4 formas en que se pueden utilizar las aplicaciones criogénicas de helio - Almacenamiento criogénico Co., Ltd de Chengdu

El helio es un gas con propiedades que lo hacen útil para muchos propósitos diferentes, desde la refrigeración hasta la sustentación de aeronaves. Al comprender los conceptos básicos de sus principios criogénicos, podemos comprender cómo funciona este gas y sus diversos usos.

Los aspectos de la ciencia criogénica surgieron en los experimentos de Faraday y Joule a principios del siglo XIX. La criogenia implica someter materiales a temperaturas extremadamente bajas, generalmente por debajo de -150 °C.

El uso de líquidos criogénicos, como el nitrógeno líquido o el helio líquido, nos ha permitido alcanzar temperaturas extremas de forma segura sin tener que preocuparnos por los riesgos de incendio asociados con los procesos de mayor temperatura. Estas sustancias juegan un papel integral cuando se trabaja en cualquier proyecto que involucre ambientes fríos.

El helio tiene múltiples propiedades que pueden ser utilizadas en procesos criogénicos. Su punto de ebullición es más bajo que la mayoría de los otros elementos, lo que lo hace adecuado para alcanzar temperaturas muy bajas de manera rápida y eficiente.

El proceso también permanece seguro debido a su propiedad de no toxicidad. No es de extrañar que tantas industrias dependan más de los principios criogénicos y las aplicaciones del helio.

La criogenia se ocupa de la producción y el comportamiento de los materiales a temperaturas extremadamente bajas. El rango de temperatura para líquidos criogénicos como el helio se encuentra entre -271,15 °C y -196 °C. Las aplicaciones criogénicas hacen uso de propiedades como mayor resistencia, mejor conductividad eléctrica y mayor aislamiento térmico en estos entornos de baja temperatura.

Los principios detrás de la tecnología criogénica implican controlar la tasa de enfriamiento. Esto se hace utilizando los puntos de ebullición y las tasas de evaporación para lograr el rango de temperatura deseado. En algunos casos, esto implica el uso de refrigerantes mecánicos o incluso nitrógeno líquido para enfriar los materiales rápidamente a temperaturas bajo cero. Mediante la manipulación de su entorno, un material puede enfriarse por debajo de la temperatura ambiente sin cambiar su estado físico de sólido a líquido.

Sin embargo, no todos los materiales responden por igual cuando se exponen a condiciones de frío extremo. Por ejemplo, el helio sigue siendo un gas independientemente de cuánto se enfríe, mientras que el agua se convierte en hielo a 0 °C. Comprender las características únicas de cada material bajo diferentes temperaturas ayuda a los científicos a determinar qué sustancias son las más adecuadas para aplicaciones criogénicas específicas.

El helio es un elemento que tiene dos isótopos naturales, helio-3 y helio-4. El helio-4 es el más abundante de estos dos isótopos y comprende aproximadamente el 99,9% de todos los átomos de helio natural en la Tierra.

Tiene una serie de propiedades únicas que lo han hecho invaluable en aplicaciones criogénicas.

Cuando se enfría a temperaturas cercanas al cero absoluto (-273 °C), el helio líquido exhibe superfluidez, un estado en el que su viscosidad cae a cero y puede fluir sin resistencia. Esta propiedad hace posible que los objetos pequeños sumergidos en helio líquido se muevan más rápido que en condiciones normales de gravedad, lo que los hace útiles para fines de investigación científica.

Además, la baja temperatura de condensación hace que el helio sea ideal para la reducción de presión en ciertos procesos industriales, como la criogenia y la fabricación de semiconductores.

Otras características clave del helio incluyen:

El helio juega un papel importante en muchas industrias y campos, incluidos la industria aeroespacial, la generación de energía nuclear, las imágenes médicas y la producción de productos electrónicos. Comprender cómo se comportan los diferentes elementos bajo temperaturas y presiones extremas ayuda a los científicos a comprender mejor las leyes físicas fundamentales que rigen nuestro Universo. Esto nos lleva más cerca de descubrir secretos sobre la naturaleza de la materia misma.

