Kriogenika

Z Wikipedii, wolnej encyklopedii
Przejdź do nawigacji Przejdź do wyszukiwania
Kriostat badający szczelność podzespołów w niskich temperaturach.
Naczynie zawierające ciekły azot

Kriogenika (gr. krios „zimno”, genos „ród”) – dziedzina nauki (fizyki i techniki) zajmująca się badaniem i wykorzystaniem właściwości ciał w ekstremalnie niskich temperaturach, uzyskiwaniem i mierzeniem niskich temperatur. Temperatury te nie są ściśle zdefiniowane, zwykle przyjmuje się jako graniczne temperatury niższe od −150 °C (123 K)[1].

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[edytuj | edytuj kod]

Ważną 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[2].

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[edytuj | edytuj kod]

Bardzo 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[3]. 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[4].
  • 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[5].

Zobacz też[edytuj | edytuj kod]

Przypisy[edytuj | edytuj kod]

  1. 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.).
  2. Maciej Chorowski, Kriogenika – podstawy i zastosowania, IPPU Masta, 2007, ISBN 978-83-921555-3-9.
  3. 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.).
  4. Amanda Oakley, Cryotherapy, dermnetnz.org, 1997 [dostęp 2020-12-08].
  5. R. Paul Singh, Food preservation. Industrial freezers, Encyclopaedia Britannica [dostęp 2020-12-08] (ang.).