Сансар огторгуйн инженерчлэл, биотехнологи, дэвшилтэт металлурги, квант тооцоолол зэрэг хурдацтай хөгжиж буй салбарт хэт бага температурт найдах нь урьд өмнө хэзээ ч ийм тод илэрч байгаагүй юм. Хүний технологийн чадавхийн хил хязгаарыг даван туулахын тулд хөлдөхөөс хамаагүй доогуур буюу ихэвчлэн үнэмлэхүй тэг рүү ойртдог материал, орчин шаардлагатай. Эдгээр хэт дулааны удирдлагын тогтолцооны гол цөм нь шингэрүүлсэн хий юм. Үнэлгээ хийх үед Шингэн аргон ба шингэн азот, инженерүүд болон эрдэмтдэд төслийнхөө дулааны үр ашиг төдийгүй химийн тогтвортой байдал, аюулгүй байдал, үйл ажиллагааны нийт төсөвт нөлөөлөх чухал шийдвэр гаргах үүрэгтэй.

Хөргөх орчинг зөв сонгох нь зөвхөн хамгийн хүйтэн бодисыг олох асуудал биш юм. Энэ бол термодинамик, химийн урвал, шингэний динамик, нийлүүлэлтийн сүлжээний эдийн засгийн нарийн тэнцвэр юм. Энэхүү иж бүрэн гарын авлага нь эдгээр хоёр аж үйлдвэрийн титануудын шинж чанар, хэрэглээ, стратегийн давуу талуудыг гүнзгий судлах болно. Тэдний өвөрмөц шинж чанаруудыг задлан шинжилснээр энэ нийтлэл нь хэт хүйтэн хэрэглээнд хамгийн сайн сонголт хийх найдвартай тогтолцоог бүрдүүлэх зорилготой юм.

Хэт хүйтэн орчны үндэс

Төрөл бүрийн хөргөлтийн бодисуудын хоорондын ялгааг ойлгохын тулд эхлээд криогенийн шинжлэх ухааны үндэслэлийг тогтоох хэрэгтэй. Физикийн энэ салбар нь ихэвчлэн -153°C (-243°F эсвэл 120K)-аас доош температурт тодорхойлогддог маш бага температурын үйлдвэрлэл, нөлөөллийг авч үздэг. Эдгээр орчинд материалын физик шинж чанар эрс өөрчлөгддөг: хий нь шингэн эсвэл хатуу болж, зарим металлын цахилгаан эсэргүүцэл бүхэлдээ алга болдог (хэт дамжуулалт), биологийн задрал туйлын зогсонги байдалд ордог.

Аливаа амжилттай дулааны менежментийн төслийн үндэс нь зөв ажиллахад оршино Криоген сонголт. Энэ үе шатанд алдаа гаргах нь материалын сүйрэл, химийн бохирдол, эсвэл үйл ажиллагааны капиталыг урсгах өндөр үр ашиггүй системд хүргэж болзошгүй юм. Гели ба устөрөгчийг ихэвчлэн үнэмлэхүй хамгийн бага температурт (MRI машин эсвэл пуужингийн хөдөлгүүрт) ашигладаг боловч үйлдвэрлэлийн болон шинжлэх ухааны хөргөлтийн дийлэнх нь азот эсвэл аргонд тулгуурладаг. Хоёуланг нь бутархай нэрэх гэж нэрлэгддэг эрчим хүч их шаарддаг процессоор дэлхийн агаар мандлаас гаргаж авдаг боловч тэдгээр нь үйл ажиллагааны хувьд гайхалтай ялгаатай байдаг.

Шингэрүүлсэн азотын дүр төрх (LN2)

Азот бол бидний агаар мандалд хамгийн элбэг байдаг хий бөгөөд бидний амьсгалж буй агаарын 78 орчим хувийг эзэлдэг. Стандарт атмосферийн даралтаар -196 ° C (-320 ° F буюу 77 К) хүртэл хөргөхөд тунгалаг, өнгөгүй шингэн болж өтгөрдөг. Шингэрүүлсэн азот нь элбэг дэлбэг байдгаараа асар их хэмнэлттэй бөгөөд энэ салбарын маргаангүй ажиллах хүч гэсэн нэр хүндийг авчирдаг.

Физик болон химийн шинж чанар

Азот нь хоёр атомт молекул (N2) бөгөөд хоёр азотын атом нь маш хүчтэй гурвалсан ковалент холбоогоор холбогддог гэсэн үг юм. Стандарт нөхцөлд энэ холбоо нь азотыг өндөр идэвхгүй болгодог. Энэ нь шаталтыг дэмжихгүй, өрөөний температурт бусад элементүүдтэй нэгдлүүдийг амархан үүсгэхгүй. Түүний ууршилтын далд дулаан нь шингэнээс хий болж хувирах үед шингээдэг энергийн хэмжээ нь маш сайн бөгөөд хурдан бөгөөд тогтвортой хөргөх хүчийг өгдөг.