Las temperaturas criogénicas se logran utilizando helio como agente refrigerante. Para mantener estas temperaturas extremadamente bajas, los sistemas criogénicos deben estar sellados y aislados de fuentes externas de calor. Esto les permite permanecer a temperaturas estables al mismo tiempo que permite el intercambio de energía entre diferentes componentes.

En algunos casos, como en aplicaciones médicas, también se puede usar nitrógeno líquido u otros gases criogénicos para lograr temperaturas aún más bajas que las que se pueden lograr solo con helio.

Estas temperaturas ultrabajas pueden ayudar a mejorar la precisión y la exactitud al realizar ciertos procedimientos o experimentos que requieren niveles extremos de control de temperatura. Además, permiten a los investigadores estudiar fenómenos que existen solo dentro de rangos estrechos de temperatura o presión.

El uso de sistemas de enfriamiento con helio hace posible muchas aplicaciones únicas. Por ejemplo, los instrumentos de alta precisión como los aceleradores de partículas dependen de los sistemas de refrigeración que funcionan cerca del cero absoluto para funcionar de manera adecuada y segura. De manera similar, varios tipos de contenedores de almacenamiento se basan en tecnología similar para mantener su contenido preservado durante largos períodos sin degradación ni contaminación.

Sin acceso a criogenia confiable, muchas tecnologías importantes simplemente no existirían en la actualidad.

En el extremo extremo de las temperaturas criogénicas, los materiales están sujetos a una variedad de efectos físicos.

Desde la resistencia al choque térmico y la fractura inducida por la temperatura hasta el estrés criogénico, estos materiales deben diseñarse con precisión para soportar tales condiciones.

La resistencia al choque térmico es un factor importante a la hora de diseñar cualquier dispositivo o estructura para su uso a temperaturas criogénicas. Para que el dispositivo o la estructura sobreviva sin sufrir daños por cambios bruscos de temperatura, se debe utilizar un material de aislamiento especial. El aislamiento criogénico ayuda a mantener las partes internas del dispositivo a salvo de cambios rápidos en la temperatura ambiente. Esto puede provocar grietas y otras formas de destrucción con el tiempo si no se aborda adecuadamente.

Otro efecto que ocurre debido a las bajas temperaturas es la fractura inducida por temperatura (TIF). TIF ocurre cuando ciertos tipos de metales se vuelven quebradizos a temperaturas criogénicas y experimentan una mayor susceptibilidad a fracturarse bajo tensión o presión.

El grado de fragilidad depende del tipo de metal que se utilice. Por lo tanto, es importante que los diseñadores e ingenieros sean conscientes al seleccionar los materiales apropiados para proyectos a temperaturas bajo cero.

El estrés criogénico puede ocurrir debido a la exposición prolongada a temperaturas extremadamente bajas. El crioestrés es causado por una combinación de fuerzas mecánicas y ambientes extremadamente fríos.

Esto aumenta la posibilidad de fallas estructurales si no se toman las precauciones adecuadas durante la fase de diseño. Por ejemplo, ciertas aleaciones pueden requerir un refuerzo adicional alrededor de las esquinas y los bordes donde se puede concentrar más tensión que en otras partes del objeto mismo.

El enfriamiento con helio se ha implementado en una variedad de aplicaciones industriales para mejorar la eficiencia y la seguridad.

Se usa ampliamente en la industria de la criogenia, ya que puede enfriar objetos rápidamente y mantenerlos a temperaturas ultrabajas durante largos períodos de tiempo. Los sistemas industriales de enfriamiento con helio generalmente cuentan con tecnología que permite a los usuarios ajustar con precisión la configuración de temperatura con facilidad. Esto lo hace ideal para procesos a gran escala como el almacenamiento criogénico industrial. En el almacenamiento, la uniformidad de la temperatura debe mantenerse durante períodos prolongados.

El enfriamiento industrial con helio también permite a los fabricantes reducir los costos operativos al disminuir el consumo de energía en comparación con los métodos tradicionales.

