氦气低温应用的 4 种方式
氦气其特性使其可用于许多不同的用途,从冷却到为飞艇提供升力。通过了解其低温原理的基础知识,我们可以了解这种气体的工作原理及其各种用途。
低温科学的各个方面出现在 19 世纪早期法拉第和焦耳的实验中。低温学涉及使材料经受极低的温度,通常低于 -150 °C。液氮或液氦等低温液体的使用使我们能够安全地达到极端温度,而不必担心与高温过程相关的火灾隐患。在涉及寒冷环境的任何项目中,这些物质都发挥着不可或缺的作用。
氦气具有多种可用于低温过程的特性。它的沸点低于大多数其他元素,使其适合快速有效地达到非常低的温度。由于其无毒特性,该过程也保持安全。难怪如此多的行业更加依赖氦的低温原理和应用。
什么是低温技术?
低温学研究材料在极低温度下的生产和行为。氦气等低温液体的温度范围介于 -271.15°C 至 -196°C 之间。低温应用利用了在这些低温环境中增加强度、改善导电性和增强隔热等特性。
低温技术背后的原理涉及控制冷却速率。这是通过利用沸点和蒸发速率来实现所需的温度范围来完成的。在某些情况下,这涉及使用机械制冷剂甚至液氮将材料迅速冷却至零度以下。通过操纵环境,材料可以冷却到室温以下,而不会将其物理状态从固态变为液态。
然而,并非所有材料在暴露于极端寒冷条件下时都会做出同样的反应。例如,无论冷却多远,氦气仍然是气体,而水在 0°C 时会变成冰。了解每种材料在不同温度下的独特特性有助于科学家确定哪些物质最适合特定的低温应用。
氦的性质
氦是一种具有两种天然同位素的元素,即氦3和氦4。氦4是这两种同位素中最丰富的,约占地球上所有天然氦原子的99.9%。它具有许多独特的特性,使其在低温应用中具有无可估量的价值。
当冷却到接近绝对零(-273°C)的温度时,液氦会表现出超流动性,即其粘度降至零的状态,并且可以无任何阻力地流动。这种特性使浸入液氦中的小物体有可能比在正常重力条件下移动得更快,从而使它们可用于科学研究目的。
此外,低冷凝温度使氦气成为某些工业过程(例如低温学和半导体制造)中减压的理想选择。
氦气的其他主要特性包括:
-269℃的极低沸点;
导热系数随着压力的增加而增加,最高可达大气压力下空气导热系数的十倍;
当压缩成液态时,其密度增加近 200 倍;
低冷凝温度和高导热性的结合使其成为可用于将制冷系统冷却至接近绝对零温度的最佳材料之一。
氦气在许多行业和领域发挥着重要作用,包括航空航天、核能发电、医学成像和电子产品生产。了解不同元素在极端温度和压力下的行为方式有助于科学家更好地理解支配我们宇宙的基本物理定律。这使我们更接近解开有关物质本身性质的秘密。
低温应用的温度范围
低温是通过使用氦气作为冷却剂来实现的。为了保持这些极低的温度,低温系统必须密封并与外部热源隔离。这使它们能够保持稳定的温度,同时仍允许不同组件之间的能量交换。在某些情况下,例如在医疗应用中,液氮或其他低温气体也可用于实现比单独使用氦气可实现的温度更低的温度。
在执行某些需要极端温度控制的程序或实验时,这些超低温有助于提高精度和准确性。此外,它们还允许研究人员研究仅存在于狭窄温度或压力范围内的现象。
氦气冷却系统的使用使许多独特的应用成为可能。例如,粒子加速器等高精度仪器依赖于在绝对零附近运行的冷却剂系统才能正常和安全地运行。同样,各种类型的储存容器依靠类似的技术来长期保存其内容物而不会降解或污染。
如果没有可靠的低温学,今天许多重要的技术根本不会存在。
极低的温度如何影响材料?
