Криогенные жидкости что это
Криогенная техника
Все о криогенных технологиях
Демако — специалист по криогенной инфраструктуре. Сорок лет назад наша компания сильно увлеклась этой специализированной областью, эта страсть с тех пор только возросла. Но как именно работает криогенная техника? Что такое криогенные газы, как достигается сверхнизкая температура, какие риски и в каких отраслях промышленности криогенная техника используется больше всего? Вы можете прочитать все это и многое другое на этой странице.
Что такое криогенная технология
Криогеника происходит от греческого слова «Kryos», что означает «холодный». Это область, в которой материалы производятся, хранятся, транспортируются и используются при сверхнизких температурах. Крайний холод может вызвать интересные химические реакции. Например, вещества переходят из газового состояния в жидкое или принимают твердую форму благодаря охлаждению.
Температура, необходимая для сжижения газа, варьируется от одного газа к другому. Например, кислород разжижается при температуре минус 183 градуса Цельсия, в то время как гелий требует температуры не менее минус 269 градусов Цельсия.
Как достигается криогенная температура?
Для достижения температуры замерзания необходимы сложные технологии. В большинстве случаев для генерации криогенных температур используются 4 различных метода:
1. Тепловая проводимость
Тепловая проводимость является, пожалуй, наиболее знакомым методом. При контакте двух продуктов или материалов тепло передается от самого горячего продукта к самому холодному. Этот же принцип применим и к криогенным температурам. Крайний холод передается путем контакта газа, жидкости или твердого вещества с криогенной жидкостью. В результате этого газ, жидкий или твердый, также достигает желаемой криогенной температуры.
2. Испарительное охлаждение
Атомы или молекулы имеют меньше энергии в жидкой форме, чем в газообразной. Во время испарения жидкого продукта атомы или молекулы, находящиеся на поверхности, получают из окружающей жидкости достаточную энергию, чтобы перейти в газообразное состояние. Оставшаяся же жидкость, напротив, удерживает меньше энергии, что делает ее холоднее. Таким образом, вызывая процесс испарения, можно добиться охлаждения жидкости.
3. Охлаждение за счет быстрого расширения
Третий метод — использование эффекта Джоуль-Томпсона. Это включает в себя охлаждение газов путем резкого увеличения объема или одинаково быстрого перепада давления. Этот метод широко используется при сжижении водорода и гелия.
4. Адиабатическое размагничивание
Четвертый и последний метод в основном используется для охлаждения жидкого гелия и включает в себя парамагнитные соли для поглощения тепла. Парамагнитную соль можно рассматривать как огромное количество маленьких магнитов, которые при размещении на сильном магнитном поле и обработке электромагнитом генерируют или используют энергию. Поглощая энергию с этими материалами из газа, газ становится холоднее и холоднее.
История криогенной технологии
Появляется все больше и больше жидких газов
Когда компания Demaco была впервые представлена в криогенной отрасли около 1985 года, это была относительно новая область специализации. Однако криогенная техника получила широкую известность лишь в XIX веке, так как к тому времени все больше и больше газов можно было успешно сжигать.
Все началось еще в 1877 году, когда Кейлет и Пикте преуспели в разжижении кислорода. Примерно в это время эксперименты шли полным ходом, и вскоре появились жидкие версии других газов. Например, в 1884 году водород стал первым газом, преобразованным в водяную пыль. В 1892 году сэр Джеймс Дьюар разработал вакуумно-изолированный сосуд для хранения криогенных жидкостей, что облегчило работу со сжиженными газами.
В последующие годы специалистам удалось сжижить все большее количество газов, в том числе последний в очереди — гелий. Впервые жидкая форма этого газа была использована в 1908 году.
Криогенные методы в различных отраслях промышленности
Тем временем все больше отраслей промышленности открывали для себя полезность криогенных технологий. Например, в 1961 году криохирургия впервые практиковалась в США. Ученые обнаружили, что медленное охлаждение может разрушить нездоровые человеческие ткани. В Соединенных Штатах для этой цели использовался жидкий азот, а несколько лет спустя врачи в Южной Африке также использовали этот метод. Однако в Южной Африке вместо жидкого азота использовался окись азота.
В отрасли космических полетов в 20-м веке также были внедрены криогенные технологии. В 1961 году американская ракета «Атлас-Центавр» впервые в космической программе использовала жидкий водород и жидкий азот. Это событие считается важной вехой в криогенике и сразу же привело к крупномасштабному производству жидкого водорода для подобных проектов.
Медицинская и аэрокосмическая отрасли являются лишь примерами отраслей, в которых криогенная технология используется уже давно. Криогенная техника также долгое время занимала видное место в научных исследованиях, морской промышленности, а также в массовом производстве сжиженных газов в установках разделения воздуха.
Узнайте больше об отраслях, в которых используются криогенные технологии.
Криогенное оборудование для хранения, перевозки и газификации: специфика применяемых материалов и конструктивные особенности
На сегодняшний момент криогенные жидкости и газы являются неотъемлемой частью различных технологических процессов в космонавтике, металлургии, химии, энергетике, сельском хозяйстве, пищевой промышленности, медицине, нефтегазовом комплексе и многих других.
История развития криогеники (науки о физических процессах, протекающих при низких температурах) начинается с 20-30-ых годов XX века, когда криогенные жидкости все больше и больше начали использоваться в различных технологических процессах. Специфика криожидкостей предопределила развитие криогеники и криогенных технологий: все криогенные жидкие и газовые продукты необходимо получить каким-либо образом, хранить и транспортировать безопасными для людей способами.
