مخازن کرایوژنیک یا کرایوجنیک (Cryogenic tanks) برای ذخیره سازی مایعات فوق سرد استفاده می شود. مایعات کرایوژنیک یا فوق سرد معمولاً به گازهای مایع شده در رنج دمایی از منفی 150 درجه سانتیگراد به پایین تا صفر مطلق اطلاق می شود. گازهای رایج عبارتند از: اکسیژن، آرگون، نیتروژن، هیدروژن و هلیوم. در خصوص مخازن کرایوجنیک و ساختار و ویژگی های آنها مطالب جالب و جذاب بیشتری در ادامه ی این مقاله می نویسیم، لطفا با ما بمانید.
بهتره بدانید که سه نوع از این مایعات کرایوژنیک که در صنایع گازی پرستلی تولید و در مخازن کرایوژنیک ذخیره و به سایت مشتری حمل می شوند چه دماهایی دارند: اکسیژن مایع با دمای منفی 183 درجه سانتیگراد ، آرگون مایع با دمای منفی 185 درجه سانتیگراد و نیتروژن مایع با دمای منفی 196 درجه سانتیگراد.
برای خرید اکسیژن مایع با کارشناسان پرستلی در ارتباط باشید.
علم کرایوژنیک Cryogenics چیست؟
علم کرایوژنیک (کرایوجنیک، فوق سرد) در خصوص تولید مایعات فوق سرد و رفتار مواد در دمای بسیار پایین مطالعه می کند. دمای فوق العاده سرد، خواص شیمیایی مواد را تغییر می دهد. کرایوژنیک شاخه ای از علم فیزیک است که شرایط تولیدی و تاثیراتی دمای فوق سرد را شامل می شود. در این حالت تمام تجهیزات باید قابلیت کار با این دما ها را داشته باشند.
یکی از مهمترین بخش های این علم فرایندیست که طی آن گازهای سازنده هوا از یکدیگر جدا می‌شوند. در این روش ابتدا هوای اولیه فشرده سازی می شود، وپس از تصفیه ی آن از ناخالصی ها، مخلوط هوا را تا دمای میعان سرد می کنند تا هوای مایع ایجاد شود. در مرحله بعد در یک برج تقطیر آن را به فاز تبخیر و انقباض دو باره می فرستند تا گاز های سازنده هوا بر اساس نقاط جوش شان از یکدیگر جدا شوند. این روش یکی از روش‌های متداول برای تولید انبوه نیتروژن ، اکسیژن و حتی آرگون مایع است.
مخازن کرایوژنیک چگونه کار می کنند؟
مخازن کرایوژنیک به طور خاص طراحی شده اند تا محتویات درون خود را با دمای منفی 196 درجه سانتیگراد در دمای محیط تا مثبت 50 درجه ثابت نگه دارند. این مخازن ایزوله حرارتی هستند. مایعات کرایوژنیک در مخازن معمولی قابل ذخیره کردن نمی باشند. به دلیل اینکه دمای آنها تقریباً 240 درجه سردتر از دمای محیط است، در صورتی که در مخازن معمولی ذخیره شوند ، به سرعت تبخیر و پِرت می شوند.
محتویات مخازن کرایوژنیک در یک ظرف از جنس استنلس استیل آستینیتی ذخیره می شوند که برای دماهای انجماد بهینه شده است. در اطراف این مخزن داخلی، ظرف دومی قرار دارد که از فولاد کربنی ساخته شده است. بین این دو مخزن یک لایه عایق با نام پودر پرلیت یا سنتوسل قرار داده شده که ثابت ماندن دمای داخلی را تضمین و مدت زمان بیشتر ذخیره سازی گازهای مایع شده را امکان پذیر می کند.
برای نگهداری گازهای مایع شده، از قبیل نيتروژن، اکسيژن، آرگون، هیدروژن و هليوم نیاز به تجهیزاتی است که از انتقال حرارت این قبیل مایعات فوق سرد ذخیره شده در مخازن کرایوژنیک به بیرون جلوگیری کند. برای جلوگیری از افزایش دما و در نتيجه افزایش تبخير مايعات کرايوژنيک سعي مي شود که ظروف و مخازن نگهدارنده اين مايعات با پروسه ایزوله و عایق و خلأ مجهز شوند.
ساختار مخازن کرایوجنیک چگونه است؟
مخازن کرایوژنیک به صورت دوجداره ساخته می شوند. میزان وکیوم و خلاء موجود در بین دو جداره مخازن که مانع از تاثیر گرمای محیط بر روی محتویات مخزن با دمای فوق سرد است و حفظ آن از فاکتورهای مهم در تولید و کاربری این گونه مخازن می باشد. این خلاء در راندمان کاری مخازن کرایوژنیک بسیار موثر است. هرچه خلاء ایجاد شده بالاتر باشد، میزان پرت مخزن کمتر می‌شود. منظور از پرت در مخازن کرایوژنیک، همان ضریب تبدیل مایع به گاز است.