Аж үйлдвэрийн үндсэн хэрэглээ

Хямд өртөгтэй, маш сайн дулааны хүчин чадалтай тул шингэрүүлсэн азотыг өргөн хүрээний үйлдвэрүүдэд ашигладаг.

1. Эмнэлгийн болон биологийн хамгаалалт: Энэ нь цус, нөхөн үржихүйн эс (эр бэлгийн эс, өндөг), биологийн дээжийг эсийн задралгүйгээр тодорхойгүй хугацаагаар хадгалахад ашигладаг крио хадгалах стандарт орчин юм.

2. Хүнсний боловсруулалт: LN2 агуулсан хүнсний бүтээгдэхүүнүүд хөлдөөх нь мөсөн талст үүсэхийг багасгаж, улмаар мах, жимс, бэлэн хоолны эсийн бүтэц, бүтэц, тэжээллэг чанарыг хадгалдаг.

3. Механик инженерчлэл: Агшаа холбох нь металл эд ангиудыг (араа эсвэл холхивч гэх мэт) LN2-д шингээх нийтлэг арга юм. Хэт хүйтэн нь металыг агшиж, нягт угсралтад оруулах боломжийг олгодог. Дулаарах тусам энэ нь тэлсээр гайхалтай нягт интерференцийг үүсгэдэг.

4. Электроник үйлдвэрлэл: Энэ нь хагас дамжуулагчийн үйлдвэрлэлд идэвхгүй орчин бий болгох, микрочипүүдийн байгаль орчны туршилтын явцад үүссэн их хэмжээний дулааны ачааллыг зохицуулахад ашиглагддаг.

Азотын хязгаарлалт

Хэдийгээр олон талт шинж чанартай ч азот нь бүрэн идэвхгүй биш юм. Нуман гагнуур, сийвэн хайчлах, сансрын металлургийн тусгай технологи гэх мэт маш өндөр температурт N2 молекулын гурвалсан холбоо задарч болно. Энэ тохиолдолд азотын атомууд зарим халуун металлуудтай (титан, магни, хөнгөн цагаан гэх мэт) урвалд орж нитрид үүсгэдэг. Энэхүү химийн урвал нь "азотын хэврэгжилт" гэж нэрлэгддэг үзэгдэлд хүргэдэг бөгөөд энэ нь металлын бүтцийн нэгдмэл байдлыг ноцтойгоор алдагдуулж, түүнийг хэврэг, стресст өртөмтгий болгодог.

Шингэрүүлсэн аргоны танилцуулга (LAr)

Аргон бол дэлхийн агаар мандлын 0.93 хувийг эзэлдэг сайхан хий юм. Энэ нь агаар мандлын гурав дахь хамгийн элбэг хий боловч азотоос хамаагүй ховор юм. Энэ нь -185.8 ° C (-302.4 ° F буюу 87.3 К) температурт шингэн төлөвт өтгөрдөг. Буцалгах цэг нь азотоос арай дулаан боловч атомын бүтэц, үнэмлэхүй химийн тогтвортой байдал нь түүний тодорхойлогч шинж чанар юм.

Физик болон химийн шинж чанар

Бусад хоёр атомт молекулуудаас ялгаатай нь Шингэн аргон монотомийн бүтэцтэй. Түүний хамгийн гадна талын электрон бүрхүүл нь бүрэн дүүрэн байдаг тул бусад элементээс электрон хуваалцах, өгөх, авах хүсэл огт байхгүй. Энэ нь аргоныг бүрэн идэвхгүй болгодог. Температур хэр ихсэх, ямар их дарамт үзүүлэхээс үл хамааран ямар ч мэдэгдэж буй бодистой урвалд орохгүй. Цаашилбал, аргон хий нь агаараас хамаагүй нягт байдаг тул шингэн нь буцлах үед үүссэн хий нь хуримтлагдаж, талбайг бүрхэж, маш сайн хамгаалалтын бамбай болдог.

Аж үйлдвэрийн үндсэн хэрэглээ

Энэ нь азотоос илүү үнэтэй байдаг тул шингэрүүлсэн аргон нь химийн үнэмлэхүй идэвхгүй байдал нь маргаангүй хэрэглээнд зориулагдсан байдаг.

1. Дэвшилтэт гагнуур ба металлургийн: Титан эсвэл өндөр зэрэглэлийн зэвэрдэггүй ган ашигладаг сансрын эд анги, эмнэлгийн суулгацыг үйлдвэрлэхэд аргон заавал байх ёстой. Энэ нь хайлсан гагнуурын цөөрмийг агаар мандлын бохирдлоос хамгаалж, азотын улмаас хэврэгших эрсдэлгүй.