Криогенные жидкости и газы
За счет своих химических и физических свойств применение криопродуктов в жидкой или газовой фазах становится все более и более экономически выгодным и эффективным.
Но, при этом, к процессу эксплуатации, хранению и перевозке криожидкостей и криогазов предъявляются повышенные требования безопасности, так как они взрыво- и пожароопасны при соприкосновении с кислородом, что возможно при утечке и разгерметизации резервуара для хранения криожидкостей или трубопроводов. А низкие температуры криогенных жидкостей могут привести в ожогам или обмораживанию обслуживающего персонала. Для предотвращения аварийных ситуаций при эксплуатации оборудования для криожидкостей должны соблюдаться строгие меры безопасности, а в состав криогенного оборудования должны входить защитные механизмы. (о составе оборудования для хранения и транспортировки криогенных жидкостей см. ниже)
Меры безопасности при эксплуатации криогенного оборудования
К экипировке обслуживающего персонала также предъявляются повышенные требования: работники должны иметь специальную одежду, обувь, защитные очки.
Для защиты криогенных продуктов от статического электричества следует учитывать, что более высокую электризацию имеют те жидкости и газы, которые обладают большим электрическим сопротивлением.
При соблюдении даже минимальных требований безопасности риск возникновения взрывоопасной пожарной ситуации сводится к нулю.
Материалы для производства криогенного оборудования
Сложность в хранении и применении жидких криопродуктов заключается в том, что при повышении температуры и давления, жидкости очень быстро испаряются. Поэтому необходимо постоянно поддерживать необходимый температурный режим и не допускать повышения давления выше критических значений. Все это привело к необходимости разработать специальную конструкцию емкостей для хранения криожидкостей и укомплектовать их технологическим оборудованием.
К тому же, многие материалы меняют свои физико-механические свойства при низких эксплуатационных температурах: повышается предел текучести, сопротивление, предел усталости, склонность к хрупкому разрушению (хладоломкости), а ударная вязкость и пластичность, наоборот, снижаются. Все это определяет необходимость использовать специальные особо-стойкие материалы для изготовления технологического оборудования, контактирующего с криогенными жидкостями. Такие материалы должны иметь высокую прочность, вязкость, пластичность, коррозионную стойкость, быть устойчивыми к концентрации напряжений и хрупкому разрушению. Среди материалов, которые отвечают вышеперечисленным требованиям, можно назвать хромоникелевые аустенитные стали, мартенситно-стареющие стали, алюминий и его сплавы, сплавы на основе титана, медь и его сплавы.
Технологическое оборудование для эксплуатации криогенных жидкостей и газов. Особенность конструкции
Все оборудование, которое эксплуатируется с криогенными жидкостями и газами, можно разделить на несколько больших групп:
Мы остановимся на специфике оборудования, которое задействовано в процессе хранения и транспортировки криожидкостей и их газификации:
Как видно, разновидностей оборудования, в котором можно осуществлять хранение или перевозку жидкостей, большое множество. Форма криогенного резервуара подбирается исходя из его назначения, условий эксплуатации, хранимого продукта, а также учитывая необходимость понижения теплопритоков. Но их основу составляет емкость необходимого объема и особой конструкции и продукционный испаритель.
Конструкция криогенных резервуаров, емкостей
Межстенное пространство криогенных емкостей вакуумируется, за счет чего обеспечивается высокая теплоизоляция и достигается повышение безопасности эксплуатации. Иногда возможно невакуумирование межстенного пространства, но из-за этого повышается теплопередача, поэтому такие емкости используются для кратковременного хранения криогенных жидкостей или их транспортировки.
Внутренний резервуар изготавливается из нержавеющей стали или любой другой хладостойкой стали, которая способна выдержать высокие температурные нагрузки и коррозию. Внешний резервуар изготавливается из хладостойкой стали или алюминия. Внешняя поверхность покрывается эмалью с нанесением названия криогенной жидкости внутри. Следует отметить, что рекомендуется использовать емкости и резервуары строго по назначению и для хранения именно той среды, для которой он производился. Не рекомендуется также эксплуатировать трубопроводы, шланги и другое оборудование для различных видов криожидкостей и газов.
Для регулирования давления внутри криогенного резервуара (сосуда, баллона) в его состав обязательно входит теплообменник жидкостного типа или испаритель атмосферного типа. Принцип действия испарителей заключается в заборе криожидкости из емкости, нагреве ее до температуры испарения для ее газификации за счет температуры окружающей среды и подаче в верхнюю часть емкости для уменьшения давления. Также испарители необходимы для газификации криогенных жидкостей и подаче уже Потребителю в газовой фазе. В последнем случае испарители могут быть встроенными в криоцилиндр малого объема или устанавливаться снаружи газификаторов.
Безопасность эксплуатации криогенных резервуаров, газификаторов и криоцилиндров обеспечивается за счет установки запорно-предохранительной арматуры, которая срабатывает в случае повышения давления.
Правовая справка: газификаторы общим полезным объемом до 2490 л не подлежат регистрации в Ростехнадзоре.
Наша компания поставляет любое оборудование, которое Вы можете использовать для хранения и транспортировки криогенных жидкостей и газов. Высокое качество нашей продукции обеспечивается за счет точного подбора оборудования, геометрических расчетов, выбора наиболее подходящего способа теплоизоляции и других факторов. Если Вас интересует более подробная информация о поставляемом ГК Газовик криогенном оборудовании, криогенных резервуарах, газификаторах, а также их специфике, звоните нам по телефону 8-800-200-0358.
© 2007–2021 ГК«Газовик». Все права защищены.
