کرایوجنیک و کرایوکولرها
کرایوجنیک و کرایوکولرها
علم کرایوجنیک در ارتباط با تولید و به کارگیری حداقل دماهایی است که در روی زمین و در فضای نزدیک زمین در شرایط طبیعی نمی تواند به وجود آید. فناوری کرایوجنیک برای نخستین بار به منظور مایع کردن هوا توسط یک دانشمند لهستانی در سال 1883 به جهان معرفی گردید. این ابداع زمینه نوینی از کاربرد سیستم های جدید از قبیل ابر رساناها را فراهم آورد. کرایوکولر به طور کلی به دستگاه های سرماساز کاملی اطلاق می گردد که توانایی رسیدن به دماهای زیر 120 درجه کلوین را با ظرفیت سرمایش در گستره ی 10 به توان منفی 3 تا 10 به توان 3 وات در یک پریود زمانی مشخص دارا می باشند. در اواسط قرن بیستم تقاضا جهت رسیدن به دماهای کرایوجنیک به منظور استفاده در گستره ی وسیعی از کاربردها افزایش یافت . در ابتدا اکثر این کاربردها به منظور مایع سازی هوا و گازهای طبیعی در سیستم های بسیار بزرگ گسترش یافته بود. تا اینکه نیاز به استفاده از کرایوجنیک های کوچک برای کاربردهای دیگر احساس شد. این نیازها انگیزه اصلی تحقیق در مورد کرایوکولرها در چهل سال گذشته و پس از آن بوده است.
اهمیت علم کرایوجنیک
1. مصرف گازهای مختلف صنعتی مانند اکسیژن, نیتروژن, متان(گاز طبیعی), آرگون, هیدروژن, نئون, کریتپون و سایر گازها در بسیاری از زمینه های صنعتیی مانند متالوژی , شیمی, مهندسی برق, مهندسی انرژی هسته ای, هواپیمایی, صنایع هوا و فضا, کشاورزی, داروسازی, فرآیند تغذیه و غیره به طرز چشمگیری در حال رشد است. این گازها هم به صورت مایع و هم به صورت گاز مورد استفاده قرار می گیرند و دارای نقطه جوش پایینی در محدوده دماهای کرایوجنیکی هستند. بنابراین تولید , حمل و نقل و ذخیره سازی آنها کاملا به علم کرایوجنیک وابسته است و در حقیقت بخش بزرگی از این علم را تشکیل می دهد.
2. در دماهای پایین مقاومت الکتریکی کاهش می یابد و برخی از مواد در این دماها از خود ویژگی های ابررسانایی و ابر سیالی نشان می دهند.
3. کم کردن دما منجر به کاهش آنتروپی و در نتیجه کاهش اختلالات داخلی می شود. لذا استفاده ی عملی از این پدیده می تواند در کنترل از راه دور ارتباطات رادیویی , فناوری های لیزر و مادون قرمز بسیار مفید باشد.
مشکلات روش های سرماسازی کرایوجنیک
تمامی روش های سرماسازی کرایوجنیک دارای مشکلاتی هستند که عاملی بازدارنده در بسیاری از کاربردها (مخصوصا ابررساناها) محسوب می شوند. در ادامه به برخی از این مشکلات اشاره شده است:
ü قابلیت اعتماد
ü راندمان
ü سایز و وزن
ü لرزش
ü اختلالات مغناطیسی
ü عدم جذب رطوبت
ü قیمت
تا هنگامی که هدف این گونه سرماسازها تولید سرما در دماهای بسیار پایین با راندمان بالا باشد عملکرد آنها یکی از موارد مهمی است که می بایست مورد مطالعه قرار گیرد. توان ورودی , ظرفیت سرماسازی و دمای کاری نیز از پارامترهای مهم به شمار می آیند. همزمان با افزایش کاربرد این کونه از سرماسازها, ضروریاتی که می بایست در آنها لحاظ گردد نیز افزایش می یابد. برای مثال در صنایع فضایی قابلیت اعتماد , طول عمر بالا, وزن کم و راندمان بالا از نکات مهمی است که می بایست رعایت گردد زیرا امروزه یک ماموریت فضایی حداقل بین 3 تا 10 سال طول می کشد. از این رو بررسی و تحقیق جهت بهبود عملکرد این نوع از سرماسازها همچنان ذهن دانشمندان این عرصه را به خود مشغول کرده و در حال حاضر تحقیقات بر روی آن , مسئله ی روز این دانشمندان است.
