In физика, криогеника - это производство и поведение материалов при очень низких температурах.
Неясно, в какой точке шкалы температур охлаждение заканчивается и начинается криогеника, но ученые считают газ криогенным, если его можно сжижать при температуре -150 ° C или ниже (123 K ; -238 ° F Национальный институт стандартов и технологий США рассматривает область криогеники как область температур ниже -180 ° C (93 K; -292 ° F). Это логическая разделительная линия, поскольку нормальная точки кипения так называемых постоянных газов (например, гелий, водород, неон, азот, кислород и нормальный воздух ) лежат ниже -180 ° C, в то время как хладагенты фреон, углеводороды и другие распространенные хладагенты имеют температуру кипения выше -180 ° C.
Открытие сверхпроводящих материалов с критическими температурами, значительно превышающими точку кипения жидкого азота, вызвал новый интерес к надежным и недорогим методам производства высокотемпературного криогенного охлаждения. Термин «высокотемпературный криогенный» описывает температуры в диапазоне от температуры выше точки кипения жидкого азота, −195,79 ° C (77,36 K; −320,42 ° F), до −50 ° C (223 K; −58 ° F).
Криогеники используют шкалу температуры Кельвина или Ранкина, обе из которых измеряют от абсолютного нуля, а не более обычные шкалы, такие как Цельсия, которая измеряется от точки замерзания воды на уровне моря или Фаренгейта с нулевым значением при произвольной температуре.
Слово «криогеника» происходит от греческого κρύο (крио) - «холодный» + γονική (генический) - «производственный».
Криогенные жидкости с их точкой кипения в кельвинах.
Жидкость | Точка кипения (K) |
---|---|
Гелий-3 | 3,19 |
Гелий-4 | 4,214 |
Водород | 20,27 |
Неон | 27,09 |
Азот | 77,09 |
Воздух | 78,8 |
Фтор | 85,24 |
Аргон | 87,24 |
Кислород | 90,18 |
Метан | 111.7 |
Сжиженные газы, такие как жидкий азот и жидкий гелий, используются во многих криогенных приложениях. Жидкий азот является наиболее часто используемым элементом в криогенной технике, и его можно законно купить во всем мире. Также широко используется жидкий гелий, который позволяет достичь самых низких достижимых температур.
Эти жидкости могут храниться в колбах Дьюара, которые представляют собой двустенные контейнеры с высоким вакуумом между стенками для уменьшения теплопередачи в жидкость. Типичные лабораторные колбы Дьюара имеют сферическую форму, сделаны из стекла и защищены металлическим внешним контейнером. Сосуды Дьюара для очень холодных жидкостей, таких как жидкий гелий, имеют еще один контейнер с двойными стенками, заполненный жидким азотом. Сосуды Дьюара названы в честь их изобретателя Джеймса Дьюара, человека, который первым сжижил водород. Термосы - это меньшие по размеру термосы, заключенные в защитный кожух.
Криогенные этикетки со штрих-кодом используются для маркировки сосудов Дьюара, содержащих эти жидкости, и не замерзают до -195 градусов Цельсия.
Криогенные перекачивающие насосы - это насосы, используемые на пирсах СПГ для передачи сжиженного природного газа из танкеров для перевозки СПГ в резервуары для хранения СПГ, а также криогенные клапаны.
Область криогеники продвинулась вперед во время Второй мировой войны, когда ученые обнаружили, что металлы, замороженные до низких температур, обладают большей устойчивостью к износу. На основе этой теории криогенного упрочнения промышленная криогенная обработка была основана в 1966 году Эдом Бушем. Имея опыт работы в отрасли термообработки, Буш основал в Детройте компанию под названием CryoTech в 1966 году, которая объединилась с 300 Lower в 1999 году и стала крупнейшей в мире и старейшая коммерческая криогенная перерабатывающая компания. Изначально Буш экспериментировал с возможностью увеличения срока службы металлических инструментов до уровня от 200% до 400% от первоначального ожидаемого срока службы с помощью криогенного отпуска вместо термической обработки. В конце 1990-х это переросло в обработку других частей.
Криогены, такие как жидкий азот, в дальнейшем используются для специального охлаждения и замораживания. Некоторые химические реакции, подобные тем, которые используются для производства активных ингредиентов для популярных препаратов статинов, должны происходить при низких температурах примерно -100 ° C (-148 ° F). Специальные криогенные химические реакторы используются для отвода тепла реакции и создания низкотемпературной среды. Для замораживания пищевых продуктов и биотехнологических продуктов, таких как вакцины, требуется азот в системах шоковой заморозки или иммерсионной заморозки. Некоторые мягкие или эластичные материалы становятся твердыми и хрупкими при очень низких температурах, что делает криогенное измельчение (криомельницу ) вариантом для некоторых материалов, которые нелегко измельчить при более высокие температуры.
Криогенная обработка - это не замена термической обработки, а скорее продолжение цикла нагрев – закалка – отпуск. Обычно при закалке конечная температура равна температуре окружающей среды. Единственная причина этого в том, что большинство установок для термообработки не имеют охлаждающего оборудования. В температуре окружающей среды нет ничего металлургически значимого. Криогенный процесс продолжает это действие от температуры окружающей среды до -320 ° F (140 ° R; 78 K; -196 ° C). В большинстве случаев за криогенным циклом следует процедура теплового отпуска. Поскольку все сплавы не имеют одинаковых химических компонентов, процедура отпуска варьируется в зависимости от химического состава материала, термической истории и / или конкретного применения инструмента.
Весь процесс занимает 3–4 дня.
Еще одно применение криогенной техники - криогенное топливо для ракет с жидким водородом в качестве наиболее широко используемого примера. Жидкий кислород (LOX) еще более широко используется, но в качестве окислителя, а не топлива. Рабочая лошадка НАСА Space Shuttle использовала криогенное водородно-кислородное топливо в качестве основного средства выхода на орбиту. LOX также широко используется с керосином РП-1, некриогенным углеводородом, например, в ракетах, построенных для советской космической программы Сергеем Королевым.
Россия Производитель самолетов Туполев разработал вариант своей популярной конструкции Ту-154 с криогенной топливной системой, известный как Ту-155. Самолет использует топливо, называемое сжиженным природным газом или СПГ, и совершил свой первый полет в 1989 году.
Некоторые применения криогеники:
Криогенное охлаждение устройств и материалов обычно достигается за счет использования жидкого азота, жидкого гелия или механического криохладителя (в котором используются линии гелия высокого давления).. Криохладители Gifford-McMahon, криохладители с пульсирующей трубкой и криохладители Стирлинга широко используются с выбором на основе требуемой базовой температуры и холодопроизводительности. Самым последним достижением в области криогеники является использование магнитов в качестве регенераторов, а также холодильников. Эти устройства работают по принципу, известному как магнитокалорический эффект.
Существуют различные криогенные детекторы, которые используются для обнаружения криогенных частиц.
Для измерения криогенных температур до 30K используются датчики Pt100, резистивный датчик температуры (RTD). Для температур ниже 30К необходимо использовать кремниевый диод для точности.