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.
Известная жидкость, которая меняет свое состояние при охлаждении, — это вода. При температуре 0 градусов Цельсия вода превращается из жидкости в твердое вещество, известное как лед. Однако, это не криогенная техника. О криогенике мы говорим только тогда, когда достигается температура -160 градусов Цельсия или ниже. Это температуры, при которых газы становятся жидкими; данный метод используется в различных отраслях промышленности.
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.
Промышленные газы
Для практического применения криогенной техники используются в основном промышленные газы.
Ведущими промышленными газами являются азот, кислород, углекислый газ (CO2), аргон, водород, гелий и ацетилен. Некоторые из этих газов продаются в магазинах и доступны для использования широкой публикой (например, гелий для воздушных шаров и кислород в медицинской сфере). Однако в большинстве случаев криогенные газы используются промышленными предприятиями.
Криогенная техника признает несколько видов промышленных газов (некоторые из них перечислены в нескольких категориях):
Воздушные газы
Воздушные газы извлекаются из воздуха путем разделения различных компонентов. Атмосфера состоит в основном из азота, кислорода, аргона и небольшого количества инертных газов. Жидкий азот широко используется для охлаждения, например, в пищевой промышленности и медицине; жидкий кислород часто используется в аэрокосмической промышленности; жидкий аргон больше всего известен своим использованием в качестве наполнителя газа в лампочках накаливания.
Благородные газы
Инертные газы (гелий, неон, аргон, криптон, ксенон, радон) также встречаются в минимальных количествах в атмосфере. Эти газы имеют одну общую черту: они едва ли реагируют с другими материалами. Таким образом, они часто используются для криогенных применений, когда реакция (например, токсичность или окисление) не желательна. Например, в лампочках и лазерах, а также в воздушных шарах и баллонах для дайверов.
Водород
Водород также регулярно используется в криогенных технологиях. Водород — это элемент, который, сливаясь с кислородом, образует воду. Этот газ не встречается на Земле в чистом виде, но регулярно вырабатывается для производства энергии или использования в качестве топлива.
Другие газы
Вышеуказанные категории охватывают не все промышленные газы. Например, жидкий углекислый газ (CO2) используется в криогенной технике, но, на наш взгляд, является дополнительной категорией. Этот газ регулярно используется в основном в пищевой промышленности.
Риски работы с криогенными газами
Работа с криогенными газами не лишена риска. Небрежное обращение с этими газами связано со значительными рисками, такими как опасность пожара и взрыва. Существует также риск того, что газы теряют жидкую форму и, следовательно, уходят в отходы. Особенно в случае дорогостоящих газов это влечет за собой значительные финансовые последствия.
Примеры известных рисков в криогенной области включают в себя:
Травма от сильного холода
Холодные пары и газы, выделяющиеся из криогенных жидкостей, могут привести к травмам кожи. При длительном контакте с криогенными материалами кожа может полностью замерзнуть и после оттаивания останется раздражающая ссадина, похожая на сильный ожог.
Опасные токсины
Большинство газов оказывают неблагоприятное воздействие на здоровье, когда они имеют высокую концентрацию. Жидкая окись углерода, например, может выделять угарный газ, что может привести к летальному исходу.
Опасность пожара и взрыва
Относительно большое количество газов является легковоспламеняющимися и при контакте с огнем взрывается. Некоторые легковоспламеняющиеся газы — это водород, метан, сжиженный природный газ (СПГ) и окись углерода.
Взрыв при быстром расширении
Не только огонь, но и давление могут привести к взрыву жидких газов. Без адекватно функционирующих устройств вентиляции или сброса избыточного давления в криогенных резервуарах может образовываться огромное давление в газах. Это может привести к так называемому BLEVE (взрыв кипящей жидкости расширяющихся паров).
Потеря дорогостоящих газов
Последний риск при работе с криогенными газами — их потеря. Чтобы газ оставался сжиженным, его необходимо постоянно поддерживать при нужной температуре. При случайном нагреве или разрушении инфраструктуры могут произойти потери в газообразной форме.
Примером очень ценного газа, который легко растрачивается впустую, является гелий. Гелий находится под землей, наряду с некоторыми другими природными газами. Однако, чтобы использовать его, он должен быть усовершенствован до самой чистой формы. Это дорогостоящий и трудоемкий процесс. Кроме того, гелий является настолько летучим газом, что при его выпуске он даже выходит из атмосферы.
Чтобы максимально предотвратить потерю гелия, компания Demaco оснащает все свои гелиевые проекты закрытыми системами. Эта дополнительная защита может иметь большое значение для экономии газа и, тем самым, для затрат проекта.
Важность хорошей инфраструктуры
Очевидно, что криогенная инженерия — это огромная область специализации, требующая знаний и навыков на самом высоком уровне. При наличии хорошей инфраструктуры работа с сжиженным газом безопасна, тем не менее, несчастные случаи могут произойти в любое время.
