Kriogenika
Kriogenika (gr. krios „zimno”, genos „ród”) – dział techniki wytwarzający, mierzący i utrzymujący skrajnie niskie temperatury[1]; nie są one zdefiniowane ściśle, lecz czasem za granicę przyjmuje się −150 °C (123 K)[2]. Kriogenika jest blisko związana z kriofizyką, która bada właściwości ciał w tych temperaturach, np. charakterystyczne dla tego reżimu zjawiska jak nadprzewodnictwo i nadciekłość[3].
Kriogenika ma poważny udział w takich dziedzinach jak: badania przestrzeni kosmicznej, biologia i chirurgia, w przemyśle spożywczym, metalurgicznym, chemicznym i urządzeniach nadprzewodzących. Zastosowanie elementów nadprzewodzących w urządzeniach energetycznych prowadzi do znacznego zmniejszenia kosztów i masy tych urządzeń oraz zwiększenia sprawności i wydajności przy zachowaniu ich mocy.
Skraplanie gazów
edytujWażną poddziedziną kriogeniki są technologie uzyskiwania i magazynowania skroplonych gazów. Zastosowanie skroplonych gazów jest najczęściej stosowaną w przemyśle technicznym metodą osiągnięcia bardzo niskich temperatur. W poniższej tabeli przedstawiono najczęściej stosowane w kriogenice ciekłe gazy wraz z ich temperaturą wrzenia w ciśnieniu atmosferycznym[4].
| Gaz | Nominalna temperatura wrzenia (K) |
|---|---|
| Hel | 4,2 |
| Wodór | 20,3 |
| Azot | 77,3 |
| Powietrze | 78,8 |
| Tlen | 90,2 |
| Metan | 111,6 |
| Fluor | 84,9 |
| Argon | 87,3 |
| Krypton | 119,8 |
| Ksenon | 165,0 |
Ciecze te mogą być wykorzystywane w procesach chłodzenia zarówno poprzez bezpośredni kontakt jak i w obiegach zamkniętych, w kriochłodziarkach (kriokulerach). Kriochłodziarki są wykorzystywane przede wszystkim w zastosowaniach naukowych. Pozwalają na osiągnięcie bardzo niskich temperatur bez konieczności uzupełniania ciekłych gazów. W celu minimalizacji strat cieczy kriogenicznych i mocy chłodniczej wytworzonej przez kriokulery istotnym zagadnieniem jest odizolowanie systemu kriogenicznego od otoczenia. Systemami zapewniającymi odpowiedni poziom izolacji są kriostaty. Kriostaty zbudowane są zwykle z podwójnego naczynia o izolacji próżniowej i ekranów radiacyjnych, najczęściej w formie MLI.
Zastosowanie
edytujBardzo niskie temperatury wykorzystywane są w szerokim zakresie badań naukowych i rozwiązań technologicznych. Przykłady zastosowania kriogeniki to:
- Energetyka – niektóre ciekłe gazy wykorzystywane są jako źródła energii. Gaz ziemny jest jednym z najpowszechniej stosowanych paliw kopalnych. Skroplenie go powoduje zmniejszenie jego objętości około 600 razy. Zwiększona gęstość LNG ułatwia jego magazynowanie i transport. Transport morski LNG jest najbardziej ekonomiczną formą przesyłania gazu ziemnego na odległość większą od 4000 km[5]. Innym nośnikiem energii w postaci ciekłego gazu jest LH2. Wodór jest pozbawionym śladu węglowego nośnikiem energii, gdyż w reakcji spalania (lub utleniania w ogniwie paliwowym) powstaje jedynie obojętna dla środowiska para wodna.
- Nadprzewodnictwo – materiały nadprzewodzące charakteryzują się określoną temperaturą krytyczną, poniżej której wykazują swoje nadprzewodzące właściwości. Większość znanych nadprzewodników tę temperaturę ma w granicach temperatur kriogenicznych. Niezbędne jest więc utrzymanie ich w tej temperaturze poprzez np. kąpiel w ciekłym helu (4,2 K).
- Gazy techniczne – produkcja gazów technicznych jak np. tlen i argon wykorzystuje kriogeniczne technologie separacji powietrza.
- Medycyna – kriogenika znajduje szerokie zastosowanie w medycynie. Bardzo niskie temperatury mogą być wykorzystane zarówno do przechowywania rzadkich grup krwi jak i w kriochirurgii, gdzie wykorzystywane są do zabijania szkodliwych tkanek, jak np. brodawki[6].
- Przemysł spożywczy – mrożenie żywności poprzez chłodzenie ciekłym azotem zwiększa dynamikę procesu. Wskutek tej metody mrożenia powstają również dużo mniejsze kryształy lodu, co przekłada się na wyższą jakość przechowywanej żywności[7].
Zobacz też
edytujPrzypisy
edytuj- ↑ kriogenika, [w:] Encyklopedia PWN [online], Wydawnictwo Naukowe PWN [dostęp 2022-11-28].
- ↑ Cryogenic Technology, [w:] Roger E. Bilstein, Stages to Saturn: A Technological History of the Apollo/Saturn Launch Vehicles (NASA SP-4206), NASA History Office, 1996 (The NASA History Series), s. 90, ISBN 0-7881-8186-6 [dostęp 2020-12-08] (ang.).
- ↑ fizyka niskich temperatur, [w:] Encyklopedia PWN [online], Wydawnictwo Naukowe PWN [dostęp 2023-04-11].
- ↑ Maciej Chorowski, Kriogenika – podstawy i zastosowania, IPPU Masta, 2007, ISBN 978-83-921555-3-9.
- ↑ Miguel Angel Gonzalez-Salazar, System analysis of waste heat applications with LNG regasification [Thesis for Master of science in mechanical engineering], Stockholm, Sweden: Department of Energy Technology, Royal Institute of Technology, 2008 [dostęp 2020-12-08] (ang.).
- ↑ Amanda Oakley, Cryotherapy [online], dermnetnz.org, 1997 [dostęp 2020-12-08].
- ↑ food preservation - Industrial freezers, [w:] Encyclopædia Britannica [dostęp 2020-12-08] (ang.).
Linki zewnętrzne
edytuj
Anna Majcher-Fitas, Bliżej Nauki: Cool Physics – czyli o niskich temperaturach słów kilka, kanał FAIS UJ na YouTube, 10 listopada 2020 [dostęp 2023-11-30].- Lina Marieth Hoyos, What is the coldest thing in the world?, kanał TED-Ed na YouTube, 10 lipca 2018 [dostęp 2024-08-30].