Холодильная технология исследует и разрабатывает различные способы получения искусственного холода при помощи специальных технических средств. Криогеника выявляет закономерности в трансформациях характеристик веществ при криогенной температуре.
Для получения и поддержания систем при температурных значениях ниже ста двадцати Кельвинов (конденсация природного газа) до 0.7К (ожижение гелия) необходимы специальные машины, аппараты.
Низкие температуры получают при помощи холодильных циклов. Источниками холода служат детандирование. Так, турбодетандер, как и компрессор, является основным узлом криогенной установки. При расширении газообразного вещества на лопастях рабочего колеса происходит отдача энергии вследствие совершаемой работы и поток охлаждается. Существуют также поршневые, роторные, прочие типы детандеров.
При установлении низкой температурной границы протекают следующие процессы:
- Сжижение газов осуществляют для упрощения транспортировки, хранения в жидком виде.
- Разделение газовых смесей и изотопов низкотемпературными способами. Так в промышленных масштабах получают чистые азот, кислород, инертные газы из воздушной среды, выделяют дейтерий из жидкого водорода.
- Термостатирование и охлаждение различных устройств, в том числе электротехнических (квантовые усилители, приёмники ИК-излучения, т.д.).
- Создание условий для постановки научных экспериментов, например, имитация космического вакуума.
К базовому криогенному оборудованию относят детандеры, компрессоры, криостаты, вакуумные насосы, теплообменники, колонны для ректификации, прочее.
Развитие низкотемпературного сектора невозможно представить без применения:
- Воздухоразделительных установок, обеспечивающих проведение технологических операций в металлургии, энергетике, химической, атомной отрасли;
- Установок для выпуска ракетного топлива, отвечающих за работу ракетно-космических комплексов;
- Крионасосов для выработки вакуума;
- Систем для охлаждения магнитных, электрических, лазерных машин;
- Медицинского оборудования для криохирургии и криотерапии;
- Резервуарных ёмкостей для хранения и перемещения сжиженных газообразных сред;
- Прочее.
Применение криогенной техники в промышленности
Использование низкотемпературного оборудования связано с потреблением технических газов.
- Металлургия использует семнадцать процентов всех техгазов и смесей. Без кислорода не обходится ускорение доменных процессов, превращение чугуна в сталь, получение цветных металлов, снижение попадания в атмосферу вредных выбросов. Аргон создаёт окружающую защиту при плавлении, сваривании, разрезании металлов и сплавов. Азот сопровождает загрузку домн, при цианировании, отжиге, спекании порошковым способом.
- Химпром тратит полученный азот на производство аммиака, взрывчатки, удобрений. Аргон помогает при хранении химического сырья.
- В машиностроении, автомобилестроении востребован кислород, аргон, азот при традиционной обработке металлов, термообработке, резке, сварке лазером. Криогенная обработка стальных деталей при сверхнизких температурных показателях позволяет снять остаточные напряжения, повысить максимально износостойкость, твёрдость. Криогенный процессор трансформирует остаточный аустенит в мартенсит, что упрочняет металлоизделие.
- Пищевая промышленность не может функционировать без работы холодильных камер с жидким азотом. При гидрировании жиров задействуют водород, для получения сухого льда, газации напитков – двуокись углерода. С помощью инертных сред хранят, упаковывают, перевозят продовольственные товары.
- Строительство невозможно без проведения сварочных операций с применением технических газов, инертные требуются также при гидросварке для вытеснения воды под давлением.
- В нефтегазовом комплексе азот нужен для колтюбингового освоения скважин, для очищения ёмкостей, продувки трубопроводных систем, проведения пожарозащитных мероприятий. Диоксид углерода закачивают в нефтеносные пласты для увеличения нефтеотдачи.
- В космической отрасли и оборонном комплексе кислород востребован в качестве окислителя ракетного топлива. Неон, аргон, ксенон применяют в лазерных, сверхпроводниковых технологиях, для обнаружения разгерметизации, наличия радиоактивных частиц.
- Энергетика активно потребляет технические газы для обеспечения пожаро- и взрывобезопасности.
Криогенная техника в научных исследованиях
Развитие науки о холоде стартовало для осуществления консервирования пищевых продуктов. Вековой опыт расширен и перешёл на передовые научные рубежи. Стратегическое направление развития криогеники охватывает биологию, медицину, микрокриогенные приспособления, гелиевые установки, область сверхпроводимости. Криогенные технологии всё глубже проникают в металлургию, химию, космонавтику. Значимость техники низких температур неразрывно связана с постоянными научными поисками, зачастую в неочевидных сферах, с созданием новых наукоёмких технологий.
Наиболее перспективные направления:
- Осуществление термоядерного синтеза с реализацией технологии водородной энергетики;
- Реализация магнитогидродинамического метода преобразования энергии;
- Применение сверхчистых газов для компьютеризации, изготовления изделий нанофотоники;
- Использование гелия, уникального хладагента, в экспериментальной физике для изучения протекания различных процессов при сверхнизких температурах;
- Получение новых продуктов из сжиженного природного газа;
- Создание систем хранения генофонда живых организмов;
- Увеличение урожайности сельхозпродуктов при использовании углекислого газа;
- Разработка программ по освоению космоса, энергосбережения, защиты окружающей среды, повышения качества жизни.
Для сокращения газовых выбросов в атмосферу, сокращения воздействия на озоновый слой незамедлительного решения требует поиск новых хладагентов. Запросы мировой цивилизации могут привести к появлению новых прорывных направлений в технологии охлаждения для экономии природных, энергетических ресурсов, снижения негативного воздействия на среду обитания.
По прогнозам Международного института холода ожидается устойчивый рост холодильного сектора в грядущем десятилетии. Низкотемпературную науку ждут новые открытия, это подтверждает неисчерпаемость возможностей индустрии холода.