Использование материалов сайта без разрешения владельца запрещено и будет преследоваться по закону.
Криогенные жидкости
В науке и технике часто используются некоторые свойства охлажденных жидкостей. Получают эти вещества, разделяя воздух на отдельные составляющие, которые потом замораживают при криогенных температурах.
Криогенные жидкости требуют соблюдения четких правил безопасности не только при производстве, но и транспортировке. Упаковочные материалы для криогенных веществ должны быть специфическими, поскольку речь идет о здоровье и жизни человека.
Производство рассматриваемых жидкостей
Атмосферный воздух состоит из смеси нескольких газов. Сюда можно отнести кислород, водород, кислород и много других химических элементов, представленных в значительно меньшем количестве. Так, воздух сжимают в специальной компрессорной установке, а после этого пропускают через теплообменники, расширяют в машине-детонаторе и охлаждают до криогенной температуры, превращая все в жидкость. Дальше разделить азот с кислородом не представляет особых трудностей, поскольку здесь пользуются различием температур кипения данных составляющих. Здесь необходимо применить 910К и 780К, что добиться нужного результата.
Хранение и транспортировка криогенных веществ
Чтобы избежать негативных последствий, необходимо правильно упаковывать, хранить и перевозить криогенные жидкости. В общем случае для этих целей используются сосуды, окруженные специальной полостью, из которой выкачан воздух. Уровень высокого вакуума поддерживают адсорбентом, размещенным в свободном пространстве.
Более того, обслуживающий персонал, работающий с охлажденными до очень низких температур веществами, должен носить специальную защитную одежду, и обувь. Наличие очков также является обязательным условием при непосредственном контакте с сосудами, заполненными криогенными жидкостями. Ведь при соприкосновении с этими веществами можно получить серьезный ожог. Но следует отметить, что данная травма будет отличаться от теплового воздействия. Поскольку криогенные жидкости не приводят к отмиранию нервных тканей. А при вдыхании паров, исходящих от рассматривающих веществ, дыхательные пути и легкие сильно повреждаются.
Использование охлажденных газов
Криогенные жидкости широко применяются в различных отраслях человеческой деятельности. Жидким азотом охлаждают пищевые напитки и замораживают пораженные участки организма, для предотвращения развития серьезных заболеваний. При пожаротушении жидкий азот также успешно используется, поскольку это вещество вытесняет кислород, необходимый для горения. Испарения, происходящие при данном процессе, не приносят вреда окружающей природе, что говорит о рациональности такого способа борьбы с огнем. Гелий в жидком состоянии часто используется в медицине для поддержания низких температур в случаях необходимости. Различные научные исследования требуют наличия такого вещества при проведении специальных опытов с кристаллами и микроскопами.
Жидкой углекислотой также можно тушить пожары. Однако больше всего данное вещество нужно для фармацевтической и пищевой промышленности. Раньше рассматриваемую криогенную жидкость применяли только при изготовлении жидкого льда и газированных напитков.
Одной из главных отличительных особенностей криогена является то, что содержащиеся в его составе электроны не могут постоянно оставаться свободными. Объясняется это, прежде всего, тем, что, в результате взаимодействия таких электронов с молекулами различного рода примесей или же молекулами различного рода жидкостей происходит образование так называемых отрицательных ионов, которые, в свою очередь, обладают очень большой эффективной массой, в связи с чем очень легко передают свою энергию молекулам жидкости, испаряя ее. Образовавшиеся таким образом пузыри практически моментально сокращают степень электрической прочности криогена, потому что их диаметр в процессе возрастания приобретает размеры, соответствующие закону Пашена. Данный размер пузырьков вполне может считаться критическим, потому как в случае дальнейшего увеличения их размеров степень электрической прочности пузырьков будет только сокращаться.
При переливании криогенных жидкостей из 15-литровых сосудов Дьюара рекомендуется пользоваться наклоняющейся подставкой, в которой сосуд должен быть прочно закреплен. Наклонять подставку с сосудом следует медленно, избегая выплесков жидкости из горловины сосуда. Для слива жидкости из сосудов большей емкости необходимо создавать перепад давлений в сосуде, повышая в нем давление.
Все о криогенных жидкостях: характеристики, свойства и применение
Это всё о Криогении.
Главная страница / Блог / Все о криогенных жидкостях: характеристики, свойства и применение
Все о криогенных жидкостях: характеристики, свойства и применение
Хотя все в криогенной технике вращается вокруг криогенных жидкостей, мы еще не останавливались подробно на их характеристиках, качествах и применении в наших блогах.
В этом блоге мы сосредоточимся на семи широко используемых криогенных жидкостях. Мы расскажем об их уникальных характеристиках и обсудим некоторые из наших недавних проектов, в которых различные жидкости занимали центральное место.
Криогенная жидкость 1: Жидкий азот
Применение жидкого азота очень обширно. Эта криогенная жидкость используется для усадки компонентов в автомобильной промышленности, тестирования или инертизации изделий в электронной промышленности, охлаждения продуктов питания в пищевой промышленности и сохранения лекарств или биологических материалов в фармацевтической и медицинской промышленности. Криоконсервация является хорошо известным примером этой технологии.
Компания Demaco имеет богатый опыт в разработке лучших криогенных систем для жидкого азота. Наши линии передачи с вакуумной изоляцией, продукты, повышающие качество, и криогенные установки широко используются для транспортировки и обработки жидкого азота. Наши устройства подходят для поддержания идеальной температуры криогенных жидкостей.