Поэтому очень важно, чтобы все трубопроводы, системы и другая продукция проектировались и строились опытным персоналом, сертифицированным и отвечающим всем требованиям к качеству и безопасности, предъявляемым к криогенной технике.
Криогенные отрасли промышленности
Как уже упоминалось ранее, криогенные методы используются в широком спектре отраслей промышленности. За последние десятилетия компания Demaco создала инфраструктуру в десяти различных секторах экономики, и все эти отрасли имеют свою собственную направленность и специфические требования:
1. Автомобильная
В автомобильной промышленности преобладает технология холодной усадки. Благодаря этой передовой технологии отдельные компоненты двигателя временно достигают температуры замерзания и слегка усаживаются, что позволяет при сборке вдавливать их в двигатель с небольшим усилием. По мере того, как деталь снова нагревается, она расширяется и прочно закрепляется в двигателе.
Жидкие газы используются для быстрого доведения деталей до экстремальных холодов, и для этого необходима криогенная инфраструктура.
2. Электроника
Второй отраслью, в которой криогенная технология играет значительную роль, является электронная промышленность. Именно при тестировании электронных устройств применяются чрезвычайно холодные жидкие газы. Жидкий азот обычно используется для проверки того, выдерживает ли оборудование холодные температуры при повседневном использовании.
3. Пищевая
В пищевой промышленности жидкие газы используются для криогенного охлаждения и безопасной упаковки продуктов. Некоторые из преимуществ криогенных технологий в этой отрасли — это скорость обработки и тот факт, что продукты сохраняются в течение длительного времени, сохраняя оптимальную форму.
4. СПГ
Индустрия СПГ растет быстрыми темпами. СПГ (сжиженный природный газ) обладает некоторыми экологическими преимуществами для судоходства и автомобильного транспорта и поэтому все чаще используется в качестве топлива. Для хранения СПГ в жидком состоянии он должен храниться при температуре -162 градуса Цельсия, что требует наличия развитой криогенной инфраструктуры.
5. Морская
СПГ используется и хранится в морской индустрии несколькими способами. Некоторые суда используют газ в качестве топлива, в то время как другие перевозят его в больших резервуарах (бункерах). Хранилища для СПГ можно найти и на территории порта: их называют заводами СПГ.
6. Медицинская
Жидкий азот особенно популярен в медицине. Этот сжиженный газ используется для проведения специальных лечебных процедур и сохранения сложных биологических структур (этот метод, называемый криоконсервацией), используется для сохранения крови, клеток, органов, ДНК и спермы).
7. Фармацевтическая
Жидкий азот также играет важную роль в фармацевтической промышленности. Этот сжиженный газ широко используется для охлаждения криогенных емкостей для хранения и для формования лекарств в форме таблеток.
8. Научные исследования
Криогенные газы, помимо того, что являются ультрахолодными, могут также вырабатывать огромную мощность. По этой причине эти газы часто являются предметом исследований в области физики. Гелий — один из самых холодных и мощных жидких газов, поэтому он широко используется для охлаждения ускорителей частиц.
9. Аэрокосмическая
Отчасти из-за огромной мощности, которую могут вырабатывать криогенные газы, они регулярно используются в космической промышленности. Например, для запуска спутников и ракет используются криогенные методы; жидкий газ — это топливо (для крио-двигателя). В то же время криогенная техника часто является частью научных экспериментов в космической отрасли.
10. Водород
Интерес к водороду значительно возрастает. Водород — универсальный, чистый и безопасный энергоноситель, который может быть использован в качестве «топлива» в топливных элементах или в качестве сырья в промышленном секторе. При сжигании водорода выделяется только водяной пар. Это делает водород уникальным топливом с точки зрения устойчивости. В ближайшие годы водород будет играть все более заметную роль в морской промышленности, промышленном секторе и космической промышленности.
11. Разделение воздуха
И последнее, но, конечно, не менее важное — это рынок индустрии разделения воздуха. Разделение воздуха происходит в воздухоразделительных установках; короче говоря, это очистка воздуха для массового производства азота, кислорода, аргона и некоторых инертных газов.
Криогенная продукция
Как было ясно в предыдущих разделах, криогенные технологии являются общими для широкого круга отраслей промышленности. Каждая отрасль имеет свои требования, проблемы и инфраструктуру, которые должны быть созданы. От трубопроводов до контроллеров, автоматических газоотводов и вакуумных насосов — универсальность криогенных продуктов практически безгранична. Однако мы хотели бы перечислить некоторые из стандартных продуктов, используемых в криогенной инженерии:
Трубопроводы
Трубопроводы являются, пожалуй, самым важным продуктом в криогенной технике. Эта ультраизолированная трубопроводная система позволяет безопасно транспортировать сжиженные газы, не нагреваясь и не проливая их.
