В физике , криогенный является производство и поведение материалов при очень низких температурах .
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 обычного охлаждения. [1] [2] [3] Это логическая разделительная линия, поскольку нормальные точки кипения так называемых постоянных газов (таких как гелий , водород , неон , азот , кислород и нормальный воздух ) лежат ниже -120 ° C, а фреоновые хладагенты, углеводороды, и другие распространенные хладагенты имеют температуру кипения выше -120 ° C. [4] [5] В США Национальный институт стандартов и технологии рассматривают поле криогенных как то связанные температуры ниже -180 ° С (93 К; -292 ° F).
Открытие сверхпроводящих материалов с критическими температурами, значительно превышающими точку кипения жидкого азота, вызвало 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). [6]
Криогеники используют температурную шкалу Кельвина или Ренкина , которые измеряют от абсолютного нуля , а не более обычные шкалы, такие как Цельсия, которая измеряет от точки замерзания воды на уровне моря или Фаренгейта с ее нулем при произвольной температуре.
Определения и различия [ править ]
- Криогеника
- Отрасли инженерии, которые включают изучение очень низких температур, способы их получения и поведение материалов при этих температурах.
- Криобиология
- Раздел биологии, связанный с изучением воздействия низких температур на организмы (чаще всего с целью криоконсервации ).
- Криоконсервация генетических ресурсов животных
- Сохранение генетического материала с целью сохранения породы.
- Криохирургия
- Раздел хирургии, использующий криогенные температуры для разрушения и уничтожения тканей, например, раковых клеток.
- Криоэлектроника
- Изучение электронных явлений при криогенных температурах. Примеры включают сверхпроводимость и прыжки с переменным диапазоном .
- Крионика
- Криоконсервация людей и животных с целью их возрождения в будущем. «Криогеника» иногда ошибочно используется для обозначения «крионики» в массовой культуре и прессе. [7]
Этимология [ править ]
Слово криогеника происходит от греческого κρύος (криос) - «холодный» + γενής (генис) - «генерирующий».
Криогенные жидкости [ править ]
Криогенные жидкости с температурой кипения в градусах Кельвина . [8]
| Жидкость | Точка кипения (K) |
|---|---|
| Гелий-3 | 3,19 |
| Гелий-4 | 4,214 |
| Водород | 20,27 |
| Неон | 27.09 |
| Азот | 77,09 |
| Воздуха | 78,8 |
| Фтор | 85,24 |
| Аргон | 87,24 |
| Кислород | 90,18 |
| Метан | 111,7 |
Промышленные приложения [ править ]
Этот раздел требует дополнительных ссылок для проверки . ( Март 2018 г. ) ( Узнайте, как и когда удалить этот шаблон сообщения ) |
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 сосудах 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 сосуд с двойными стенками, заполненный жидким азотом. Сосуды Дьюара названы в честь их изобретателя Джеймса Дьюара , человека, который первым сжижил водород . Термос бутылка меньшие термосы , установленные в защитном кожухе.
Этикетки со штрих-кодом используются для маркировки сосудов Дьюара, содержащих эти жидкости, и не замерзают при температурах до -195 градусов Цельсия. [9]
Криогенные перекачивающие насосы - это насосы, используемые на пирсах СПГ для перекачки сжиженного природного газа от танкеров СПГ в резервуары для хранения СПГ , а также криогенные клапаны.
Криогенная обработка [ править ]
Область криогеники продвинулась во время Второй мировой войны, когда ученые обнаружили, что замороженные до низких температур металлы обладают большей износостойкостью. Основываясь на этой теории криогенного упрочнения , в 1966 году Эд Буш основал промышленную индустрию криогенной обработки . Имея опыт работы в сфере термообработки , Буш в 1966 году основал в Детройте компанию под названием CryoTech [10], которая в 1999 году объединилась с 300 Lower, став крупнейшей и старейшей в мире коммерческой компанией по криогенной обработке. [ необходима цитата ]Изначально Буш экспериментировал с возможностью увеличения срока службы металлических инструментов до уровня от 200% до 400% от первоначального ожидаемого срока службы с использованием криогенного отпуска вместо термической обработки. [ необходима цитата ] В конце 1990-х это превратилось 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 статиновых препаратов, 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 приводит к криогенному измельчению ( криогенному измельчению ).) вариант для некоторых материалов, которые нельзя легко фрезеровать 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 продолжает это действие 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.