Крупномасштабный азотный проект, в котором компания Demaco сыграла центральную роль, — это инновационный центр FrieslandCampina в Вагенингене. Компания FrieslandCampina использует жидкий азот для проведения различных испытаний и разработки продукции на предприятии; компания Demaco была выбрана для разработки полной сети трубопроводов с вакуумной изоляцией для подачи жидкого азота. Хорошая задача для наших криогенных инженеров, в которой мы смогли эффективно использовать наш опыт в области криогенных азотных систем.
Криогенная жидкость 2: Жидкий кислород
Наконец, кислород также используется в больших количествах в сталелитейной промышленности, где этот газ применяется для удаления остатков углерода из горячего металла. Поскольку производителям стали необходима постоянная подача кислорода, поставщики газа часто строят воздухоразделительные установки на территории производителя.
Компания Demaco поставляет криогенные кислородные системы для различных отраслей промышленности. Например, наши вакуумные изолированные линии передачи обеспечивают безопасную транспортировку кислорода от резервуара для хранения к месту применения или от установки разделения воздуха к сталелитейному заводу. Как и в случае с другими криогенными жидкостями, оптимальная изоляция предотвращает потери кислорода.
Криогенная жидкость 3: Жидкий аргон
Применение газообразного аргона чрезвычайно разнообразно. Например, этот газ используется для заполнения ламп или защиты сварочной ванны при сварке MIG/MAG. Аргон также обладает изоляционным эффектом и используется, в частности, в стеклопакетах.
Компания Demaco поставляет трубопроводы и продукты, необходимые для безопасного хранения и транспортировки аргона. Мы разрабатываем комплексные индивидуальные проекты и используем вакуумные технологии и вспомогательные продукты для идеального сохранения качества и жидкой формы аргона.
Криогенная жидкость 4: Жидкий диоксид углерода (CO2)
Несмотря на то, что жидкий диоксид углерода является относительно теплой криогенной жидкостью, для переработки жидкого газа по-прежнему требуются высококачественные продукты и системы. Жидкий углекислый газ также испаряется в при нагревании, поэтому хорошая изоляция необходима.
Компания Demaco поставляет вакуумные изолированные линии передачи и дополнительные продукты и услуги для безопасной и эффективной транспортировки, хранения и использования углекислого газа. Наши клиенты представляют различные отрасли промышленности, и наша продукция идеально сконструирована для того, чтобы качество углекислого газа было как можно выше.
Криогенная жидкость 5: Водород
В последние годы интерес к жидкому водороду значительно возрос. Для таких отраслей, как транспортная, морская, промышленная и космическая, крупномасштабное производство жидкого водорода может, по сути, представлять собой значительное улучшение с точки зрения устойчивости.
Компания Demaco предлагает решения «под ключ» для водородных проектов по всему миру. Примерами решений, которые мы предлагаем нашим клиентам в водородной промышленности, являются заправочные станции и погрузочные доки для грузовиков, а также погрузочные манипуляторы с вакуумной изоляцией для судов, линии передачи с вакуумной изоляцией, криостаты, распределительные дьюары с вакуумной изоляцией, водородные очистители и малогабаритные установки для сжижения водорода.
Криогенная жидкость 6: Гелий
Гелий — это бесцветный, не имеющий запаха и инертный газ, используемый в основном в научных исследованиях и космической промышленности. Например, жидкий гелий играет важную роль в ускорителях частиц, которые создаются и поддерживаются в сверхпроводящем состоянии с помощью этой криогенной жидкости.
Несколько лет назад Демако участвовал в масштабном проекте ЦЕРН (Европейской организации ядерных исследований). ЦЕРН разработал ускоритель частиц, с помощью которого частицы в подземном туннеле длиной 26 км сталкивались друг с другом. Сверхпроводящие магниты ускоряли частицы, а для создания и поддержания сверхпроводящих магнитов использовался гелий.
Компания Demaco обеспечила доставку жидкого гелия в подземный туннель и распределение криогенной жидкости по различным магнитам. Сложнейший проект включал в себя закрытые гелиевые системы и более 3 км многочисленных линий передачи с вакуумной изоляцией.
Кроме того, в недавнем проекте ASuMED основную роль играл гелий. Целью данного проекта была разработка новой техники для создания компактного, легкого и сверхпроводящего авиационного двигателя. Для получения дополнительной информации о проекте ASuMED, пожалуйста, ознакомьтесь с нашим недавним блогом о криогенных двигателях.
Криогенная жидкость 7: СПГ
Помимо морской промышленности, сектор автомобильного транспорта также проявляет все больший интерес к СПГ в качестве топлива. Большинство заводов СПГ расположены вблизи портов, но и внутри страны можно найти различные станции заправки грузовиков СПГ.
Примером крупномасштабного СПГ-проекта, в который компания Demaco внесла значительный вклад, является бункеровочная установка для паромов компании Fjordline в норвежском порту Рисавика. В рамках этого проекта компания Demaco поставила не менее 750 метров вакуумных изолированных линий передачи СПГ диаметром от 6″ до 8″.
Хотите узнать больше?
У вас есть вопросы о применении криогенных жидкостей или об услугах и продукции компании Demaco? Не стесняйтесь обращаться к нам или просматривайте наш сайт, чтобы ознакомиться с нашей продукцией и проектами для получения дополнительной информации.
Криогенные жидкости
Состояние и свойства всех веществ зависят в первую очередь от их температуры и’ давления, причем главную роль обычно играет температура.
Представлена в логарифмическом масштабе шкала абсолютных температур с обозначением характерных температур некоторых физических объектов и процессов.