انواع کرایوکولرها
روش های مختلفی جهت رسیدن به دماهای کرایوجنیک وجود دارد که این روشها به طور کلی به دو دسته سیکل های گازی جریان پایدار و جریانی نوسانی تقسیم می گردند. سیستم های سرمایشی با جریان پایدار شامل ژول- تامسون , برایتون و سیکل کلود و سیستم های بازیابی یا جریان نوسانی شامل سیکل های استرلینگ, گیفورد- مک ماهان و لوله ضربانی است. هر کرایوکولری که با سیال گازی کار می کند به سه قسمت ضروری نیازمند است: انتهای گرم, منطقه تبادل حرارت و انتهای سرد. انتهای گرم معمولا شامل یک کمپرسور جهت انجام تراکم می باشد. سرمایش در انتهای سرد رخ می دهد که معمولا شامل یک وسیله انبساطی از قبیل شیر فشار شکن, منبسط کننده, جابه جا شونده, لوله ضربانی و یا تشدید کننده ی آکوستیک می باشد.
کرایوکولرهای Recuperative
این سرماسازها تنها از یک مبدل حرارتی Recuperative استفاده می کنند و مبرد در سیستم دارای یک جریان پایدار است. کمپرسور با یک ورودی فشار ثابت کار می کند. چنانچه کمپرسور از نوع رفت و برگشتی باشد به منظور تولید یک جریان پایدار می بایست از شیرهای ورودی و خروجی استفاده گردد. البته کمپرسورهای گریز از مرکز و دوار نیازی به داشتن شیرهای ورودی و خروجی برای فراهم کردن جریان پایدار ندارند.
کرایوکولر ژول –تامسون (JT)
بسیار شبیه به سرماسازهای تراکمی بخار است با این تفاوت که تقریبا در اکثر سرماسازهای تراکمی مبدل حرارتی اصلی به دلیل آن که گستردگی دما بسیار پایین است وجود ندارد. در سرماسازهای سیکل تراکمی , تراکم در دمایی پایین تر از نقطه ی بحرانی مبرد رخ می دهد و در نتیجه میعان در دمای اتاق در افترکولر اتفاق می افتد. انبساط مایع در لوله , اریفیس و شیرها تقریبا کارآمد است و افت دمای مناسبی را فراهم می آورد. اکثر سرماسازهای ژول – تامسون اولیه از سیال خالص به عنوان سیال عامل استفاده می کنند. به عنوان مثال از نیتروژن جهت رسیدن به دمای 77 درجه کلوین ( نقطه جوش طبیعی نیتروژن) استفاده می گردد. فرآیند تراکم در دمای اتاق در دمایی بالاتر از دمای بحرانی نیتروژن (126 درجه کلوین) اتفاق می افتد . در این شرایط افت دمای حاصل شده حتی در فشارهای بالا تا بیست مگا پاسکال تنها در حدود 25 درجه کلوین می باشد. بنابراین رای رسیدن به دماهای کرایوجنیکی به یک مبدل حرارتی Recuperative با بازده بالا نیاز است. البته اخیرا در اکثر سرماسازهای ژول – تامسون به جای استفاده از گاز خالص ] از نخلوطی از گازها از قبیل نیتروژن , متان] اتان و پروپان به منظور بهبود راندمان و کاهش فشار لازم در سیستم استفاده می گردد. با وجود این انبساط بازگشت ناپذیر سیال در شیر دارای راندمان کمتری در مقایسه با انبساط بازگشت پذیر در موتورها معایب کرایوکولر ژول – تامسون را به صورت زیر بیان نمود: کرایوکولرJT ذاتا بازگشت ناپذیر است و بنابراین نمی تواند سرمایشی با راندمان بالا در مقایسه با سرماسازهای دیگر که از سیال خالص از قبیا نیتروژن یا هلیوم به عنوان مبرد استفاده می نمایند به خصوص در دماهای بالاتر از 70 درجه کلوین