ENواژه کرایوژنیک به معنای “سرمای بسیار پایین” است. این تکنیک در ابتدا در صنعت پزشکی استفاده می‌شد تا در دماهای پایین بافت‌های زنده را حفظ کند. با گذر زمان، کاربردهای کرایوژنیک در حوزه‌های دیگر مانند علوم زیستی، تحقیقات فضایی و حتی صنعت خودرو نیز گسترش یافت.
اما تکنولوژی کرایوژنیک دقیقا چگونه است؟ گازهای کرایوژنیک چیست؟ دماهای فوق سرد چگونه به دست می آیند؟ چه خطراتی دارند و در چه صنایعی بیشتر از موادکرایوژنیک استفاده می شود؟
پاسخ همه ی این سؤالات و مطالب جذاب بیشتری را در مورد تکنولوژی کرایوژنیک میتوانیددر این مقاله بخوانید.
فرایند کرایوژنیک چیست؟
کرایوژنیک از کلمه یونانی “Kryos” (κρύο) گرفته شده است که به معنای “بسیار سرد” است. صنعت کرایوژنیک برای تولید مواد در دماهای بسیار پایین ، ذخیره کردن آن ها و حمل و نقل شان استفاده می شود.
سرمای شدید می تواند واکنش های شیمیایی جالبی ایجاد کند. به عنوان مثال، مواد از گاز به مایع تبدیل می شوند یا با سرمای بیشتر حالت جامد به خود می گیرند.
مایع معروفی که با سرد شدن تغییر حالت می دهد آب است. در دمای 0 ℃، آب از مایع به جامد تبدیل می شود که همان یخ است. اما باید دقت کنیم که این فرایند کرایوژنیک نیست. تنها زمانی که دما به 160- درجه سانتیگراد یا کمتر برسد، ما از کرایوژنیک صحبت می کنیم. اینها دماهایی هستند که در آن گازها به مایع تبدیل می شوند.
گازهایی که بیشتردر فرایند کرایوژنیک و برودتی استفاده می شوند، هلیوم، اکسیژن،نیتروژن و هیدروژن هستند.
این تکنولوژی در صنایع مختلف کاربرد دارد.
دمای مورد نیاز برای مایع شدن یک گاز برای گازهای مختلف متفاوت است. به عنوان مثال، اکسیژن در دمای منفی 183 ℃ مایع می شود، در حالی که هلیوم به دمای حداقل منفی 269 درجه سانتیگراد نیاز دارد.
دماهای کرایوژنیک چگونه به دست می آیند؟
برای رسیدن به دمای انجماد، شیوه های پیچیده ای مورد نیاز است. در بیشتر موارد، چهار روش مختلف برای دستیابی به دماهای برودتی استفاده می شود:
۱. هدایت حرارتی
هدایت حرارتی شایدمعروف ترین روش باشد. وقتی دو ماده با هم در تماس باشند، گرما از داغ ترین ماده به سردترین ماده منتقل می شود. فرایند کرایوژنیک با استفاده از همین اصل انجام می شود. پس با تماس ماده مورد نظرمان با مایع کرایوژنیک سرمای شدیدی منتقل می شود. در نتیجه ، ماده مورد نظر ما نیز به دمای مطلوب می رسد.
۲. خنک کننده ی تبخیری
اتم ها یا مولکول ها در حالت مایع انرژی کمتری نسبت به حالت گازی دارند. در طول تبخیر یک ماده مایع، اتم‌ها یا مولکول‌های روی سطح انرژی کافی از مایع اطراف دریافت می‌کنند تا به حالت گازی آن تبدیل شوند. در مقابل، مایع باقی مانده انرژی کمتری را حفظ می کند و باعث سردتر شدن آن می شود. بنابراین، با القای فرآیند تبخیر، می توان به خنک شدن مایع دست یافت.
۳. خنک شدن با انبساط سریع
روش سوم استفاده از اثر ژول تامپسون است. این روش با انبساط ناگهانی حجم یا افت فشار به همان اندازه سریع باعث تبدیل گازهای کرایوژنیک به مایع می شود. این روش به طور گسترده در مایع سازی هیدروژن و هلیوم استفاده می شود.
۴. مغناطیس زدایی آدیاباتیک
روش چهارم و آخر استفاده از نمک های پارامغناطیس برای جذب گرما است. این روش عمدتاً در تکنولوژی کرایوژنیک برای خنک کردن هلیوم مایع استفاده می شود. نمک پارامغناطیس را می توان به صورت تعداد عظیمی از آهنرباهای کوچک در نظر گرفت که وقتی روی یک میدان مغناطیسی قوی قرار می گیرند و با یک آهنربا الکترومغناطیسی فرآوری می شوند، مقداری انرژی تولید کرده یا مقداری انرژی مصرف می کنند. بنابراین با کمک این مواد پارامغنایس، با جذب انرژی از گازکرایوژنیک، گاز سرد و سردتر می شود.