Криогенными называются температуры ниже 120 К, и именно они играют все б6льшую роль в развитии естественных наук и в технических приложениях. Эти температуры обеспечивают уникальные возможности для исследований свойств материи и открытия новых явлений, скрытых при более высоких температурах тепловым движением молекул. При значительном понижении температуры проявляются новые специфические криогенные свойства вещества, как, например, сверхпроводимость, сверхтекучесть жидкого гелия, эффект Джозефсона и др.
По физическим методам получения всю область криогенных температур можно разделить на две части: от120 до 0,3 К и ниже 0,3 К. Температуры ниже 0,3 К часто называют сверхнизкими или ультра низкими. Температуры до 0,3. К наиболее. Удобно получать с помощью испарения криогенных жидкостей, причем в соответствии с используемой жидкостью различают области азотно-кислородных температур (
30-15 К) и гелиевых (5-0,3 К).
0,3 К, когда способ испарения жидкости уже не пригоден, применяют другие физические методы, а именно растворение гелия-3 в гелии-4 и адиабатическое размагничивание. Однако и в области сверхнизких температур предварительное охлаждение производят за счет криогенных жидкостей.
Таким образом, основой поддержания и использования криогенных температур является производство сжиженных газов с низкими температурами кипения.
В настоящее время в промышленном масштабе производятся и продаются жидкие азот, кислород, аргон, водород и гелий. Планируется наладить и промышленное ожижение неона, являющегося перспективным криоагентом ближайшего будущего, способным в ряде случаев заменить дорогостоящий жидкий гелий и взрывоопасный водород.
Изложению физических основ получения, хранения и использования криогенных жидкостей и будет посвящена наша брошюра.
ОБЛАСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ КРИОГЕННЫХ ТЕМПЕРАТУР
В последние два десятилетия криогенные температуры получили столь широкое распространение, что затруднительно найти крупную отрасль научных исследований или новой техники, где бы они ни применялись. Поэтому укажем только основные направления современного использования криогенных температур.
Проведение фундаментальных и прикладных научных исследований. Интерес исследователей к криогенным температурам связан в первую очередь с их сильнейшим воздействием на свойства веществ и с возможностью открытия новых специфически низкотемпературных явлений, о чем уже упоминалось ранее. Обнаружению новых свойств и явлений способствует громадная обширность области криогенных температур. Действительно, температура на поверхности Солнца, равная по абсолютной шкале 6000 К, всего лишь в 20 раз выше комнатной (300 К), в то время как с помощью жидкого гелия сравнительно просто получают температуры окопо1 К, что в 300 раз ниже комнатной. А во многих лабораториях исследования ведутся при температурах порядка 0,3 К, т. е. в 1000 раз ниже комнатной. Открытые при криогенных температурах новые свойства веществ существенно расширяют возможности познавания фундаментальных законов природы, а изменение физических и технических характеристик веществ посредством криогенных температур позволяет полнее использовать их свойства.
Особенно широко криогенные температуры применяются для экспериментов в физике твердого тела, электронике, оптике, ядерной физике, а в последнее время в химических и биологических исследованиях. Криогенные температуры существенно улучшают работоспособность и эффективность квантовых усилителей и генераторов (мазеров и лазеров), во много раз повышают чувствительность приемников излучения, электронных и других приборов, помогают получать сверхвысокий вакуум и сверхчистые вещества, разделять изотопы и Т. д. При прогнозах будущего развития науки американские эксперты ставят криогенные исследования по их значению и перспективам на третье место после термоядерного синтеза и решения проблемы рака.
Обеспечениеработоспособностисверхпроводящих магнитов и различных устройств на основе сверхпроводимости. Сверхпроводимостью называется способность веществ (металлов, сплавов, химических соединений) пропускать электрический ток без сопротивления. По значению и перспективам использования сверхпроводимость является одним из наиболее значительных и важных физических явлений.
Сверхпроводимость была открыта Камерлинг-Оннесом в 1911 г. на ртути, охлажденной жидким гелием до 4,15 К- За 75 лет, прошедших с этого времени, было открыто и создано свыше тысячи сверхпроводящих веществ и соединений, но температура их перехода из нормального в сверхпроводящее состояние оставалась очень низкой и не превышала 24 к
Громадный интерес к высокотемпературной сверхпроводимости связан с непрерывно возрастающими изгода в год масштабами использования сверхпроводящихустройств, несмотря на их большую стоимость и дорогостоящую эксплуатацию. Уже созданы крупные сверхпроводящие магниты с напряженностью магнитного поJIЯ в сотни И более килоэрстед, необходимые для установок термоядерного синтеза, МГД-генераторов, ускорительных устройств ядерной физики, решения рядакрупных проблем современного научно-технического прогресса. Большие надежды связываются с созданиеммощных электрогенераторов и двигателей со сверхпроводящими обмотками ( в СССР уже испытан такой генератор мощностью 20 тыс. кВт), сверхпроводящих линий электропередач, накопителей энергии, сверхбыстродействующих ЭВМ и т. д. Сверхпроводимость позволяет создавать приборы высочайшей чувствительности, не достигаемой другими методами.
Сейчас все практические сверхпроводящие устройства работают только на жидком гелии, температура кипения которого всего лишь на 4 градуса выше абсолютного нуля, а теплота испарения очень мала. Переход на охлаждение даже жидким неоном (температура кипения, 27 К) был бы большим успехом. Создание же мaтeриала, технологически пригодного для изготовления крупных изделий и обладающего сверхпроводимостью при температуре жидкого азота, произвело бы революцию в современной технике. Основания для такого утверждения следующие.