在极低温下,材料会受到各种物理影响。
从抗热震性和温度引起的断裂到低温应力,这些材料必须经过精确设计才能承受此类条件。
在设计用于低温的任何设备或结构时,抗热震性是一个重要因素。为了使设备或结构不因温度突然变化而损坏,必须使用特殊的绝缘材料。低温绝缘有助于保护设备内部部件免受环境温度快速变化的影响。如果处理不当,随着时间的推移,这可能会导致开裂和其他形式的破坏。
低温引起的另一种影响是温度诱导断裂 (TIF)。当某些类型的金属在低温下变脆并且在应变或压力下更容易破裂时,就会发生 TIF。
脆性程度取决于所使用的金属类型。因此,设计师和工程师在为零度以下温度的项目选择合适的材料时一定要多加注意。
由于长时间暴露在极低的温度下,可能会发生低温应力。Cryostress 是由机械力和极冷环境共同引起的。
如果在设计阶段没有采取适当的预防措施,这会增加结构失效的可能性。例如,某些合金可能需要在角落和边缘周围进行额外的加固,因为在这些地方可能会比物体本身的其他地方集中更多的应变。
氦气冷却:工业用途
氦气冷却已在各种工业应用中实施,以提高效率和安全性。
它广泛用于低温工业,因为它既可以快速冷却物体,又可以使物体长时间保持在超低温下。工业氦气冷却系统通常采用允许用户轻松精确调整温度设置的技术。这使其成为工业低温存储等大规模过程的理想选择。在储存过程中,必须长时间保持温度的均匀性。
与传统方法相比,工业氦气冷却还使制造商能够通过降低能耗来降低运营成本。
许多公司都采用了这项技术。它能够最大限度地减少制造过程中的热量产生,并减少其对环境的整体影响。此外,当与超导体等其他材料或技术结合使用时,氦气冷却可以提供更大的性能优势。
航天器和卫星中的低温技术
低温技术已被用于航天器和卫星以实现高效运行。
低温技术用于太空应用,因为它们允许在较低温度下储存推进剂并降低其蒸气压。低温燃料还提供比化学燃料更高的比冲,从而延长任务持续时间。低温推进剂罐重量轻,热膨胀系数低。这使他们能够在船上储存更多的燃料。
采用低温技术的航天器有一个绝缘内罐,内含液态氢或液态氧,温度保持在 -253°C 至 -183°C 之间。为保持此温度,在容器壁周围安装多层绝缘 (MLI) 毯等绝缘层。这可以防止热量从外部环境散失到其中。这些系统可以使用散热器或焦耳-汤姆逊冷却器等主动冷却机制来进一步控制其温度。
由于与其他类型的燃料源相比具有高功率密度,卫星在运行期间广泛使用低温技术。为了让它们在整个任务期间保持功能,卫星需要持续供电,这由太阳能电池板或放射性同位素热电发电机 (RTG) 提供。RTG 需要储存在高度绝缘容器内的液态氢来产生电能。因此,卫星运营商必须严重依赖低温技术来确保长时间不间断的性能。
近年来,在提高低温技术在航天器和卫星中的使用效率方面取得了进展。有了这些进步,我们很可能会看到通过增加实现更高水平的效率提升。
氦气冷却:医疗用途
氦气在医疗领域有多种应用,因为它的冷却特性使其非常适合在低温操作中使用。
这使得氦气成为治疗需要极端温度或受控环境的疾病和病症的宝贵资源。冷冻疗法在希望通过暴露于极冷温度下减少炎症和增加柔韧性来改善身体机能的个人中越来越受欢迎。该过程通常涉及使用液氮或氦氧混合气(氧气和氦气)罐,罐内充满 -156°C 的加压氧气和氦气。
使用冰点温度还有助于医生治疗各种医疗问题,包括与癌症相关的肿瘤、良性生长和牙周病。
通过将受影响的区域暴露在超低温下,医生能够安全地去除异常细胞,而不会对健康的周围组织造成损害。该技术还用于美容行业,用于紧致皮肤、减少脂肪和面部轮廓等程序。
这些治疗有许多优点。这些包括微创、更快的恢复时间和比传统手术方法更少的副作用。
此外,它们可以在门诊病人的基础上进行,与传统手术相比,它们具有成本效益。所有这些好处使得酷疗法(例如使用氦气的疗法)成为患者越来越理想的选择。
超导研究中的低温学
低温学在超导研究中起着重要作用。低温技术的使用允许在极低温度下研究和分析材料。这一点很重要,因为已经发现某些材料在冷却到远低于室温的极低温度时会变得超导。一些金属被发现只有在暴露于低温条件下时才会表现出超导特性。
通过在如此低的温度下研究这些材料,研究人员可以更精确地分析它们的行为。低温研究还可以深入了解某些物质的物理特性如何随着温度降低而变化。
低温应用有哪些优势?