تاریخچه تکنولوژی کرایوژنیک
همه چیز در سال 1877 شروع شد، زمانی که Cailletet و Pictet موفق شدند اکسیژن را مایع کنند. در آن زمان آزمایش‌های مختلفی در این حوزه انجام می شد و گاز های مختلفی برای تبدیل شدن به مایع مورد آزمایش قرار می گرفتند. به عنوان مثال، در سال 1884، هیدروژن اولین گازی بود که به مه تبدیل شد. در سال 1892، جیمز دوار یک ظرف عایق خلاء برای ذخیره مایعات برودتی ساخت و کار با گازهای مایع را آسان‌تر کرد.
در سال‌های بعد، کارشناسان موفق شدند تعداد بیشتری از گازها رابه مایع تبدیل کنند. آخرین گازی که به مایع تبدیل شد گاز هلیوم بود. شکل مایع گاز هلیوم برای اولین بار در سال 1908 مورد استفاده قرار گرفت.
تکنولوژی کرایوژنیک در صنایع مختلف
با گذشت زمان صنایع بیشتری به فواید فناوری کرایوژنیک پی بردند. به عنوان مثال، در سال 1961، کرایوسرجری برای اولین بار در ایالات متحده انجام شد. دانشمندان دریافتند که سرد شدن آهسته می تواند بافت ناسالم انسان را از بین ببرد. در ایالات متحده از نیتروژن مایع برای این منظور در پزشکی استفاده می شد و چند سال بعد، پزشکان آفریقای جنوبی نیز از این روش استفاده کردند. اما در آفریقای جنوبی به جای نیتروژن مایع از اکسید نیتروژن استفاده شد.
صنعت پرواز فضایی نیز فناوری برودتی را در قرن بیستم معرفی کرد. در سال 1961، موشک آمریکایی اطلس-سنتور برای اولین بار در برنامه فضایی از هیدروژن مایع و نیتروژن مایع استفاده کرد. این رویداد یک نقطه عطف مهم در تکنولوژی کرایوژنیک در نظر گرفته می شود و بلافاصله منجر به تولید هیدروژن مایع در مقیاس بزرگ برای پروژه های مشابه شد.
صنایع پزشکی و هوافضا تنها نمونه‌هایی از بخش‌هایی هستند که از تکنولوژی کرایوژنیک برای مدت طولانی استفاده کرده اند. کرایوژنیک همچنین برای مدت طولانی نقش برجسته ای در تحقیقات علمی، صنایع دریایی و تولید انبوه گازهای مایع در واحدهای جداسازی هوا داشته است.
برای اطلاعات بیشتر در مورد صنایعی که در آن از فناوری های کرایوژنیک استفاده می شود، مطلب مربوط به
آن را مطالعه کنید.
گازهای صنعتی
برای کاربرد عملی فناوری کرایوژنیک، عمدتاً از گازهای صنعتی استفاده می شود.
برترین گازهای کرایوژنیک صنعتی عبارتند از نیتروژن، اکسیژن، دی اکسید کربن (CO2)، آرگون، هیدروژن، هلیوم و استیلن.
برخی از این گازها در فروشگاه ها فروخته می شوند و برای استفاده عموم در دسترس هستند (به هلیوم برای بادکنک ها و اکسیژن در زمینه پزشکی فکر کنید). البته در بیشتر موارد گازهای برودتی توسط شرکت های صنعتی استفاده می شود.
برخی از گاز های صنعتی که در مهندسی برودتی مورد استفاده قرار می گیرند، عبارتند از:
گاز های هوا:
گازهای هوا با تقسیم اجزای مختلف هوا به دست می آیند. جو عمدتاً از نیتروژن، اکسیژن، آرگون و تعداد کمی از گازهای نجیب تشکیل شده است.
نیتروژن مایع به طور گسترده برای تبرید در صنایع غذایی و حرفه پزشکی استفاده می شود.
اکسیژن مایع اغلب در صنعت هوافضا استفاده می شود.
آرگون مایع به دلیل استفاده از آن به عنوان گاز پرکننده در لامپ ها شناخته شده است.
گازهای نجیب
گازهای نجیب (هلیوم، نئون، آرگون، کریپتون، زنون و رادون) نیز در حداقل مقادیر در جو یافت می شوند.
این گازها یک چیز مشترک دارند: آنها به سختی با مواد دیگر واکنش نشان می دهند. بنابراین، آنها اغلب برای کاربردهای برودتی استفاده می شوند که لازم است واکنشی اتفاق نیافتد و در نتیجه باعث سمی شدن محیط یا اکسیداسیون نشود. به عنوان مثال، در لامپ ها و لیزرها و همچنین در بالون ها و مخازن هوا برای غواصان.
هیدروژن
هیدروژن یکی دیگر از گازهایی است که به طور گسترده ای در تکنولوژی کرایوژنیک استفاده می شود.
هیدروژن عنصری است که با ترکیب شدن با اکسیژن، آب را تشکیل می دهد. این گاز به شکل خالص روی زمین وجود ندارد، اما برای تولید انرژی یا به عنوان سوخت به مقدار زیادی تولید می شود.
گاز های دیگر
دسته بندی های بالا همه ی انواع گاز های مورد استفاده در صنعت کرایوژنیک را تشکیل نمی دهند. گاز های دیگری هم هستند که در این تکنولوژی قابل استفاده اند.