Линии передачи доступны в различных типах, размерах и материалах. Например, трубы с вакуумной изоляцией часто и широко используются благодаря их высокому качеству и экстремальной изоляции. Эти трубы могут быть многомильными и часто имеют диаметры от DN10 до 12″.
Наряду с фиксированными вакуумно-изолированными трубами существуют также гибкие варианты. Эти трубы идеально подходят для ситуаций, когда требуется частое подсоединение и отсоединение, заполнение емкостей для хранения (дьюара) или для временных испытательных установок.
Трансферные линии являются частью практически любой криогенной инфраструктуры, соединенной с помощью специальных муфт, которые делают обращение с жидкими газами еще более безопасным.
Контроллеры и датчики
Для контроля давления и уровня жидкости в криогенных системах используются специальные контроллеры и датчики. Датчик уровня автоматически контролирует уровень жидкости в системах повышения качества, а контроллер уровня обеспечивает отвод накопленных газов.
Продукты дегазации
Даже при самой лучшей изоляции в криогенных системах может происходить очень незначительная тепловая утечка. Из-за этой утечки и падения давления в системе часть газа испаряется. Это часто приводит к накоплению газа, который препятствует потоку.
К счастью, есть несколько удобных продуктов, которые эффективно сбрасывают эти газы. Например, при подключении автоматического вентиляционного отверстия дегазатора к самой высокой точке азотной системы, накопленный газ будет выведен из системы в момент остановки системы или низкого расхода.
Для предотвращения образования льда в конце газопровода можно установить дегазаторный нагреватель. Нагреватель нагревает только выходную часть трубы.
Фазовые сепараторы
Для того, чтобы жидкие газы оставались как можно более чистыми, а газообразование можно было сбрасывать, устанавливаются фазовые сепараторы. Благодаря использованию внутреннего резервуара-хранилища этот продукт, улучшающий качество, обеспечивает временную остановку сжиженного газа. Поскольку любой газ легче жидкой формы, любые пузырьки газа при остановке (или при минимальном расходе) естественным образом поднимаются вверх, позволяя легко сбрасывать их.
Использование фазового сепаратора улучшает качество сжиженных газов, обеспечивает достаточную подачу сжиженных газов, а также позволяет снизить давление по сравнению с давлением в резервуаре-хранилище.
Переохладители
Еще один часто используемый продукт для улучшения качества продукции — это переохладитель. Переохладитель Demaco используется для охлаждения сжиженного газа, чтобы газ не образовывался в трубах во время работы. Любые образовавшиеся пузырьки газа отделяются от жидкого газа с помощью продвинутого процесса теплообмена, таким образом гарантируя, что остается только высококачественный чистый жидкий газ.
Криогенные решения для конкретных отраслей промышленности
Наряду с продуктами, регулирующими поставку, хранение и качество сжиженных газов, имеются различные продукты, которые облегчают применение этих продуктов в конкретных отраслях промышленности.
Некоторые примеры включают в себя заправочные станции жидким азотом, холодные коробки для термоусадочных автомобильных деталей, а также продукты для повышения качества, позволяющие использовать жидкий азот без мгновенного испарения.
Вакуумная технология
Изоляция играет важную роль в криогенной технологии. Криогенные газы должны поддерживаться при идеальной температуре для их использования в жидком виде, что не так просто. Транспортировка сжиженных газов иногда предполагает несколько километров пути, перемещая газ, скажем, с терминала, по различным трубопроводам в холодильную систему, на судно, на стартовую площадку или в любое другое место.
На каждом этапе и в течение всего логистического процесса есть шанс, что газ нагреется и будет потерян. Небольшая утечка тепла может оказать значительное влияние, что делает оптимальную изоляцию чрезвычайно важной.
В последние годы вакуумная технология зарекомендовала себя как лучший метод поддержания (сверххолодной) температуры передающих линий и криогенных систем. По сравнению с обычной изоляцией, значение изоляции в вакууме значительно выше, что означает, что тепло просачивается меньше, и теряется меньше газов. По сравнению с изоляцией из, например, ПИР/ПУР, пеностекла, армафлекса, перлита и мисселона, вакуумная изоляция обеспечивает значение изоляции в 15 раз выше, чем любой другой метод.
Demaco является экспертом в криогенной инженерии
На протяжении десятилетий Demaco стремится быть лучшим в проектировании и создании криогенной инфраструктуры. Как истинный «криогений», увлеченная команда Demaco знает все о криогенных газах и их специфическом применении в различных отраслях промышленности.
Мы консультируем, проектируем, строим, производим, поставляем, собираем, контролируем и, среди прочего, сертифицируем трубопроводы, системы и компоненты с вакуумной изоляцией.
Пожалуйста, ознакомьтесь со страницами, посвященными нашей продукции и услугам, для получения более подробной информации о наших услугах и продуктах. Чтобы узнать обо всем, что связано с вакуумной технологией и нашими вакуумно-изолированными продуктами, пожалуйста, посетите наш Вакуумный интернет-магазин.