انجام دهد. یک کرایوکولر JT معمولی با توان سرمایشی 2 وات در دمای 77 درجه کلوین نیاز به یک کمپرسور با توان ورودی 400 وات دارد که این تقریبا دارای راندمانی برابر 5/1 درصد سیکل کارنو می باشد . لذا به منظور رسیدن به یک سرمایش مطلوب می بایست اختلاف فشار زیادی توسط کمپرسور ایجاد گردد. اکثر سرماسازهای ژول – تامسون با سیال عامل خالص نیازمند فشار بالای 20 مگاپاسکال هستند. در کمپرسورهای با روانکار روغن به منظور جلوگیری از آلودگی روغن در مسیر فشار بالا نیاز به جداسازی روغن در فشار گاز بالا است. به هر حال حتی با وجود جداساز روغن , خفگی ناشی از آلودگی ممکن است در جایی که مسیر جریان باریک است , اتفاق بیافتد که این امر شدیدا سبب کاهش اعتماد به دستگاه می گردد. اگرچه ممکن است این سیکل با استفاده از مخلوطی از چند گاز دارای راندمانی بهتر باشد, ولی استفاده از مخلوط گازی منجر به بروز دو مشکل می گردد :
1. به دلیل گرفتگی در قسمت سرد در دمای پایین فاز جامد تشکیل می شود
2. ترکیب مخلوط تشکیل شده ی محلی می تواند با انتقال سیال دو فازی از کمپرسور به قسمت سرد تغییر کند.
به منظور اجتناب از این اشکال به مبدل حرارتی ویژه مانند مدل هامپسون نیاز است که دارای قیمت بالایی می باشد. در کنار قابلیت اعتماد پایین این سیستم, هزینه ی بالای تهیه ی اتصالات فشار بالا از معایب ایم سیستم است. در کرایوکولر برایتون , شیر JT با یک منبسط کننده جایگزین شده است که سبب افزایش راندمان می گردد اما در مقابل , پیچیدگی و هزینه ی ساخت کرایوکولر را افزایش و قابلیت اعتماد به سیستم را کاهش می دهد.. سیکل کلود ترکیبی از سیکل های برایتون و ژول – تامسون می باشد. در ابتدا این سیکل به منظور تولید گاز مایع در مواردی که ممکن است مایع به توربین های انبساط صدمه بزند استفاده می گردید. در کل استفاده از شیرها در کمپرسور و همچنین نسبت فشار بالا در سرماسازهای Recuperative سبب ایجاد محدودیت در پروسه ی تراکم ب حدود 50 درصد و به دنبال آن محدودیت در راندمان کل سیستم می گردد که این از معایب این نوع سرماسازها است.
کرایوکولرهای Regenerative (بازیابی)
کرایوکولرهای بازیابی با استفاده از حداقل یک مبدل حرارتی بازیابی , یا بازیاب, به همراه یک جریان و فشار نوسانی کار می کنند. آنها نظیر یک سیستم الکتریکی AC می باشند در حالی که کرایوکولرهای Recuperative همانند یک سیستم الکتریکی DC عمل می کنند. در کرایوکولرهای بازیابی فشار متناظر با ولتاژ و جریان جرمی یا حجمی متناظر با جریان در یک سیستم الکتریکی است. در نیم سیکل اول گاز داغ وارد بازیاب می شود و گرما از آن گرفته شده و به محیط متخلخل داده می شود. در نیم سیکل دوم گاز سرد در خلاف جهت ابتدایی در نیم سیکل اول وارد بازیاب شده و حرارت را از محیط متخلخل داخل بازیاب گرفته و دمای این محیط به دمای اولیه خود بازمی گردد. در حالت تعادل یک سر بازیاب در دمای اتاق د انتهای دیگر آن در دمای سرد است. یک سطح تبادل حرارت با استفاده از صفحات متخلخل و یا گوی های متراکم ایجاد نمود.