مثلاً دی اکسید کربن مایع (CO2) در فناوری برودتی در صنایع غذایی مورد استفاده قرار می گیرد.
صنایع مختلف کرایوژنیک
تجهیزات برودتی در طیف وسیعی از صنایع استفاده می شود. ده مورد از این صنایع عبارتند از:
۱. خودرو
در صنعت خودروسازی، استفاده از فناوری کرایوژنیک رایج است. این تکنولوژی پیشرفته برای ساخت خودرو بسیار مفید هستند.
۲. الکترونیک
صنعت دومی که فناوری برودتی در آن نقش مهمی دارد، صنعت الکترونیک است. عمدتاً در هنگام آزمایش دستگاه های الکترونیکی گازهای مایع بسیار سرد استفاده می شوند. از نیتروژن مایع معمولاً برای آزمایش مقاومت تجهیزات در برابر دمای سرد استفاده می شود.
۳. غذا
در صنایع غذایی از گازهای مایع برای خنک سازی برودتی و بسته بندی ایمن محصولات استفاده می شود.
4. LNG
صنعت LNG با سرعت بالایی در حال رشد است.
LNG (گاز طبیعی مایع) درمورد مسائل زیست محیطی برای بخش حمل و نقل و حمل و نقل جاده ای فواید زیادی دارد.
و به همین دلیل به عنوان سوخت استفاده می شود. برای نگهداری LNG مایع، باید آن را در دمای -162 درجه سانتیگراد ذخیره کرد که به زیرساخت های برودتی پیشرفته نیاز دارد.
۵. دریایی
LNG به روش های مختلفی در صنایع دریایی استفاده و ذخیره می شود. برخی از کشتی ها از گاز به عنوان سوخت استفاده می کنند، در حالی که برخی دیگر آن را در مخازن ذخیره سازی بزرگ حمل می کنند.
۶. پزشکی
نیتروژن مایع در زمینه پزشکی بسیار محبوب است. این گاز مایع برای انجام درمان های پزشکی خاص و حفظ ساختارهای پیچیده بیولوژیکی برای حفظ خون، سلول ها، اندام ها، DNA و مایع منی استفاده می شود.
۷. دارویی
نیتروژن مایع نقش اساسی در صنعت داروسازی دارد. این گاز مایع به طور گسترده ای برای خنک کردن ظروف ذخیره سازی برودتی و برای قالب گیری داروها به شکل قرص استفاده می شود.
۸. تحقیقات علمی
گازهای برودتی، به دلیل قدرت بالا، اغلب موضوع مطالعات فیزیکی هستند. هلیم یکی از سردترین و قوی ترین گازهای مایع است. بنابراین، به طور گسترده ای برای خنک کردن شتاب دهنده های ذرات استفاده می شود.
۹. فضا
به دلیل قدرت عظیمی که گازهای برودتی می توانند تولید کنند، به طور مرتب در صنعت فضایی استفاده می شوند. به عنوان مثال، تکنولوژی کرایوژنیک برای پرتاب ماهواره ها استفاده می شود. در عین حال، کرایوژنیک اغلب بخشی از آزمایشات علمی در صنعت فضایی است.
۱۰. جداسازی هوا
آخرین، اما نه کم اهمیت ترین، بازار صنعت جداسازی هوا است. جداسازی هوا در واحدهای جداسازی هوا صورت می گیرد.
به طور خلاصه، جداسازی هوا به معنای تصفیه هوا برای تولید عمده نیتروژن، اکسیژن، آرگون و برخی گازهای نجیب است.
تکنولوژی خلاء
عایق نقش اساسی در تکنولوژی کرایوژنیک دارد. گازهای برودتی باید در دمای مناسب برای استفاده در شکل مایع نگهداری شوند، که به همین سادگی نیست. حمل و نقل گازهای مایع مسئله مهمی در صنعت کرایوژنیک است.
در طول هر مرحله، این احتمال وجود دارد که گاز گرم شود و از بین برود. یک نشت حرارت کوچک می تواند تأثیر قابل توجهی داشته باشد و این مسائل میتواند اهمیت عایق سرمایشی بهینه را برای ما نشان دهد.
در سال های اخیر، فناوری خلاء به عنوان بهترین تکنیک برای حفظ دمای (فوق العاده سرد) خطوط انتقال و سیستم های برودتی ثابت شده است.
در مقایسه با عایق های معمولی، ارزش عایق عایق خلاء بسیار بالاتر است، به این معنی که نشت گرما کمتر و گازهای کمتری از دست می رود.
در مقایسه با عایق های ساخته شده از فوم گلاس، آرمافلکس، پرلیت و میسلون، عایق خلاء ارزش عایق را 15 برابر بیشتر از هر روش دیگری می کند.
شرکت توسعه تکنولوژی فرجاد تولید کننده تخصصی مخازن کرایوژنیک و مخازن تحت فشار میباشد. شما میتوانید جهت استعلام قیمت و یا مشاوره رایگان با شماره های درج شده در سایت تماس حاصل نمایید.