2. Нэмэлт үйлдвэрлэл (3D хэвлэх): Металл 3D хэвлэх нь метал нунтаг хайлуулах лазерыг хамардаг. Аргоноор баялаг орчин нь хэт дэгдэмхий хайлах үе шатанд нунтаг бодисыг исэлдүүлэх, урвалд орохоос сэргийлж, өө сэвгүй эд анги үүсгэх боломжийг олгодог.

3. Өндөр энергийн физик ба харанхуй бодисын судалгаа: Шингэрүүлсэн аргон бол онцгой сцинтиллятор (өндөр энергитэй тоосонцор цохиход гэрлээр анивчдаг материал) юм. Энэ нь өөрийн гялалзсан гэрэлд тунгалаг, маш цэвэр байдаг тул дэлхий даяар асар том нейтрино детекторууд болон харанхуй бодисын туршилтуудад өргөн хэрэглэгддэг.

4. Хагас дамжуулагч болор татах: Хэт цэвэр цахиурын талстыг ургуулахын тулд реактив элементүүдээс бүрэн ангид орчин шаардлагатай. Аргон нь энэхүү өөгүй хөнжил уур амьсгалыг бүрдүүлдэг.

Толгой ба толгой харьцуулсан шинжилгээ

Техникийн өгөгдлүүдийг нэгтгэхийн тулд дараах хүснэгтэд эцсийн дүнг задалсан болно Шингэн аргон ба шингэн азот аж үйлдвэрийн хамгийн чухал хэмжүүрүүдийн талаар мэтгэлцэх.

Аюулгүй байдал ба дэд бүтцийн талаар анхаарах зүйлс

Аль шингэнийг сонгохоос үл хамааран харьцах, хадгалах, дамжуулах механизм нь аюулгүй байдлын хатуу протокол, тусгай дэд бүтэц шаарддаг.

Асфиксийн аюул

Шингэнүүдийн аль нь ч хортой биш боловч хоёулаа амьсгал боогдуулдаг. Шингэнээс хий рүү шилжих үед тэдгээр нь анхны эзэлхүүнээсээ хэдэн зуу дахин томордог (дээрх хүснэгтээс харахад). Агааржуулалт муутай өрөөнд аль ч шингэн бага зэрэг асгарвал амьсгалах боломжтой хүчилтөрөгчийг хурдан гадагшлуулна. Аргон хий нь агаараас 38%-иар хүнд байдаг тул нам дор газар, суваг шуудуу, савны ёроолд хуримтлагдах онцгой аюулыг бий болгодог. Эдгээр бодисыг ашигладаг аливаа байгууламжид хүчилтөрөгчийн хяналтын мэдрэгч заавал байх ёстой.

Криоген түлэгдэлт ба материалын хэврэг байдал

Аль ч шингэнтэй хүрэлцэх нь агшин зуурын болон хүчтэй хөлдөлтийг үүсгэж, хүний ​​хурцах үед эд эсийг үр дүнтэй устгадаг. Тусгай зориулалтын нүүрний халхавч, чийг шингээдэггүй дулаалгатай бээлий, криоген хормогч зэрэг хувийн хамгаалалтын бүрэн хэрэгслийг (PPE) өмсөх ёстой. Нэмж дурдахад стандарт нүүрстөрөгчийн ган болон олон хуванцарууд ийм температурт шил шиг хэврэг болдог. Дулааны цочролыг тэсвэрлэхийн тулд бүх хоолой, хавхлага, хадгалах савыг аустенитийн зэвэрдэггүй ган, зэс эсвэл гуулинаар хийсэн байх ёстой.

Шийдвэр гаргах стратегийн хүрээ

Төслийн төлөвлөлтийн эцсийн үе шаттай тулгарахдаа өөрийн гэсэн хатуу удирдамжийг боловсруулах Криоген сонголт цаг хугацаа, хөрөнгө хэмнэх болно. Шийдвэр гаргахдаа дараахь матрицыг ашиглана.

Алхам 1: Температурын шаардлагыг үнэлэх
Хэрэв таны процесс үнэмлэхүй тэгтэй ойролцоо температур шаардлагатай бол (жишээлбэл, хэт дамжуулагч соронзон) аль аль нь шингэн хангалтгүй байж магадгүй бөгөөд танд гелий хэрэгтэй байж магадгүй юм. Гэсэн хэдий ч зорилтот хүрээ нь -150 ° C ба -190 ° C хооронд байвал хоёулаа амьдрах боломжтой.

