Криогеника

редактировать
Изучение производства и поведения материалов при очень низких температурах Жидкий азот Это диаграмма инфракрасного пространства телескоп, которому нужно холодное зеркало и инструменты. Один прибор должен быть еще холоднее, и в нем есть криокулер. Прибор находится в зоне 1, а его криоохладитель - в зоне 3, в более теплой зоне космического корабля. (см. MIRI (Mid-Infrared Instrument) или Космический телескоп Джеймса Уэбба ) Дьюар среднего размера наполняется жидким азотом из более крупного криогенного резервуара.

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.

Содержание

  • 1 Определения и различия
  • 2 Этимология
  • 3 Криогенные жидкости
  • 4 Промышленное применение
    • 4.1 Криогенная обработка
    • 4.2 Топливо
  • 5 Другие области применения
  • 6 Производство
  • 7 Детекторы
  • 8 См. Также
  • 9 Ссылки
  • 10 Дополнительная литература

Определения и различия

Криогеника
Отрасли инженерии, которые включают изучение очень низких температур, как производят их, и как материалы ведут себя при этих температурах.
Криобиология
Раздел биологии, связанный с изучением воздействия низких температур на организмы (чаще всего для цель достижения криоконсервации ).
Криоконсервации генетических ресурсов животных
Сохранение генетического материала с целью сохранения породы.
Криохирургия
Раздел хирургии, использующий криогенные температуры для разрушения и уничтожения тканей, например раковые клетки.
Криоэлектроника
Изучение электронных явлений при криогенных температурах. Примеры включают сверхпроводимость и скачкообразное изменение диапазона.
Криотроника
Практическое применение криоэлектроники.
Крионика
Криоконсервация людей и животных с целью их возрождения в будущем. «Криогеника» иногда ошибочно используется для обозначения «крионики» в массовой культуре и прессе.

Этимология

Слово «криогеника» происходит от греческого κρύο (крио) - «холодный» + γονική (генический) - «производственный».

Криогенные жидкости

Криогенные жидкости с их точкой кипения в кельвинах.

ЖидкостьТочка кипения (K)
Гелий-33,19
Гелий-44,214
Водород20,27
Неон27,09
Азот77,09
Воздух78,8
Фтор85,24
Аргон87,24
Кислород90,18
Метан111.7

Промышленное применение

Криогенный клапан

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.

Криогенная обработка

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.

Топливо

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.

Другие применения

Астрономические инструменты на Очень большом телескопе оснащены системами охлаждения с непрерывным потоком.

Некоторые применения криогеники:

  • Ядерный магнитный резонанс (ЯМР) - один из наиболее распространенных методов определения физических и химических свойств атомов путем обнаружения радиоизлучения. поглощенная частота и последующая релаксация ядер в магнитном поле. Это один из наиболее часто используемых методов характеризации, который находит применение во многих областях. В первую очередь, сильные магнитные поля создаются электромагнитами переохлаждения, хотя существуют спектрометры, для которых криогены не требуются. В традиционных сверхпроводящих соленоидах жидкий гелий используется для охлаждения внутренних катушек, поскольку его температура кипения составляет около 4 К при атмосферном давлении. Для разводки катушек можно использовать дешевые металлические сверхпроводники. Так называемые высокотемпературные сверхпроводящие соединения могут быть превращены в сверхпроводящие соединения с использованием жидкого азота, который кипит при температуре около 77 К.
  • Магнитно-резонансная томография (МРТ) - это сложное приложение ЯМР, в котором геометрия резонансы подвергаются деконволюции и используются для изображения объектов путем обнаружения релаксации протонов, которые были возмущены радиочастотным импульсом в сильном магнитном поле. Обычно это используется в медицинских приложениях.
  • В больших городах трудно передавать мощность по воздушным кабелям, поэтому используются подземные кабели. Но подземные кабели нагреваются, и сопротивление провода увеличивается, что приводит к потере энергии. Сверхпроводники могут использоваться для увеличения пропускной способности, хотя для них потребуются криогенные жидкости, такие как азот или гелий, для охлаждения специальных кабелей, содержащих сплавы, для увеличения передачи энергии. Было выполнено несколько технико-экономических обоснований, и месторождение является предметом соглашения в рамках Международного энергетического агентства.
Грузовик для доставки криогенных газов в супермаркете, Ипсиланти, Мичиган
  • Криогенные газы используются для транспортировки и хранение больших масс замороженных пищевых продуктов. Когда необходимо доставить очень большие количества продуктов питания в такие регионы, как зоны боевых действий, районы, пострадавшие от землетрясения и т. Д., Они должны храниться в течение длительного времени, поэтому используется криогенное замораживание продуктов. Криогенная заморозка пищевых продуктов также полезна для крупных предприятий пищевой промышленности.
  • Многие инфракрасные (передовые инфракрасные ) камеры требуют криогенного охлаждения своих детекторов.
  • Определенные редкие группы крови хранятся при низких температурах, например -165 ° C, в банках крови.
  • Технология криогеники с использованием жидкого азота и CO 2 была встроена в ночной клуб эффектные системы для создания охлаждающего эффекта и белого тумана, который можно освещать цветными огнями.
  • Криогенное охлаждение используется для охлаждения наконечника инструмента во время обработки на производстве процесс. Увеличивает срок службы инструмента. Кислород используется для выполнения нескольких важных функций в процессе производства стали.
  • Многие ракеты используют криогенные газы в качестве топлива. К ним относятся жидкий кислород, жидкий водород и жидкий метан.
  • При замораживании автомобильной или грузовой шины в жидком азоте резина становится хрупкой и может быть раздроблена на мелкие частицы. Эти частицы можно снова использовать для других предметов.
  • Экспериментальные исследования определенных физических явлений, таких как спинтроника и свойства магнитотранспорта, требуют криогенных температур для наблюдения эффектов.

Производство

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.

Детекторы

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.

См. Также

Ссылки

Дополнительная литература

  • Haselden, GG (1971) Криогенные основы Academic Press, New York, ISBN 0-12-330550-0
Последняя правка сделана 2021-05-16 10:17:19
Содержание доступно по лицензии CC BY-SA 3.0 (если не указано иное).
Обратная связь: support@alphapedia.ru
Соглашение
О проекте