Криогеника - Cryogenics

Для криоконсервации людей см. Крионика. Для группы см. Криогенный (полоса).
«Физика низких температур» перенаправляется сюда. Для журнала см. Физика низких температур (журнал).
Жидкий азот
Это схема инфракрасного космического телескопа, которому нужны 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. (видеть MIRI (прибор среднего инфракрасного диапазона) или же Космический телескоп Джеймса Уэбба )
Дьюар среднего размера наполняется жидким азотом из более крупного криогенного резервуара.

В физика, криогеника производство и поведение материалов при очень низких температуры.

13-й Международный конгресс по охлаждению МИХ (проходивший в Вашингтоне в 1971 г.) одобрил универсальное определение «криогеника» и «криогенный», приняв пороговое значение 120 К (или –153 ° C), чтобы отличить эти термины от традиционного охлаждения.[1][2][3] Это логическая разделительная линия, поскольку нормальный точки кипения так называемых постоянных газы (Такие как гелий, водород, неон, азот, кислород, и нормальный воздуха ) лежат ниже −120 ° C, а Фреон хладагенты, углеводороды, и другие распространенные хладагенты имеют температуру кипения выше -120 ° C.[4][5] Соединенные штаты. Национальный институт стандартов и технологий рассматривает область криогеники как область температур ниже -180 ° C (93 K; -292 ° F).

Открытие сверхпроводящий материалы с критическими температурами, значительно превышающими точку кипения жидкого азота, вызвали новый интерес к надежным и недорогим способам 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).[6]

Криогеники используют Кельвин или же Ренкин температурная шкала, оба измеряются от абсолютный ноль, а не более обычные шкалы, такие как Цельсия который измеряется от точки замерзания воды на уровне моря или Фаренгейт с его нулем при произвольной температуре.

Определения и различия

Криогеника
Отрасли инженерии, которые включают изучение очень низких температур, способы их получения и поведение материалов при этих температурах.
Криобиология
Филиал биология включая изучение воздействия низких температур на организмы (чаще всего с целью достижения криоконсервация ).
Криоконсервация 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 люди и животные с намерением будущего возрождения. «Криогеника» иногда ошибочно используется для обозначения «Крионика» в популярная культура и пресса.[7]

Этимология

Слово криогеника проистекает из Греческий κρύος (криогенные) - «холодный» + γενής (генис) - «генерирующий».

Криогенные жидкости

Криогенные жидкости с температурой кипения в кельвины.[8]

ЖидкостьТемпература кипения (K)
Гелий-33.19
Гелий-44.214
Водород20.27
Неон27.09
Азот77.09
Воздуха78.8
Фтор85.24
Аргон87.24
Кислород90.18
Метан111.7

Промышленное применение

Криогенный клапан
Дальнейшая информация: Хронология низкотемпературных технологий

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. Жидкий гелий также широко используется и позволяет самые низкие достижимые температуры быть достигнутым.

Эти жидкости можно хранить в Сосуды Дьюара, которые представляют собой контейнеры с двойными стенками 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, Джеймс Дьюар, человек, который первым сжижил водород. Термос бутылки меньше термосы встроен в защитный кожух.

Этикетки с криогенным штрих-кодом используются для маркировки сосудов Дьюара, содержащих эти жидкости, и не замерзают до -195 градусов Цельсия.[9]

Криогенные перекачивающие насосы - это насосы, используемые на Причалы СПГ перевести сжиженный природный газ из Танкеры СПГ к Резервуары для хранения СПГ, как и криогенные клапаны.

Криогенная обработка

Область криогеники развивалась во время Второй мировой войны, когда ученые обнаружили, что замороженные до низких температур металлы обладают большей износостойкостью. Основываясь на этой теории криогенное упрочнение, коммерческий криогенная обработка Industry была основана в 1966 году Эдом Бушем. С фоном в термическая обработка промышленности, Буш основал компанию в Детройт называется CryoTech в 1966 году [10] который слился с 300 ниже в 1999 году, чтобы стать крупнейшей и старейшей в мире коммерческой компанией по криогенной обработке.[нужна цитата ] Изначально компания Busch экспериментировала с возможностью увеличения срока службы металлических инструментов до 200–400% от первоначального срока службы, используя криогенный отпуск вместо термической обработки.[нужна цитата ] В конце 1990-х это переросло в обработку других частей.

Криогены, например жидкость азот, в дальнейшем используются для специального охлаждения и замораживания. Некоторые химические реакции, такие как те, которые используются для производства активных ингредиентов для популярных статины лекарства, должны происходить при низких температурах примерно -100 ° C (-148 ° F). Специальная криогенная химические реакторы используются для отвода тепла реакции и создания низкотемпературной среды. Замораживание пищевых продуктов и биотехнологических продуктов, например вакцина, требуется азот в системах шоковой заморозки или погружной заморозки. Некоторые мягкие или эластичные материалы становятся твердыми и хрупкий при очень низких температурах, что делает криогенные фрезерование (криомиллинг ) вариант для некоторых материалов, которые трудно измельчить при более высоких температурах.

Криогенная обработка не заменяет термообработку, а, скорее, является продолжением 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 продолжается от температуры окружающей среды до −320 ° F (140 ° R; 78 K; −196 ° C). В большинстве случаев за криогенным циклом следует процедура термического отпуска. Поскольку все сплавы не имеют одинаковых химических компонентов, процедура отпуска варьируется в зависимости от химического состава материала, термической истории и / или конкретной области применения инструмента.