低温应用能够为需要它的组件或系统提供高效冷却。
通过使用基于氦的低温冷却,研究人员能够快速冷却零件。这使它们更容易研究或操作,而无需等待数小时或数天让它们的温度自然下降。通过适当的绝缘技术,这些冷却的物体可以无限期地保持在所需的温度水平。这使它们成为需要长时间保持一致条件的实验的理想选择。
与其他类型的冷却方法相比,低温应用的另一个好处在于它们的成本效益。通过依靠液氦而不是电力或空调装置,公司可以在能源成本上节省大量资金,同时仍保持对温度水平的有效控制程度。
氦气在针对特定温度时提供比替代方法更高的准确性,因为它在准确再现所需温度方面比氮气或氩气等其他气体更可靠。
不同类型的低温系统
低温系统用于各种应用,从超导磁体到低温制冷。最常见的低温系统类型包括低温蒸馏、低温泵和低温容器。
低温蒸馏是通过蒸发分离沸点不同的组分的过程。这种类型的系统在分离其成分之前使用极冷的温度来降低被蒸馏物质的压力。
低温泵在低温下移动流体,同时通过减少由于较低流体密度引起的气蚀和蒸发损失来保持高效率水平。
低温容器专为储存大量极冷材料(如液氮或氦气)而设计。这些罐通常是隔热层,可提供最大程度的热保护,防止热量传入或传出容器内容物。
低温储存会带来挑战吗?
在极低温度下长期储存的挑战是复杂的。
在极端条件下储存材料时,必须遵守安全规程。这包括发热、压力水平和密封系统等因素。
在应对这些具有挑战性的环境时,确定合适的存储材料至关重要。由于在低温下具有耐腐蚀性,因此经常使用由不锈钢或铝制成的基板。
为了促进高效的长期存储过程,应考虑多种工程原理。这些包括绝缘技术和热循环机制,它们可以最大限度地减少整个系统的温度梯度,同时允许组件之间进行充分的热交换。应采用适当的设计技术来防止任何元件直接暴露于低温液体或气体。这有助于降低与维护和维修工作相关的成本。
使用低温气体:安全问题
在低温下使用氦气需要勤奋并了解安全预防措施。不遵守适当的协议可能会导致严重的后果。
他们包括:
处理低温液体或气体时穿合适的衣服;
熟悉所用任何化学品的相关安全数据表;
使用专为低温工作设计的设备。
使用低温材料时,还必须特别注意通风要求。如果没有适当的通风系统,危险浓度的气体会迅速在封闭空间内积聚。在使用大量低温的区域附近必须维护良好的排气系统。定期维护应包括检查所有暴露在可燃环境中的连接处是否有泄漏。
此外,在安装和操作装有制冷剂的压力容器时必须始终小心。只有根据适用的规范和标准(例如 ASME(美国机械工程师协会)发布的规范和标准)建造,才能确保压力容器的完整性。
涉及这些容器操作的所有人员都应定期接受有关安全操作程序和与之相关的潜在危险的培训。
低温系统:环境效益和危害
低温系统具有广泛的环境效益,包括在许多领域提高效率和降低能源消耗。
低温应用已被用于减小组件的尺寸和重量,同时允许它们保持其性能。冷却可以有效地应用于低温应用,例如需要低于 -60°C 的温度的超导或液化过程。通过使用低温应用,可以用更少的资源实现更高效的生产条件。
也有与低温系统相关的潜在危险。
如果在涉及危险材料的操作过程中未遵循适当的安全预防措施,则低温学涉及的极端温度会带来风险。例如,液氮极冷,与皮肤接触会导致冻伤或其他伤害。
此外,在非常低的温度下,氧气会变得足够丰富,在某些条件下会产生爆炸性气氛。因此,必须仔细监测和维护低温系统,以确保安全运行并最大程度地减少对环境的影响。
用于低温学的氦气:未来趋势
氦气是低温应用的基本元素,已用于从食品包装到医学研究的各种行业。与氦低温技术相关的供应链在过去十年中稳步增长。研究人员正在探索使用超低温安全储存组织样本和器官同时保持其完整性的方法。这可能会彻底改变移植的执行方式,并为使用储存的细胞和组织进行治疗开辟新的可能性。
氦的低温能力的其他工业用途包括改进药品或半导体的生产工艺。有了这项技术,公司可以通过减少制造过程中因热量引起的氧化来更快、更便宜地生产更高质量的产品。一些先进材料需要精确的冷却水平,而这仅存在于可通过氦基低温系统实现的极端温度下;由于全球消费者的需求不断增加,这些材料可能很快就会变得司空见惯。