در ساخت مخازن کرایوژنیک سعی می شود تا راه های انتقال گرما به مایعات فوق سرد را به حداقل ممکن برسانند. پس لازم است قدری علمی _ تخصصی تر به قضیه بپردازیم.
بیشتر بخوانید: ساختار مخازن مایعات کرایوجنیک
در طبیعت گرما از سه طریق انتقال پیدا می کند :
Conduction: یعنی انتقال حرارت از طریق جامدات با تماس مستقیم به صورت هدایتی
زمانی که دو جسم تفاوت دما داشته باشند و به هم متصل شوند ، گرما از جسم گرم تر به جسم سرد تر انتقال پیدا می کند، تا زمانی که دمای هر دو مساوی شوند .برای جلوگیری از این گونه انتقال گرما، مخازن کرایوژنیک را دوجداره می سازند. بین دوجداره را عایق قرار می دهند، هر دو تانک داخلی و خارجی توسط بست هایی از استنلس استیل با کمترین نقاط تماس، به هم متصل می شوند.
Convection: یعنی انتقال گرما از طریق سیالات (مایع یا گاز) با جابجایی مولکولی به صورت جابجایی یا همرفت
این امر زمانی اتفاق می افتد که یک قسمت از مایع یا گاز گرم شده و به موجب انبساط و فاصله گرفتن مولکول های آن ها و سبک شدنشان به بالا حرکت می کنند و بخشی از گاز یا مایع که سرد ، منقبض و سنگین تر هستند، جایگزین آن ها می شوند. بطوریکه این چرخه موجب گرم شدن همه آن ماده می شود.
برای جلوگیری از این طریق انتقال گرما ، هوای بین دو جداره تانک را وکیوم(تخلیه) می کنند تا مولکول های هوا باعث انتقال گرمای جداره بیرونی به مخزن داخلی نشوند و بین دو جداره را از پودر سفید رنگ پرلیت یا سنتوسل (Santocel) پر می کنند، تا این عایق و خلاء ایجاد شده، انتقال گرما را از طریق مولکول های هوا به کمترین حد ممکن برسانند.
Radiation: یعنی انتقال گرما از طریق تابش نور یا امواج الکترومغناطیسی
در این نوع انتقال گرما معمولاً هیچگونه تماسی بین منبع گرما و جسم گرم شونده وجود ندارد. انرژی گرمایی که بوسیله نور یا امواج الکترومغناطیسی منتشر می شود توسط اتم جذب شده و موجب جهش الکترون آن به سطح انرژی بالاتر می شود. مثل گرمای خورشید که هر جسمی را گرم می کند. برای مقابله با این نوع انتقال گرما ، بدنه خارجی مخازن کرایوژنیک را با استفاده از دو لایه رنگ که اولی ضد خوردگی و کروژن است و لایه دوم از رنگ اپوکسی پلی اورتان سفید که بازتابنده نور و بخشی از گرما می باشد پوشش می دهند.
تجهیزات جانبی مخازن کرایوجنیک
(وپرایزر vaporizer) مبدل حرارتی در مخازن کرایوجنیک چیست؟
وپرایزر یا مبدل حرارتی یک تجهیز مهم و کاربردی در مخازن کرایوجنیک است که کارکرد مناسب آن نقش تعیین کننده ای در استفاده بهینه از مایعات کرایوژنیک در هنگام مصرف دارد. مبدل حرارتی تجهیزی است که به کمک آن، انواع مایعات گازی مانند نیتروژن مایع، اکسیژن مایع و آرگون مایع را از حالت مایع به گاز تبدیل کند.
وپرایزرها در مخازن کرایوجنیک به هیچ عنوان هزینه جانبی برای مصرف کننده ندارند. این گونه وپرایزرها به واسطه تبادل حرارت با دمای محیط کار می کنند و به هیچ منبع انرژی جز دمای محیط نیازی ندارند. در ساخت وپرایزر، از فین های آلومینیومی دارای پره استفاده می شود. انتقال حرارت از داخل فین ها تا پره ها به صورت هدایتی (Conduction) صورت می گیرد و حد فاصل پره های وپرایزر تا محیط اطراف آن، انتقال حرارت به صورت جابجایی یا همرفت (Convection) انجام می شود.
به طور ساده می توان گفت که وجود اختلاف دما بین هوای محیط و سیال، مبنای عملکرد وپرایزر است. طی این فرایند میعانات گازی از درون لوله متصل به فین عبور داده می شود تا از حالت مایع به گاز تغییر فاز دهند. تعداد پره ها، نوع طراحی و اندازه طولی آن ها، به طور مستقیم روی عملکرد وپرایزرها تاثیرگذار هستند.