Muchas empresas han adoptado esta tecnología. Tiene la capacidad de minimizar la producción de calor durante los procesos de fabricación y reducir su impacto ambiental general. Además, cuando se combina con otros materiales o tecnologías como los superconductores, el enfriamiento con helio puede brindar beneficios de rendimiento aún mayores.

La tecnología criogénica se ha empleado en naves espaciales y satélites para permitir una operación eficiente.

La criogenia se usa en aplicaciones espaciales porque permite el almacenamiento de propelentes a una temperatura más baja y reduce su presión de vapor.

Los combustibles criogénicos también proporcionan impulsos específicos más altos que los combustibles químicos, lo que permite una mayor duración de las misiones. Los tanques de propelente criogénico pueden ser livianos, con un bajo coeficiente de expansión térmica. Esto les permite almacenar más combustible a bordo.

Las naves espaciales que emplean la criogenia tienen un tanque interior aislado que contiene hidrógeno líquido u oxígeno que se mantiene a una temperatura muy baja, entre -253 °C y -183 °C.

Para mantener esta temperatura, se instalan capas de aislamiento, como mantas de aislamiento multicapa (MLI), alrededor de las paredes del contenedor. Esto evita la pérdida de calor del ambiente exterior hacia él. Estos sistemas pueden utilizar mecanismos de enfriamiento activo como radiadores o enfriadores Joule-Thomson para un mayor control de sus temperaturas.

Los satélites hacen un amplio uso de la criogenia durante sus operaciones debido a su alta densidad de potencia en comparación con otros tipos de fuentes de combustible.

Para que sigan funcionando a lo largo de sus misiones, los satélites necesitan un suministro constante de energía eléctrica, que es proporcionada por paneles solares o generadores termoeléctricos de radioisótopos (RTG). Los RTG requieren hidrógeno líquido almacenado dentro de contenedores altamente aislados para generar energía eléctrica. Por lo tanto, los operadores de satélites deben confiar en gran medida en la tecnología criogénica para garantizar un rendimiento ininterrumpido durante largos períodos de tiempo.

En los últimos años, se han realizado avances para mejorar la eficacia con la que se utiliza la tecnología criogénica en naves espaciales y satélites.

Con estos avances, es probable que veamos niveles aún mayores de ganancias de eficiencia logradas a través de un aumento.

El helio tiene varias aplicaciones en el campo de la medicina, ya que sus propiedades refrescantes lo hacen ideal para su uso en operaciones a baja temperatura.

Esto hace que el helio sea un recurso invaluable cuando se trata de tratar enfermedades y condiciones que requieren temperaturas extremas o un ambiente controlado.

La crioterapia es cada vez más popular entre las personas que buscan mejorar su rendimiento físico mediante la reducción de la inflamación y el aumento de la flexibilidad a través de la exposición a temperaturas extremadamente frías. El proceso suele implicar el uso de tanques de nitrógeno líquido o heliox (gas oxígeno y helio) llenos de oxígeno y helio presurizados a -156 °C.

El uso de temperaturas bajo cero también ayuda a los médicos a tratar varios problemas médicos, incluidos los tumores relacionados con el cáncer, los crecimientos benignos y la enfermedad periodontal.

Al exponer el área afectada a temperaturas ultrabajas, los médicos pueden eliminar con seguridad las células anormales sin dañar el tejido circundante sano. La técnica también se utiliza en la industria cosmética para procedimientos como el estiramiento de la piel, la reducción de grasa y el contorno facial.

Hay numerosas ventajas asociadas con estos tratamientos. Estos incluyen invasividad mínima, tiempos de recuperación más rápidos y menos efectos secundarios que los métodos quirúrgicos tradicionales.

Además, se pueden realizar de forma ambulatoria, lo que las hace rentables en comparación con las cirugías convencionales. Todos estos beneficios han hecho que las terapias geniales, como las que usan helio, sean opciones cada vez más deseables para los pacientes.

La criogenia juega un papel importante en la investigación de la superconductividad. El uso de técnicas criogénicas permite el estudio y análisis de materiales a temperaturas extremadamente bajas.