Затраты энергии на поддержание «гелиевых» температур во много раз выше, чем «азотных» (теоретически в 25 раз, а практически еще более). Теплота испарения 1 кг жидкого азота почти в 10 раз больше, чем гелия, т. е. количество криогента, необходимого для поддержания работоспособности сверхпроводящей системы, будет существенно меньше. Таким образом, возможность использования в технической сверхпроводимости жидкого азота вместо гелия дает двойной выигрыш: резко уменьшаются и энергопотребление криогенных установок, и стоимость охлаждающей среды
Открытие сверхпроводимости при температурах выше температуры кипения жидкого азота можно отнести к числу самых крупных достижений ХХ века.
Разделение углеводородных газовых смесей, природных и промышленных, с целью извлечения водорода, гелия, метана и других газов, являющихся сырьем для химической промышленности. Потребность в этих газах непрерывно растет, и потому непрерывно увеличиваются количество и мощность соответствующих установок. Криогенные методы в процессах разделения газовых смесей занимают одно из главных мест.
Разделение стабильных изотопов газов. С помощью низкотемпературной ректификации можно эффективно разделять изотопы водорода, кислорода, азота, аргона и других газов. Особо важное значение имеет промышленное извлечение дейтерия из жидкого водорода.
Хранение и транспортировка мяса, рыбы и других продуктов. Использование жидкого азота для сохранения потребительских качеств продуктов дает лучшие результаты, чем фреоновое или аммиачное охлаждение.
В биологии и медицине все шире используется способность криогенных температур замедлять химические и биологические реакции. Так, жидкий азот применяется для длительного хранения крови, отдельных органов, спермы элитных животных. В медицинской практике для операций с успехом используются инструменты с криогенным охлаждением, дающие возможность локального замораживания удаляемых участков органов. По утверждению медиков, криохирургия имеет очень хорошие перспективы.
. Каждый год появляются все новые области применения криогенных температур или расширяются уже известные. В ряде случаев использование криогенных температур приобрело такой размах, что образовались самостоятельные научно-технические специализации, как, например, «криогенная электроника», «криобиология», «космическая криогеника» и т. д. Нет сомнения, что использование криогеники в науке, промышленности, сельском хозяйстве, медицине будет расширяться, физические основы ожижения газов
Идеальный цикл ожижения. Для перевода газа в жидкое состояние его необходимо охладить до температуры кипения (она всегда ниже критической температуры ожижения), а затем отвести от него теплоту конденсации. Температура кипения конкретной жидкости и теплота ее конденсации зависят от давления.
С точки зрения термодинамики процесс охлаждения заключается в переносе тепла с желаемого низкого температурного уровня Т2 на более высокий T1 Чаще всего более высоким температурным уровнем, на который переносится тепло, является температура окружающей среды То, (т. е. TI=To). Такой перенос может быть осуществлен только при затрате энергии. Эта затрата энергии будет минимальной в идеальных условиях так называемого обратного цикла Карно и определяется последующей формуле:
Из закона сохранения энергии следует, что на температурном уровне ТI дблжно быть отведено тепло Q=q+Lмин.
Площадь 1-2-0-SO-S1 графически отражает количество тепла, отнимаемого от газа для его ожижения. Аналитически это тепло равно разности энтальпий (теплосодержания) газа в точке 1 (i1) И жидкости в точке О (io).
Идеальный цикл ожижения может быть осуществлен путем изотермического сжатия газа от начального. состояния до точки 3 (процесс 1-3 на рис. 2) с последующим расширением его при постоянной энтропии (пpoцесс 3-0). Площадь внутри контура 1-3-0-2-1 соответствует минимально необходимой работе ожижения.
ТАБЛИЦА 1 Основные физические характеристики криоагентов
Параметры Азот Водород Гелий Кислород Неон
Молекулярная масса, г/моль 28 2,016 4,003 32 20,18
Плотность газа,кг/м3 1,25 0,09 0,178 1,43 0,9
Плотность жидкости,кг/м3 808 71 125 1136 1206
Нормальная температура кипения, Ткип77,3 20,4 4,2 90,18 27,1
К(оС ) (-195,8) (-252,7) (-268,9) (-183) (-246)
Температура затвердевания, К 63,15 13,9 _ 54,4 24,5
Теплота испарения, кДж/кг, кДж/л 197,6 454,2 20,4 212,3 85,8
Теплота плавления, кДж/кг 25,7 58,2 4,6 13,9 16,3
Теплота нагрква паров от Ткип до 280206 3250 1430 170 260
Объём газа от испарения 1 л жидкости643 788 700 800 1340
(в л при оС и 1 атм)
Теоритически минимальная работа 0,172 0,235 0,237 0,202 0,445
ожижения, кВт ч/л жидк.
Практический расход Энергии на 1-1,5 1,5-3,0 2-4 1,2-1,7 3-4,5
ожижение, кВт ч/л жидк.
Из сравнения идеального цикла ожижения с идеальным циклом Карно следует, что минимальная работа ожижения в первом цикле меньше, чем затраты на перенос такого же количества тепла в обратном цикле Карно. Это связано с тем, что в цикле Карно все тепло переносится с одного низкого температурного уровня на другой, более высокий, в то время как в идеальном цикле ожижения такое имеет место только для тепла конденсации, охлаждение же газа от комнатной температуры до температуры конденсации осуществляется бесконечно большим числом элементарных циклов Карно! переносящих тепло с последовательно понижающихся температурных уровней.
Поэтому чем больше уровней отвода тепла в реальной ожижительной установке, тем технологическая схема ближе к идеальной. Так как ценность холода возрастает с понижением температурь, то введение предварительных ступеней охлаждения посторонними хладагентами. (аммиак, фреон, жидкий азот и т. п. ) всегда выгодно, так как способствует понижению расхода энергии на получение конечного криопродукта.