Весь процесс занимает 3–4 дня.

Топлива

Еще одно применение криогеники - это криогенное топливо для ракет с жидкий водород как наиболее широко используемый пример. Жидкий кислород (LOX) еще более широко используется, но как окислитель, а не топливо. НАСА рабочая лошадка Космический шатл использовал криогенный водород / кислородное топливо в качестве основного средства попадания в орбита. LOX также широко используется с РП-1 керосин, некриогенный углеводород, например, в ракетах, построенных для Советская космическая программа к Сергей Королев.

Российский авиастроитель Туполев разработала версию популярного дизайна Ту-154 с криогенной топливной системой, известной как Ту-155. Самолет использует топливо, называемое сжиженный природный газ или СПГ, и совершил свой первый полет в 1989 году.

Другие приложения

Астрономические инструменты на Очень большой телескоп оснащены проточными системами охлаждения.[11]

Некоторые применения криогеники:

  • Ядерный магнитный резонанс (ЯМР) - один из наиболее распространенных методов определения физических и химических свойств атомов путем обнаружения поглощенной радиочастоты и последующей релаксации 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 есть спектрометры которые не требуют криогенов. 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 можно сделать сверхпроводящими с помощью жидкого азота, который кипит при температуре около 77 К.
  • Магнитно-резонансная томография (МРТ) - это сложное приложение ЯМР, в котором геометрия резонансов деконволюционирует и используется для изображения объектов путем обнаружения релаксации протонов, которые были возмущены радиочастотным импульсом в сильном магнитном поле. Чаще всего это используется в приложениях для здоровья.
  • В крупных городах сложно Мощность передачи 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 Международное энергетическое агентство.
Автомобиль для доставки криогенных газов в супермаркете, Ипсиланти, Мичиган
  • Криогенные газы используются при транспортировке и хранении больших масс замороженные продукты. Когда очень большие количества продуктов питания необходимо транспортировать 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. Криогенное замораживание пищевых продуктов также полезно для крупномасштабной пищевой промышленности.
  • Многие инфракрасные (перспективный инфракрасный ) камеры требуют криогенного охлаждения своих детекторов.
  • Некоторые редкие группы крови хранятся при низких температурах, например -165 ° C, в банках крови.
  • Технология криогеники с использованием жидкий азот и CO2 был встроен в ночной клуб системы эффектов для создания охлаждающего эффекта и белого тумана, который можно осветить разноцветными огнями.
  • Криогенное охлаждение используется для охлаждения режущей кромки инструмента во время обработки в производственный процесс. Увеличивает срок службы инструмента. Кислород используется для выполнения нескольких важных функций в процессе производства стали.
  • Много ракеты использовать 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 некоторых физических явлений, таких как спинтроника и магнитотранспортные свойства, требуют криогенных температур для наблюдения эффектов.

Производство

Криогенное охлаждение устройств и материалов обычно достигается за счет использования жидкий азот, жидкий гелий, или механический криохладитель (в котором используются гелиевые линии высокого давления). Криокулеры Gifford-McMahon, криокулеры с импульсной трубкой и Криохладители Стирлинга широко используются с выбором на основе необходимой базовой температуры и холодопроизводительности. Самым последним достижением в криогенике является использование магнитов в качестве регенераторов, а также холодильников. Эти устройства работают по принципу, известному как магнитокалорический эффект.

Детекторы

Есть разные криогенные детекторы которые используются для обнаружения криогенных частиц.

Для измерения криогенных температур до 30К, датчики Pt100, a резистивный датчик температуры (RTD), используются. Для температур ниже 30К необходимо использовать кремниевый диод для точности.

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Международный словарь по холоду, http://dictionary.iifiir.org/search.php
  2. ^ Терминология ASHRAE, https://www.ashrae.org/technical-resources/free-resources/ashrae-terminology
  3. ^ К.Д. Тиммерхаус, Р. Рид. Криогенная инженерия: пятьдесят лет прогресса. Springer Science + Business Media LLC (2007 г.)
  4. ^ "ДИХЛОРОДИФТОРОМЕТАН в Pubchem".
  5. ^ «ПРОПАН в Pubchem».
  6. ^ Дж. М. Нэш, 1991, "Устройства расширения вихрей для высокотемпературной криогеники", Proc. 26-й Межобщественной конференции по инженерии преобразования энергии, Vol. 4. С. 521–525.
  7. ^ «Крионика - это НЕ то же самое, что криогеника». Получено 5 марта 2013.
  8. ^ КРИОГЕННЫЕ СИСТЕМЫ РЭНДАЛЛ БАРРОНА Книжная компания McGraw-Hill.
  9. ^ Тепловой, Тимми. «Криогенные этикетки». MidcomData. Получено 11 августа 2014.
  10. ^ Ганц, Кэрролл (2015). Холодильное оборудование: история. Джефферсон, Северная Каролина: McFarland & Company, Inc. стр. 227. ISBN  978-0-7864-7687-9.
  11. ^ «ESO подписывает лицензионное соглашение о передаче технологии для системы охлаждения». Получено 11 июн 2015.

дальнейшее чтение

  • Хазелден, Г. Г. (1971) Криогенные основы Academic Press, Нью-Йорк, ISBN  0-12-330550-0