Топливо [ править ]
Еще одно применение криогеники - это криогенное топливо для ракет с жидким водородом в качестве наиболее широко используемого примера. Жидкий кислород (LOX) используется еще более широко, но как окислитель , а не как топливо. НАСА лошадка «s Space Shuttle используется криогенный газ - вытеснитель водорода / кислорода в качестве основного средства попадания в орбиту . LOX также широко используется с RP-1 керосин, не-криогенного углеводорода, например, в ракетах , построенных для советской космической программы по С.П.Королева .
Российский производитель самолетов Туполев разработал версию популярной конструкции Ту-154 с криогенной топливной системой, известную как Ту-155 . Самолет использует топливо, называемое сжиженным природным газом или СПГ, и совершил свой первый полет в 1989 году.
Другие приложения [ править ]
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 и 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 деконволютируется 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 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 Международном энергетическом агентстве .
- Криогенные газы используются при транспортировке и хранении больших масс замороженных продуктов . Когда очень большие количества продуктов питания должны быть доставлены 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 ( передние инфракрасные ) камеры требуют криогенного охлаждения своих детекторов.
- Некоторые редкие группы крови хранятся при низких температурах, например -165 ° C, в банках крови.
- Криогенная технология, использующая жидкий азот и CO 2 , была встроена в системы эффектов ночных клубов для создания охлаждающего эффекта и белого тумана, который можно освещать цветными огнями.
- Криогенное охлаждение используется для охлаждения режущей кромки инструмента во время обработки в производственном процессе . Увеличивает стойкость 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 ее можно раздробить 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 [ править ]
Криогенное охлаждение устройств и материалов обычно достигается с помощью жидкого азота , жидкого гелия или механического криохладителя (в котором используются гелиевые линии высокого давления). Гиффорд-McMahon криокулеры, криокулеры импульсных трубок и Стирлинг криокулеры , широко используются при выборе на основе требуемой базовой температуры и мощности охлаждения. 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 [ править ]
Существуют различные криогенные детекторы, которые используются для обнаружения криогенных частиц.
Для измерения криогенной температуры до 30К используются датчики Pt100, резистивный датчик температуры (RTD) . Для температуры ниже 30К необходимо использовать кремниевый диод для точности.
См. Также [ править ]
- Абсолютный ноль
- Самая низкая температура, зарегистрированная на Земле
Ссылки [ править ]
- ^ Международный словарь по холоду, http://dictionary.iifiir.org/search.php
- ^ Терминология ASHRAE, https://www.ashrae.org/technical-resources/free-resources/ashrae-terminology
- ^ KD Timmerhaus, Р. Рид. Криогенная инженерия: пятьдесят лет прогресса. Springer Science + Business Media LLC (2007 г.)
- ^ "ДИХЛОРДИФТОРОМЕТАН в Pubchem" .
- ^ "ПРОПАН в Pubchem" .
- ^ JM Nash, 1991, "Устройства расширения вихрей для высокотемпературной криогеники", Proc. 26-й Межобщественной конференции по инженерии преобразования энергии, Vol. 4. С. 521–525.
- ^ «Крионика - это НЕ то же самое, что криогеника» . Проверено 5 марта 2013 года .
- ^ КРИОГЕННЫЕ СИСТЕМЫ РЭНДАЛЛА БАРРОНА Книжная компания McGraw-Hill .
- ^ Тепловой, Тимми. «Криогенные этикетки» . MidcomData . Проверено 11 августа 2014 .
- ^ Ганц, Кэрролл (2015). Холодильное оборудование: история . Джефферсон, Северная Каролина: McFarland & Company, Inc. стр. 227. ISBN. 978-0-7864-7687-9.
- ^ «ESO подписывает лицензионное соглашение о передаче технологии для системы охлаждения» . Проверено 11 июня 2015 года .
Дальнейшее чтение [ править ]
- Haselden, GG (1971) Криогенные основы Academic Press, Нью-Йорк, ISBN 0-12-330550-0