Для получения криогенных температур и ожижения газов с низкими температурами кипения в настоящее время в первую очередь и чаще всего используются тепловые процессы, связанные с расширением предварительно сжатого газа. Применение адсорбционных и магнитных методов охлаждения, растворения гелия-З в гелии-4 и различных теплофизических эффектов (например, Этингаузена, Померанчука и др. ) играет вспомогательную роль и используется, как правило, только в области сверхнизких температур, т. е. ниже 1 К.
Для понижения своей температуры расширяющийся газ должен совершать какую-нибудь работу за счет своей внутренней энергии.
В криогенике для получения низкотемпературного холода используются три способа расширения сжатого газа: дросселирование, изоэнтропическое расширение с совершением внешней работы (детандирование) и выпуск газа из постоянного объема (выхлоп).
Следует отмстить, что если работа против межмолекулярных сил всегда дает охлаждение, то изменение объемной энергии PV может давать как охлаждение (если P2V2>P1V1), так и нагревание (если P2V2
В процессе дросселирования газ будет охлаждаться только в том случае, когда его температура перед дросселированием будет ниже инверсионной. Если температура сжатого газа выше инверсионной, то при дросселировании он будет нагреваться. Этим объясняется тот факт, что водород и гелий при дросселировании с комнатной температуры не охлаждаются, а нагреваются.
В идеальном детандере расширение газа должно протекать при постоянной энтропии, т. е. по обратимому адиабатическому процессу. В реальном детандере из-за неизбежных потерь тепла (на трение, через теплоизоляцию и т. д. ) процесс расширения идет с возрастанием энтропии Степень отклонения действительного процесса от адиабатического учитывается так называемым адиабатическим коэффициентом полезного действия детандера, который равен отношению действительного произведенного количества холода к теоретически возможному. Значения адиабатического КПД современныхдетандеров лежат в пределах 70-85 %.
ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА КРИОГЕННЫХ ЖИДКОСТЕЙ
Ниже приведены краткие характеристики отдельных, наиболее распространенных жидких криопродуктов.
Помимо широкого применения в науке, технике, медцине, сельском хозяйстве, жидкий азот как криоагент повсеместно используется на предварительной ступени охлаждения при производстве жидких водорода, неона и гелия. Значение жидкого азота резко повысится R случаев создания в будущем сверхпроводящих материалов, работающих при азотных температурах.
В исключительных случаях жидкий азот может быть использован в качестве эффективного средства при пожаротушении, как это имело место при ликвидации аварии на Чернобыльской АЭС.
Водород состоит из молекул двух видов, называемых соответственно орто- и парамолекулами, отличающихся ориентацией ядерных спинов образующих их молекул атомов. Орто- и парамолекулы заметно различаются по своим физическим свойствам, так что водород можно фактически рассматривать как смесь двух газов.
Равновесная концентрация орто- и парамолекул зависит от температуры. При комнатной температуре и выше водород состоит из 25% пара- и 75% ортомолекул. Такой газ принято называть нормальным водородом. С понижением температуры ниже комнатной равновесный орто-парасостав водорода меняется в сторону увеличения доли парамолекул (ортомолекулы начинают переходить в парамолекулы), так что при температуре 20 К равновесный водород состоит почти на 100% из одних парамолекул. Переход орто- в парамолекулы сопровождается выделениемзначительного количества тепла(500 Дж/кг, т. е. больше теплоты испарения жидкости), что резко сокращает время хранения ожиженного нормального водорода даже в очень хорошо теплоизолированных сосудах. Поэтому для долговременного хранения жидкий водород должен производиться с высоким содержанием парамолекул (95 %).
Из-за взрывоопасности жидкий водород в качестве охлаждающей среды для получения низких температур используется редко. В крупных масштабах он используется как топливо в ракетной технике (например, амерйкаиская ракетно-космическая система «Сатурн-5» требует 90 т, или 1275 м3, жидкого водорода), как среда для физических ядерных исследований (например, в пузырьковых камерах), в бортовых электрохимических генераторах для энергоснабжения космических аппаратов и в некоторых других целях.
Для энергетики будущего дейтерий может иметь важное значение, как термоядерное горючее. Несмотря на малое содержание дейтерия в обычной воде (на 6000 ядер водорода приходится 1 ядро дейтерия), общее количество дейтерия на Земле очень велико, и его как топлива хватит на сотни миллионов лет.
Наиболее экономичный способ получения дейтерия криогенный, путем ректификации жидкого водорода.
В последнее время в связи с ограниченностью запасов нефти и природного газа, а также необходимостью уменьшения загрязнения окружающей среды водород все чаще рассматривается как перспективное горючее для транспортных средств, в первую очередь для самолетов и автомобилей.
К недостаткам водорода как топлива относятся его высокая стоимость, малая плотность, взрывоопасность, а также необходимость специального оборудования для ожижения и хракения в жидком виде.
В качестве охлаждающих жидкостей используются оба вида гелия.
Газообразный гелий получают из природных газов, где он содержится обычно от 0,1 до 0,4% (в атмосферном воздухе гелия содержится 5,2. 10-4 % ).
У обычного гелия (4Не) имеется стабильный изотоп 3Не, встречающийся в природе крайне редко (примерно. на 100 млн. атомов 4Не приходится 1 атом 3Не). 3Не получается в процессах, происходящих в ядерных реакторах. В низкотемпературной физике 3Не применяется для получения температур ниже 1 К.
