladowych ilościach. Skład powietrza może się zmieniać w zależności od miejsca pobrania próbki, stopnia zanieczyszczenia środowiska, wysokości nad poziomem morza.
Pomimo dużej niezawodności instalacji i urządzeń wykorzystujących ciecze krio-geniczne, niemożliwe jest całkowite wykluczenie zdarzeń prowadzących do wypływu czynnika do otoczenia. Wypływ czynnika kriogenicznego do otoczenia może być tak-że działaniem celowym np. podczas zbiegów medycznych, w trakcie gaszenia poża-rów w kopalniach lub rozładowywania kriostatów po przejściach rezystywnych ma-gnesów nadprzewodzących. Ciecze kriogeniczne po odparowaniu i odgrzaniu do temperatury otoczenia zwiększają swoją objętość od 590 razy w przypadku metanu do 1341 razy w przypadku neonu. W przybliżeniu można przyjąć, że skroplone gazy po wydostaniu się do otoczenia zwiększają swoją objętość o około trzy rzędy wielko-ści i z jednego litra cieczy powstaje metr szewielko-ścienny gazu o temperaturze pokojowej. Chociaż w większości gazy te są nietoksyczne i niepalne, to ich obecność w atmosfe-rze może stanowić zagrożenie dla zdrowia i życia ludzi popatmosfe-rzez zubożenie ilości tlenu w powietrzu.
Tabela 2. Wpływ obniżenia udziału objętościowego tlenu w atmosferze na organizm ludzki
nO2
% Symptomy
21–18 brak symptomów
18–15 spadek sprawności; początek zaburzeń pracy serca, płuc i układu krążenia 15–12 głębsze oddychanie, szybsze tętno, słaba koordynacja ruchów 12–10 zawroty głowy, spadek zdolności myślenia, sinienie ust
10–8 mdłości, wymioty, utrata świadomości, sina twarz
8–6 śmierć po 8 min, po 6 min 50% szans odzyskania zdrowia, po 4–5 min 100% szans 4 po 40 s śpiączka, konwulsje, śmierć
Ze względów fizjologicznych objętościowy udział tlenu w atmosferze nie powinien obniżyć się poniżej 18% (p. tab. 2). Na rysunku 1.16 zobrazowano spadek koncentra-cji tlenu w trzech mieszaninach uzyskanych po jednorodnym zmieszaniu się helu, wodoru lub azotu o temperaturze początkowej 100 K z powietrzem o temperaturze 293 K. Już stosunkowo niewielki dodatek tych gazów do powietrza powoduje spadek koncentracji tlenu poniżej bezpiecznej granicy 18%. Jeżeli wypływ zimnego gazu do atmosfery następuje z dużą intensywnością, to nawet w przypadku zapewnienia do-brego mieszania kriogenu z powietrzem i w dobrze wentylowanych pomieszczeniach, w pobliżu miejsca wypływu może wystąpić praktycznie zerowe stężenie tlenu. Azot, a szczególnie argon ze względu na gęstość znacznie większą od gęstości powietrza, mogą zalegać przez długi okres czasu w dolnych partiach zbiorników magazynowych lub pomieszczeń, do których zostały uwolnione. Podobnie azot może być długotrwale obecny w zbiornikach, które były przepłukiwane tym gazem.
0 3 6 9 12 15 18 21 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0
masa kriogenu/masa powietrza, kg/kg
nO
2
,
%
graniczna wartość bezpieczna
wodór hel azot
Rys. 1.16. Udział objętościowy tlenu w mieszaninach wybranych kriogenów i powietrza
Niespodziewane zaczerpnięcie do płuc argonu lub azotu może spowodować prak-tycznie natychmiastowe omdlenie. Znane są śmiertelne wypadki wynikłe z nieświa-domego wejścia pracowników do zbiorników wypełnionych resztkowym azotem, a nawet przechylenia się przez otwory rewizyjne (p. rys. 1.17). Przed instalacją urządzenia kriogenicznego w pomieszczeniu zamkniętym należy określić potencjalny spadek tlenu na skutek np. wykonywania miejscowego zabiegu krioterapeutycznego. W pierwszym przybliżeniu można założyć idealne mieszanie się powietrza z uwolnio-nym kriogenem i posłużyć się krzywymi przedstawiouwolnio-nymi na rysunku 1.16.
Większość materiałów konstrukcyjnych (np. żelazo, stale węglowe i niskostopowe, molibden, niob, cynk, większość metali o sieci krystalicznej przestrzennie centrowa-nej, większość plastików) przechodzi w stan kruchy po obniżeniu ich temperatury do temperatury zbliżonej do ciekłego azotu. Głównym zagrożeniem dla bezpieczeństwa ludzi i sprzętu wynikającym z kruchości materiału jest oziębienie elementów, które nie były przewidywane i projektowane do pracy w warunkach obniżonej temperatury.
Przykładem takich elementów są zewnętrzne płaszcze próżniowe kriostatów, które pozostają zawsze w temperaturze otoczenia, natomiast mogą zostać wyziębione w przypadku wypływu kriogenu do przestrzeni próżniowej lub nieprawidłowo skie-rowanego wylotu z zaworu bezpieczeństwa. W przypadku oziębienia takiego elementu następuje jego skurcz wywołujący naprężenia i może dojść do kruchego pęknięcia. Należy zwrócić uwagę, że do wyziębienia materiału poniżej granicy plastyczności może dojść na skutek skierowania na niego strumienia par azotu wypływających z urządzenia służącego do krioterapii miejscowej.
Należy zawsze pamiętać, że technologie stosowane w kriogenice są często unika-towe i nie poddają się rutynie, a posługiwanie się cieczami kriogenicznymi, nawet w niewielkich ilościach, wymaga zrozumienia ich specyfiki i zachowywania warun-ków bezpieczeństwa.
(a) (b)
Rys. 1.17. Schematycznie przedstawienie zagrożenia z powodu wejścia lub wejrzenia do zbiornika wypełnionego azotem lub argonem
Rozdział niniejszy opracowano na podstawie przeglądu literatury i własnych do-świadczeń [1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9].
Literatura
[1] BODIO E., Skraplarki i chłodziarki kriogeniczne, Wydawnictwo PWr, Wrocław 1987. [2] CHOROWSKI M., Kriogenika, Podstawy i zastosowania, Wydawnictwo Masta, 2007.
[3] CHOROWSKI M., KONOPKA G., RIDDONE G., Safety oriented analysis of cold helium air
mix-ture formation and stratification, Cryogenics, 2006, Vol. 46, No. 4, 262272.
[4] CHOROWSKI M., PIOTROWSKA A., Comparative analysis of the cryogens used in cryomedical
appli-cations, Proc. XX International Cryogenic Engineering Conference, Beijing, Elsevier 2004, China 2006.
[5] EDESKUTY F.J., STEWART W.F., Safety in the handling of cryogenic fluids, Plenum Press, New York 1996.
[6] GABRYŚ M.S., POPIEL A., Krioterapia w medycynie, Urban & Partner Editor, Wrocław 2003. [7] PIOTROWSKA-HAJNUS A., Termodynamiczna optymalizacja chłodziarki Joule’a-Thomsona
współpracującej z membranowym systemem rozdziału powietrza, Instytut Techniki Cieplnej i
Me-chaniki Płynów Politechniki Wrocławskiej, raport 5/2009.
[8] SIEROŃ A., CIEŚLAR G., STANEK A., Cryotherapy, alfa medica press, Bielsko Biała 2010. [9] Asphyxiation Risk in Cryosaunas with Cooling by means of Direct LIN Injection, Linde Group SHEQ