Esto es importante porque se ha descubierto que ciertos materiales pueden volverse superconductores cuando se enfrían a temperaturas muy bajas, muy por debajo de la temperatura ambiente. Se ha descubierto que algunos metales exhiben propiedades superconductoras solo cuando se exponen a condiciones criogénicas.

Al estudiar estos materiales a temperaturas tan bajas, los investigadores pueden analizar su comportamiento con mayor precisión. La investigación criogénica también proporciona información sobre cómo cambian las propiedades físicas de ciertas sustancias a medida que disminuye la temperatura.

Las aplicaciones criogénicas tienen la capacidad de proporcionar un enfriamiento eficiente para los componentes o sistemas que lo requieran.

Mediante el uso de enfriamiento criogénico a base de helio, los investigadores pueden enfriar piezas y piezas rápidamente. Esto los hace más fáciles de estudiar o manipular sin tener que esperar horas o días para que su temperatura baje naturalmente.

Con las técnicas de aislamiento adecuadas, estos objetos enfriados se pueden mantener a los niveles de temperatura deseados indefinidamente. Esto los hace ideales para experimentos que necesitan condiciones constantes durante largos períodos de tiempo.

Otro beneficio de las aplicaciones criogénicas radica en su rentabilidad en comparación con otros tipos de métodos de enfriamiento. Al depender del helio líquido en lugar de la electricidad o las unidades de aire acondicionado, las empresas pueden ahorrar cantidades significativas de dinero en costos de energía mientras mantienen un grado efectivo de control sobre los niveles de temperatura.

El helio ofrece una mayor precisión cuando se trata de temperaturas específicas que los medios alternativos, ya que es más confiable que otros gases como el nitrógeno o el argón para reproducir con precisión las temperaturas deseadas.

Los sistemas criogénicos se utilizan para una variedad de aplicaciones, desde imanes superconductores hasta refrigeración criogénica. Los tipos más comunes de sistemas criogénicos incluyen destilación criogénica, bombas criogénicas y recipientes criogénicos.

La destilación criogénica es un proceso en el que los componentes con diferentes puntos de ebullición se separan por evaporación. Este tipo de sistema utiliza temperaturas extremadamente frías para reducir la presión sobre la sustancia que se destila antes de separar sus componentes.

Las bombas criogénicas mueven fluidos a bajas temperaturas mientras mantienen altos niveles de eficiencia al reducir las pérdidas por cavitación y vaporización debido a las menores densidades de fluidos.

Los recipientes criogénicos están diseñados específicamente para almacenar grandes cantidades de materiales extremadamente fríos como nitrógeno líquido o gas helio. Estos tanques suelen ser capas aisladas que brindan la máxima protección térmica contra la transferencia de calor hacia o desde el contenido del recipiente.

Los desafíos del almacenamiento a largo plazo a temperaturas muy bajas son complejos.

Al almacenar materiales en condiciones extremas, se deben tomar protocolos de seguridad. Esto incluye factores como la generación de calor, los niveles de presión y los sistemas de contención.

Identificar los materiales de almacenamiento adecuados es esencial cuando se trata de estos entornos desafiantes. Los sustratos hechos de acero inoxidable o aluminio se utilizan a menudo debido a su resistencia a la corrosión en temperaturas criogénicas.

Para facilitar procesos eficientes de almacenamiento a largo plazo, se deben considerar una multitud de principios de ingeniería. Estos incluyen técnicas de aislamiento y regímenes de ciclos térmicos, que minimizan los gradientes de temperatura en todo el sistema al tiempo que permiten un intercambio de calor adecuado entre los componentes.

Deben emplearse técnicas de diseño adecuadas para evitar que cualquier elemento quede expuesto directamente a líquidos o gases criogénicos. Esto puede ayudar a reducir los costos asociados con el trabajo de mantenimiento y reparación.

Trabajar con helio a bajas temperaturas requiere diligencia y conocimiento de las precauciones de seguridad. El incumplimiento de los protocolos adecuados puede tener graves consecuencias.