خوبه یادآوری کنیم که فشار مایعات ورودی از مخازن کرایوجنیک به وپرایزر برابر با فشار گاز خروجی از وپرایزر است . در واقع یکی از کارهایی که وپرایزر انجام می دهد یکسان نگه داشتن این فشار می باشد و تبدیل مایعات به گاز هیچ فشار مضاعفی در خروجی ایجاد نمی کند.
بیشتر بخوانید: کنترل کیفیت محصولات کرایوژنیک شامل اکسیژن و نیتروژن مایع
بازرسی مخازن کرایوژنیک
جهت حصول اطمینان از بی خطر بودن مخازن کرایوژنیک، آنها می بایست مورد ارزیابی دوره ای سالانه قرار بگیرند. این دوره اعتبارسنجی معمولا توسط یک شرکت معتبر، بر اساس استاندارد های مرجع ملی و بین المللی انجا م می گیرد. و برای هر مخزن گواهینامه وضعیت سلامت مخزن با اعتبار یکساله صادر می شود.
در بازرسی مخازن کرایوژنیک توسط بازرسان فنی این موارد مورد بازرسی قرار می‌گیرند:
- بازرسی چشمی قسمت بیرونی مخزن و تجهیزات آن؛
- بررسی عملکردی شیرهای مخزن؛
- چک سلامت کارکرد سیفتی والو ها و ادوات ایمنی؛
- آزمون‌های نشتی و لیک یابی تحت شرایط عملکردی؛
- بررسی میزان وکیوم و خلاء بین مخزن داخلی و پوشش خارجی؛
- دار بودن گواهی کالیبراسیون گیج فشار، لول‌گیجو رگلاتور توسط یک آزمایشگاه معتبر؛
نوع دیگری از بازرسی مخازن کرایوژنیک وجود دارد که توسط اپراتورهای مخزن به صورت روزانه انجام می گیرد. اپراتور مخزن با دیدن عوامل ذیل می بایست با شرکت سازنده یا بازرس مربوطه تماس حاصل نمود و مورد را گزارش دهد.
- زمانی که مخزن دچار افزایش فشار ناگهانی و پرت محصول شود؛
- زمانی که بر روی بدنه مخزن علائم یخ زدگی یا رطوبت دیده شود؛
- زمانی که در اطراف مخزن پودر پرلیت دیده شود،
- زمانی که شیرآلات مخزن دچار نشتی و لیک شده باشند؛
بازرسی و اطمینان از عدم وقوع موارد فوق وظیفه روزانه اپراتورهای اینگونه مخازن است. اگر چه این عیوب در مخازن کرایوژنیک کمتر بروز می کنند، ولی در زمان نصب بایستی این موارد به اپراتور مربوطه آموزش داده شوند.
پس از انجام بازرسی مخازن کرایوژنیک، توسط بازرسان فنی، گواهینامه سلامت با مهر تایید برجسته برای آنها صادر می شود.
چگونگی یخ زدگی در وپرایزر مخازن کرایوژنیک
وپرایزر (مبدل ایجاد فشار) به علل مختلفی ممکن است دچار یخ زدگی شود. در صورتی که گرمای لازم را جهت تبخیر مایع کرایوژنیک، از محیط دریافت نکند (همانند روزهای خیلی سرد)، تجهیز دچار یخ زدگی شده و راندمان آن به شدت کاهش می یابد. در اینجا به سه دلیل عمده یخ زدگی وپرایزر اشاره می کنیم:
- استفاده بیش از حد از وپرایزر: اگر دبی مصرفی بیش از ظرفیت طراحی آن باشد و جریان مایع کرایوژیک در داخل لوله های فین دار در مدت زمان طولانی برقرار باشد، فرصت جذب گرما از محیط توسط لوله های وپرایزر مهیا نشده و این امر منجر به یخ زدگی خواهد شد.
- وجود رطوبت بالای هوای محیط: رطوبت بالای هوای محیط نیز می تواند فرآیند یخ زدگی وپرایزر را تشدید کند.
- دمای پایین محیط: وپرایزر برای تبخیر سیال فوق سرد به جذب گرمای کافی از محیط نیاز دارد. اگر دمای هوای محیط سرد باشد، وپرایزر نمی تواند گرمای لازم را برای تبخیر سیال دریافت کند ، در نتیجه یخ زدگی در سطح پره های وپرایزر اتفاق خواهد افتاد. همانطور که می دانید، این یخ زدگی همانند عایق عمل می کند و مانع تبادل دما بین لوله ها و هوای محیط می باشد.
برای برطرف کردن یخ زدگی بهتر است مشکل دستگاه را به صورت ریشه‌ای برطرف نماییم. هرگونه لیک و ریزش مایع کرایوژنیک می تواند باعث یخ زدگی باشد که می بایست هر چه زودتر نسبت به رفع آن اقدام شود. نهایتاً برای برطرف کردن موردی یخ زدگی تبخیر کننده، شستشو با آب ولرم ( و نه آب داغ) توصیه می شود.
نویسنده: محمد صادق بلالیان
کارشناس کرایوژنیک
بدون دیدگاه