Caraffe termiche

Le caraffe termiche si usano in casa per mantenere le bevande calde o fredde a lungo e trovano numerosi impieghi nell’industria.

Design

Una caraffa termica è composta da due recipienti, uno inserito nell’altro e uniti all’imboccatura. L’intercapedine tra i due recipienti viene svuotata parzialmente dell’aria, creando il vuoto parziale che riduce il trasferimento di calore per conduzione o convezione. Il trasferimento di calore dovuto alla radiazione termica può essere ridotto argentando la superficie della caraffa rivolta verso l’intercapedine; questo, però, può essere un problema se il contenuto del bollitore o l’ambiente circostante sono molto caldi. Per questo motivo, i bollitori termici mantengono di solito l’acqua al di sotto del punto di ebollizione. La maggior parte del calore passa attraverso il collo e l’apertura del bollitore, dove non c’è il vuoto. Le caraffe termiche sono solitamente realizzate in metallo, vetro borosilicato, schiuma o plastica e hanno un’apertura chiusa con sughero o polietilene. I contenitori sottovuoto sono spesso usati come contenitori isolanti per il trasporto.

Le caraffe termiche molto grandi o molto lunghe a volte non riescono a sostenere completamente il recipiente interno solo dal collo; perciò, un distanziatore tra il contenitore interno e quello esterno offre un supporto aggiuntivo. Questi deflettori fungono da ponti termici e riducono in parte le proprietà isolanti del bollitore nella zona in cui entrano in contatto con la superficie interna.

Alcune applicazioni tecniche, come le macchine NMR e MRI, si basano sull’uso di doppi contenitori sottovuoto. Questi bollitori hanno due sezioni sottovuoto. Il contenitore interno viene riempito con elio liquido, quello esterno con azoto liquido e al centro si trova una sezione sottovuoto. In questo modo si limita la perdita del prezioso elio.

Altri accorgimenti per migliorare il contenitore sottovuoto includono uno schermo contro la radiazione raffreddato a vapore e un collo raffreddato a vapore, che contribuiscono entrambi a ridurne la vaporizzazione.

Sicurezza

Le caraffe termiche presentano il rischio di implosione; i recipienti di vetro, in particolare, possono rompersi accidentalmente a causa del vuoto. Scheggiature, graffi o crepe possono essere il punto di partenza di una pericolosa rottura del recipiente, soprattutto quando la temperatura cambia rapidamente, per esempio aggiungendo liquidi caldi o freddi. Per preservare e ottimizzare il funzionamento dell’unità, si consiglia di preparare correttamente il Dewar temperandolo prima dell’uso. I contenitori sottovuoto in vetro sono solitamente montati su una base metallica e racchiusi in cilindri o rivestiti con una rete, alluminio o plastica, per facilitarne la manipolazione, proteggerli dai danni fisici e contenere i frammenti in caso di rottura.

Inoltre, i Dewar per la conservazione criogenica sono solitamente pressurizzati e possono esplodere se non si utilizza una valvola di sicurezza.

In fase di progettazione di un contenitore sottovuoto occorre considerare la dilatazione termica. Le pareti esterna e interna sono esposte a temperature diverse e si dilatano a velocità differenti. La differenza di dilatazione termica tra le pareti esterna e interna può causare la rottura del contenitore sottovuoto. Per evitarla e mantenere l’integrità del vuoto, nei contenitori termici tubolari si usano comunemente giunti di dilatazione.