Incluyen:

Cuando se trabaja con materiales criogénicos, también se debe prestar especial atención a los requisitos de ventilación. Sin sistemas de ventilación adecuados, las concentraciones peligrosas de gas podrían acumularse rápidamente en espacios cerrados.

Es imperativo mantener los sistemas de escape en buen estado cerca de las áreas donde se utilizan grandes cantidades de productos criogénicos. El mantenimiento regular debe incluir la verificación de fugas en todas las conexiones expuestas a atmósferas combustibles.

Además, siempre se debe tener cuidado al instalar y operar recipientes a presión que contengan criógenos. La integridad del recipiente a presión solo se puede garantizar si se construye de acuerdo con los códigos y estándares aplicables, como los publicados por ASME (Sociedad Estadounidense de Ingenieros Mecánicos).

Todo el personal involucrado en operaciones que involucren estos contenedores debe recibir capacitación periódica sobre procedimientos operativos seguros y los peligros potenciales asociados con ellos.

Los sistemas criogénicos brindan una amplia gama de beneficios ambientales, incluida una mayor eficiencia y un menor consumo de energía en muchas áreas.

Las aplicaciones criogénicas se han utilizado para reducir el tamaño y el peso de los componentes al tiempo que les permiten conservar sus capacidades de rendimiento. El enfriamiento se puede aplicar de manera efectiva para aplicaciones de baja temperatura, como la superconductividad o los procesos de licuefacción que requieren temperaturas inferiores a -60 °C.

Mediante el uso de aplicaciones criogénicas, es posible lograr condiciones de producción más eficientes con menos recursos.

También existen peligros potenciales asociados con los sistemas criogénicos.

Las temperaturas extremas involucradas en la criogenia presentan riesgos si no se siguen las precauciones de seguridad adecuadas durante las operaciones que involucran materiales peligrosos. Por ejemplo, el nitrógeno líquido es extremadamente frío y el contacto con la piel puede causar congelación u otras lesiones.

Además, el oxígeno a temperaturas muy bajas puede enriquecerse lo suficiente como para crear una atmósfera explosiva bajo ciertas condiciones. Por lo tanto, es necesario monitorear y mantener cuidadosamente los sistemas criogénicos para garantizar una operación segura y minimizar cualquier impacto ambiental.

El helio es un elemento esencial para las aplicaciones criogénicas y se ha utilizado en una variedad de industrias, desde el envasado de alimentos hasta la investigación médica.

La cadena de suministro asociada con la criogenia con helio ha aumentado constantemente durante la última década. La industria alcanzó casi $ 1 mil millones en 2016, según estimaciones.

Un área donde el heliocentrismo se utilizará más ampliamente es en medicina. Los médicos han comenzado a utilizar láseres enfriados criogénicamente para realizar procedimientos quirúrgicos en pacientes con un riesgo significativamente menor que los métodos tradicionales.

Los investigadores están explorando formas en que se pueden usar temperaturas ultrabajas para almacenar de manera segura muestras de tejidos y órganos mientras se preserva su integridad. Esto podría revolucionar la forma en que se realizan los trasplantes y abrir nuevas posibilidades para los tratamientos que utilizan células y tejidos almacenados.

Otros usos industriales de las capacidades de baja temperatura del helio incluyen procesos de producción mejorados para productos farmacéuticos o semiconductores. Con esta tecnología, las empresas pueden producir productos de mayor calidad de forma más rápida y económica al reducir la oxidación causada por el calor durante el proceso de fabricación.

Algunos materiales avanzados requieren niveles de enfriamiento precisos que solo existen a temperaturas extremas alcanzables a través de sistemas criogénicos basados en helio; estos materiales pronto pueden volverse comunes debido a la creciente demanda de los consumidores en todo el mundo.

El uso del helio por sus propiedades térmicas revolucionará muchos sectores. Su capacidad para alcanzar temperaturas extremadamente bajas nos permite crear soluciones que nunca creímos posibles hace tan solo unos años.

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