Из-за высокой химической активности и связанных с ней опасностей жидкий кислород как средство охлаждения и получения криогенных температур применяется редко. Кислород чаще всего используется в газообразном виде (сварка, резка, интенсификация процеСС08 окисления, в химии, медицине и т. д. ), однако доставлять его к месту потребления и хранения выгоднее в жидком виде. Помимо транспортных целей, жидкий кислород в больших количествах применяется в реактивных двигателях как окислительный компонент Топлива.
Насыщенные жидким кислородом органические материалы (например, опилки, древесный уголь 11 т. д. ) являются взрывоопасными. Взрывчатые вещества на основе жидкого кислорода называются оксиликвитами и раньше применялись во взрывных земляных работах (например, в 30-х годах при строительстве Днепрогэса). В настоящее время оксиликвиты вытеснены другими взрывчатыми веществами, более эффективными и удобными в применении.
Газообразный неон получают из воздуха как побочный продукт при производстве азота и кислорода. В атмосферном воздухе содержится 1,8. 10-3% неона и 5,2. 10-40/0 гелия. Это приводит к образованию в конденсаторах воздухораздельных установок неконденсирующейся неоногелиевой смеси, которая зачастую выбрасывается в атмосферу, так как мешает процессу конденсации воздуха. В выбрасываемой из конденсаторов смеси содержится до 3-10% неона и гелия. Чтобы их не терять, в крупные воздухоразделительные установки все чаще дополнительно включаются аппараты-дефлегматоры, в которых концентрация неоногелиевой смеси доводится до 70-90 %. Эта смесь собирается и в дальнейшем разделяется на технически чистые неон и геJ1ИЙ адсорбционным или конденсационным способом.
Схемы ожижения неона такие же, как и для водорода, но коэффициент ожижения в них выше, а весь процесс проще.
Жидкий неон хранится дольше всех криопродуктов. Так, в сосудах небольшой емкости (20-50 л) с многослойной экранно-вакуумной изоляцией, в которых жидкий гелий хранится
3 месяца, жидкий пара водород
Резервуары используемые для хранения криопродуктов
Резервуары криогенных систем предназначены для накопления, хранения и выдачи жидких криогенных продуктов потребителю. В ряде случаев в резервуарах осуществляется получение требуемой температуры жидкости. В резервуарах может также размещаться охлаждаемое оборудование (обычно в среде гелия); такие резервуары выделяются в особый вид и носят название криостатов. Их конструкция может существенно отличаться от конструкции общепромышленных резервуаров, поскольку она тесно связана с габаритными размерами и формой охлаждаемых объектов, а иногда и с возможностью их быстрого монтажа или удаления из объема. В зависимости от назначения, размеров и вида хранимого продукта криогенные резервуары отличаются теми или иными конструктивными особенностями. Хотя достаточно четкой их классификации до настоящего времени еще не существует, но можно с учетом номенклатуры резервуаров, выпускаемых промышленностью разделить их на следующие группы: стационарные резервуары, предназначенные для эксплуатации в составе жидкостных криогенных систем; транспортные резервуары и цистерны, предназначенные для снабжения потребителей жидкими криогенными продуктами; лабораторные сосуды, объем и масса которых позволяют перемещать их вручную.
При разработке конструкции резервуаров решаются следующие основные вопросы: выбор формы резервуаров, системы опор или подвесок и другие схемные вопросы: обеспечение тепловой защиты и способа поддержания вакуума в изоляционных полостях; выбор материала сосудов и других конструктивных узлов.
Форма резервуаров выбирается с учетом их назначения, удобства изготовления, перевозки и эксплуатации. Дополнительное влияние на форму резервуаров оказывает стремление к уменьшению теплопритоков к хранимой жидкости. С точки зрения обеспечения минимальных теплопритоков предпочтительна сферическая форма сосудов, поскольку для сферы отношение поверхности к объему S/V минимально по сравнению с другими геометрическими формами. Однако при сферической форме сосудов недостаточно эффективно используются рабочие площади и объемы, каждый типоразмер требует изготовления новой оснастки, с увеличением объема более 5-10 м осложняется перевозка резервуаров. В связи с этим кроме сосудов дорической формы широко применяются вертикальные и горизонтальные цилиндрические резервуары, форма которых в лучшей степени учитывает габаритные размеры транспортных средств, позволяет более рационально использовать производственные площади, дает возможность за счет изменения длины обечайки выпускать ряд однотипных резервуаров разного объема. Сосуды для хранения криогенных жидкостей заключены в кожух (обычно герметичный) и пространство между ними используется для тепловой защиты внутреннего сосуда чаще всего на базе вакуумированных типов изоляции. Форма кожуха в основных очертаниях повторяет форму внутреннего сосуда.
Описание резервуаров для хранения криогенных жидкостей было бы неполным без краткого упоминания о криостатах – криогенных резервуарах, предназначенных для размещения в их объеме различных охлаждаемых объектов и устройств. Наибольшее распространение получили гелиевые криостаты, предназначенные для размещения сверхпроводящих соленоидов. В связи с расширением промышленного использования явления сверхпроводимости именно создание различного рода криостатов станет в ближайшие годы главным направлением развития гелиевого емкостного оборудования. Отечественной промышленностью в настоящее время серийно выпускаются три типа гелиевых криостатов емкостью 15, 60 и 300 л.
Техническое освидетельствование криогенных стационарных резервуаров производится перед пуском в работу и через 10 лет эксплуатации путем проверки герметичности изоляционной полости, проведения пневматических испытаний внутреннего сосуда пробным давлением, проверки герметичности внутреннего сосуда после испытания пробным давлением.