سرماساز استرلینگ
سیکل استرلینگ در سال 1815 توسط رابرت استرلینگ ابداع شد. در سال 1834 جان هرشل استفاده از این سیکل را جهت تولید یخ پیشنهاد نمود. سپس در اسل 1861 الکساندر کرک استفاده از هوا را به عنوان سیال عامل در این سیستم مطرح نمود. در سال 1964 شرکت فیلیپس در هلند با استفاده از یک موتور که با سیکل معکوس استرلینگ کار میکرد توانست هوا را در قسمت سرد سیستم مایع کند. این موتور از گاز هلیوم به عنوان سیال عامل استفاده می نمود. تحقیقات بر روی سیکل استرلینگ در ابتدا جهت مایع سازی هوا آغاز گردید و حدود 10 سال بعد به عنوان کرایوکولر جهت خنک کاری سنسورهای مادون قرمز تا دمای 80 درجه کلوین ادامه یافت. به دلیل قذمت زیاد سیکل استرلینگ آن را به عنوان پدر سیکل های بازیابی می شناسند. سرماسازهای گیفورد – مک ماهان (GM) و لوله ضربانی مدل هایی از سرماساز استرلینگ می باشند . جهت درک بهتز از سرماساز لوله ضربانی بهتر است ابتدا سرماساز استرلینگ مورد مطالعه قرار دهیم.
در نوع استرلینگ کمپرسور فاقد شیرهای کنترلی می باشد و فشار نوسانی توسط یک سیلندر پیستون و یا یک دیافراگم نوسانی تولید می شود. دامنه ی فشار نوسانی تقریبا بین 10 تا 30 درصد فشار میانگین در سیستم است. به منظور طراحی یک سیستم با اندازه های کوچک وتوان بالا فشار معمولا بین 1 تا 3 مگاپاسکال (10 تا 30 بار) و فرکانس کاری بین 20 تا 60 هرتز است. معمولا در سرماسازهای بازیابی از هلیوم به دلیل دارا بودن خواص گاز ایده آل و همچنین هدایت حرارتی بالا به عنوان سیال کاری استفاده می گردد.
باید توجه داشت که نوسان فشار در سیستم به تنهایی نمی تواند سرمایش تولید کند. یک قطعه ی متحرک ثانویه به منظور جداسازی فرآیند گرمایش و سرمایش با ایجاد حرکت گاز با یک اختلاف فاز مناسب با نوسانات فشار مورد استفاده قرار می گیرد. هنگامی که قطعه متحرک (displacer) به سمت پایین حرکت می کند گاز هلیوم از مسیر بازیاب به سمت قسمت گرم سیستم حرکت می کند. سپس پیستون در کمپرسور گاز را متراکم می کند و گرمای ناشی از تراکم توسط مبدل حرارتی گرفته می شود سپس displacer به سمت بالا حرکت کرده و گاز را از طریق بازیاب به انهتای سرد سیستم هدایت می کند. در این زمان پیستون گاز را در انتها ی سرد منبسط می کند و قبل از این که displacer گاز را از طریق بازیاب به قسمت گرم بفرستد گاز سرد شده حرارت را از سیستم جذب می کند. درداخل سیستم یک اختلاف فشار کوچک توسط جا به جایی displacer (صرفا به منظور غلبه بر افت فشار در بازیاب) و یک اختلاف دمای قابل ملاحضه ایجاد می گردد.