Алхам 2: Химийн мэдрэмжийг шинжлэх
Энэ бол агуу хуваагч юм. Таны үйл явц нь реактив металлыг (титан, хөнгөн цагаан, магни) хайлах цэг хүртэл нь халаахтай холбоотой юу? Таны химийн нийлэгжилтэд нэг сая реактив молекулын тэг хэсэг бүхий орчин шаардлагатай юу? Хэрэв тийм бол та өндөр өртөгийг шингээж, аргон ашиглах хэрэгтэй. Хэрэв таны процесс зүгээр л органик эдийг хөлдөөх, стандарт ган эд ангиудыг багасгах эсвэл электроникийг турших юм бол азот нь туйлын аюулгүй бөгөөд үр дүнтэй байдаг.

Алхам 3: Төсөв ба нийлүүлэлтийн сүлжээ
Шингэрүүлсэн азот нь хямд бөгөөд дэлхийн хаана ч хамаагүй их хэмжээгээр нийлүүлэх боломжтой. Аргон нь илүү үнэтэй, нийлүүлэлтийн хэлхээний хэлбэлзэлд өртдөг бөгөөд хүнд жинтэй тул тээвэрлэхэд илүү их зардал гардаг. Зөвхөн хими шаардсан үед аргоныг зааж өгнө.

Алхам 4: Байгууламжийн архитектур
Танай байгууламж тодорхой хийг даах чадвартай эсэхийг шалгаарай. Хэрэв та гүний подвалд эсвэл хаалттай шуудуунд ажиллаж байгаа бол хүнд аргон хийг агааржуулах нь стандарт агаартай илүү амархан холилдох азотоос илүү идэвхтэй олборлох системийг шаарддаг.

Байгуулах

Орчин үеийн аж үйлдвэрийн ландшафт нь инновацийг бий болгохын тулд шингэрүүлсэн хийн үл үзэгдэх, хөлдөөх хүчинд тулгуурладаг. Азот нь хэмнэлттэй, өндөр хүчин чадалтай хөргөлтийн маргаангүй хаан хэвээр байгаа ч аргон нь үнэмлэхүй химийн цэвэршилт, өндөр температурт идэвхгүй байдлын хүрээнд тусгай, өндөр үнэ цэнэтэй хаан ширээг эзэмшдэг. Инженерүүд термодинамикийг химийн урвалын хүчин чадал, үйл ажиллагааны төсөвтэй харьцуулан нягт нямбай тооцсоноор үйлдвэрлэл, судалгаа, шинжлэх ухааны ажлаа ирээдүйд аюулгүй явуулахад шаардлагатай шинж чанаруудыг яг таг ашиглаж чадна.

Түгээмэл асуултууд

Асуулт 1: Зардлаа хэмнэхийн тулд одоо байгаа хөргөлтийн системдээ нэгийг нь нөгөөгөөр нь аюулгүй сольж болох уу?
Х: Ерөнхийдөө үгүй. Хөргөх дэд бүтэц (дюар, зэвэрдэггүй ган хоолой, вакуум хүрэмтэй хоолой) нь хоёр температурыг бие махбодийн хувьд тэсвэрлэх чадвартай боловч орлуулалтын химийн үр дүн нь сүйрэлтэй байж болно. Хэрэв та өндөр дулаантай металлургийн процесст аргоноос азот руу шилжих юм бол азотын хүчтэй эмзэглэл, хэсэг нь эвдрэх эрсдэлтэй. Үүний эсрэгээр, энгийн хөргөлтийн хувьд азотоос аргон руу шилжих нь санхүүгийн эх үүсвэрийг асар их үрэх явдал юм.

А2: Байна Шингэн аргон задгай саванд үлдээвэл азотоос хурдан уурших уу?
Хариулт: Үнэн хэрэгтээ энэ нь буцлах цэг нь өндөр (-185.8°C -196.0°C) ба нягтрал ихтэй тул ижил нөхцөлд бага зэрэг удаан уурших хандлагатай байдаг. Гэхдээ хоёуланг нь ил задгай саванд хийж болохгүй. Аль аль нь тасалгааны температурт хүчтэй буцалгаж, их хэмжээний эзэлхүүнийг тэлэх, хүчилтөрөгчийг нүүлгэн шилжүүлэх, өрөөнд амьсгал боогдох аюулыг бий болгоно.

Асуулт 3: Эдгээр хийг агаар мандалд буцааж гаргахад байгаль орчинд үзүүлэх нөлөөлөл бий юу?
Х: Аз болоход хоёулаа байгалийн гаралтай, хүлэмжийн бус хий юм. Тэдгээрийг хүрээлэн буй орчны агаараас шууд гаргаж авдаг тул агаар мандалд буцааж гаргах нь дэлхийн дулаарал, озоны давхарга, химийн бохирдолд нөлөөлдөггүй. Энэ хоёртой холбоотой байгаль орчны анхдагч ул мөр нь анхны үйлдвэрлэлийн явцад их хэмжээний агаар ялгах, шахах үйлдвэрүүдийг ажиллуулахад шаардагдах цахилгаан эрчим хүчнээс гардаг.