در عمل حرکت پیستون و displacer تقریبا همیشه به صورت سینوسی (sin) است. یک اختلاف فاز مناسب زمانی حاصل می گردد که تغییرات حجم در قسمت انبساط سرد سبب تغییرات حجم در تراکم گرم با حدود 90 درجه صورت پذیرد. در این شرایط جریان جرمی یا حجمی در بازیاب با فشار به طور تقریبی هم فاز می باشند. بدون displacer اختلاف فازی در حدود 90 درجه بین جریان جرم و فشار ایجاد خواهد شد که در این صورت هیچ گونه سرمایشی نخواهیم داشت. در یک سیستم ایده آل با تراکم و انبساط دما ثابت و یک بازیاب ایده آل کلیه فرآیند ها بازگشت پذیر خواهند بود.
سرماساز گیفورد –مک ماهان
به دلیل وجود فشار نوسانی در تمام سیستم در سرماساز استرلینگ به منظور برقراری یک دامنه ی فشار بالا برای یک حجم جاروب شده ی مشخص پیستون, حجم های مازاد بی اثر در سیستم می بایست به حداقل برسد. بنابراین کلیه ی سیستم های روغن کاری می بایست حذف شوند و این به معنای کار پیستون و displacer بدون هرگونه روغن کاری می باشد. در نتیجه دستیابی به یک طول عمر بالا بسیار مشکل می شود. در اواسط دهه ی 1960 گیفورد و مک ماهان نشان دادند که برای رفع این مشکل می توان فشار نوسانی در سیستم را با استفاده از یک شیر روتاری که جریان را بین یک خط فشار بالا و فشار پایین سوئیچ می کند ایجاد کرد. انبساط بازگشت ناپذیر در شیرها سبب کاهش راندمان سیستم می گردد اما در حذف نمودن کمپرسور فاقد روغن کاری و افزایش عمر مفید دستگاه , مقرون به صرفه است. این سیستم با فرکانسی بین 1 تا 2 هرتز کار می کند. سر سرد را می توان با استفاده از خطوط فشار قوی و انعطاف پذیر به کمپرسور وصل نمود . امروزه بیش از 30000 عدد از سرماساز گیفورد – مک ماهان در سال برای استفاده کرایوپمپ ها ساخته می شود.
سرماساز لوله ضربانی
یک نمونه از کرایوکولرها سرماساز لوله ضربانی است که برای نخستین بار در سال 1964 توسط پروفسور گیفورد و شاگردش به جهان معرفی گردید. این سرماساز به دلیل پایین بودن راندمان , تا اواسط دهه 1980 در محافل دانشگاهی و تحقیقاتی باقی ماند. این نوع از سرماساز برخلاف سرماسازهای دیگر مانند استرلینگ یا گیفورد – مک ماهان هیچ قطعه متحرکی در قسمت سرد ندارد.این مزیت سبب حل برخی از مشکلات کرایوکولرها ازقبیل لرزش و قابلیت اعتماد به سیستم در بسیاری از کاربردهای متفاوت گردیده است. از مریت های این سرماساز می توان لرزش کم, قابلیت اعتماد بالا, عمر زیاد و قیمت کم را نام برد .به منظور درک صحیح رفتار ترمودینامیکی این سرماساز شناخت ترمودینامیک نوسانی و یا ترموآکوستیک جهت توصیف فرآیندهای مربوط به جریان نوسانی در سرماساز ضروری است. همزمان با درک بهتر اساس سرمایش این سرماساز , اصلاح و بهبود در طراحی این سرماساز به منظور افزایش راندمان آن نیز صورت پذیرفت. این سرماساز امروز بهترین عملکرد در بین سرماسازها در اندازه های کوچک می باشد که به همین دلیل جهت خنک کاری در سنسورهای مادون قرمز در بسیاری از ماموریت های فضایی بکار می رود. اکثر پیشرفت ها در بهبود عملکرد سرماساز لوله ضربانی توسط NASA و صنایع نظامی ایالات متحده صورت پذیرفته و توانسته اند این تکنولوژی جدید را به صورت تجاری به دنیا عرضه کنند تا در بسیاری از کاربردهای تجاری امروزه مورد استفاده قرار گیرد.
کاربردها
رسیدن به دمایی کمتر از 10 درجه کلوین به عنوان نیازی اجتناب ناپذیر در قرن بیستم مطرح گردیده و ذهن پژوهشگران را به خود مشغول نموده است. تولید اکسیژن مایع برای سوخت فضاپیماها و در کاربردهای پزشکی , تولید گاز مایع, خنک کردن سنسورهای مادون قرمز در کاربردهای متعدد و خنک سازی در نیمه هادی ها و فوق هادی ها, عوامل اصلی ایجاد این ضرورت بوده اند. مهمترین موارد استفاده ی سرماسازهای لوله ضربانی خنک کردن سنسورهای حساس مانند ردیاب های مادون قرمز موشک ها, هواپیماهای جنگی , تانک, دوربین های دید در شب و ابر رساناها می باشد.در سال های اخیر سرماسازهای لوله ضربانی توانسته اند به دماهای بسیار پایینی دست یابند که این امر سبب گسترش کاربرد آنها در مدل های مختلف مگنت های ابر رسانا شده است. بر اساس آمار اعلام شده تا کنون بیش از 140000 از این سرماساز در ایالات متحده برای کاربردهای نظامی ساخته شده است. همچنین در 10 سال گذشته نزدیک به 20000 عدد از آن جهت استفاده در صنایع نیمه هادی ساخته شده است. سرماسازهای لوله ضربانی بزرگ نیز جهت مایع سازی گاز طبیعی به منظور استفاده در خودروهای گازسوز به کار می روند. پیش بینی می گردد نسل جدید این سیستم سرماساز دما پایین در مقیاس کوچک به عنوان بهترین گزینه برای سرماسازهای صنعتی مطرح گردد و نقش بزرگی در صنایع فئق ایفا نماید.در زیر کاربردهای متداول کرایوکولرها نشان داده شده است . با بهبود عملکرد این نوع از سرماسازها دامنه کاربرد انها نیز به طور گسترده ای افزایش خواهد یافت.
نظامی
1. سنسورهای مادون قرمز برای هدایت موشک
2. سنسورهای مادون قرمز در ماهواره ها
پلیسی و امنیتی
1. سنسورهای مادون قرمز برای دوربین های دید در شب و امدادی
محیط زیست
1. سنسورهای مادون قرمز برای مطالعه ی لایه اوزون و اثر گلخانه ای
2. سنسورهای مادون قرمز برای بررسی آلودگی هوا
تجاری
1. کرایوپمپها برای ساخت نیمه رساناها
2. ابررساناهای دما بالا برای ایستگاه های تلفن همراه
3. نیمه رساناها برای کامپیوترهای سرعت بالا
4. سنوسرهای مادون قرمز برای پایش فرآیندها
5. ابررساناها با ولتاژ استاندارد
پزشکی
1. خنک کاری مگنت های ابر رسناها در دستگاه MRI
2. استفاده در مگنت های SQUID در بررسی وضیعت قلب و مغز انسان
3. مایع سازی اکسیژن برای مصارف بیمارستانی و خانگی
انرژی
1. سنسورهای مادون قرمز جهت اندازه گیری تلفات حرارتی LNG
کشاورزی و بیولوژی
1. ذخیره سازی سلول های بیولوژیکی و نمونه های آزمایشگاهی
حمل و نقل
1. LNG برای وسایل نقلیه گاز سوز
2. مگنت های ابر رسانا برای قطار های برقی
در اين مجموعه سعی شده با جمع آوری مطالبي از رشته هاي مختلف فني، كمكي براي مطالعه و تحقيق عزيزان محقق و دانشجو شده باشد.