Warunki kriogeniczne

Temperatury kriogeniczne to te poniżej –150°C. W takich warunkach przechowuje się m.in. ciekły azot, tlen, hel, wodór i skroplony gaz ziemny, wykorzystywane w różnych branżach, od energetyki po medycynę. Sprzęt do ich transportu i przechowywania musi spełniać specjalne wymagania.

Kluczowy jest wybór materiałów wykonania. Powinny się charakteryzować: małą przewodnością cieplną, by ograniczyć przepływy ciepła i tym samym straty energii, małą rozszerzalnością cieplną, by uniknąć pęknięć i deformacji na skutek cykli termicznych, dużą wytrzymałością na obciążenia mechaniczne i ciśnienie, plastycznością ułatwiającą obróbkę, dużą twardością i dużą odpornością na korozję, by zapobiec wyciekom.

Popularne materiały w sprzęcie kriogenicznym to: stal nierdzewna, aluminium, stopy niklu. Pierwsza ma wymaganą wytrzymałość, ciągliwość, twardość, odporność na korozję i małą przewodność termiczną. Z drugiej strony cechuje ją duża rozszerzalność cieplna. Aluminium ma małą przewodność cieplną, małą rozszerzalność cieplną, dużą wytrzymałość i dużą odporność na korozję, ale niestety małą ciągliwość i twardość. Stopy niklu natomiast w niskich temperaturach mają dużą wytrzymałość, ciągliwość, twardość oraz odporność na korozję. Są jednak drogie i trudne do spawania.

Przykładowe zastosowania

Na przykład w kolumnach do destylacji kriogenicznej ze stali nierdzewnej wykonuje się płaszcz i tace ze względu na dobrą wytrzymałość, ciągliwość i odporność na korozję tego materiału. W rurach preferowane jest aluminium, bo ma małą przewodność cieplną i małą rozszerzalność termiczną.

W kriogenicznych zbiornikach ze stopów niklu wykonuje się płaszcz i zawory ze względu na dużą wytrzymałość, twardość i odporność na korozję, jaka je cechuje. Materiały polimerowe są używane do wykonania izolacji i wykładzin ze względu na ich małą przewodność cieplną i dużą elastyczność.

Z kolei w pompach kriogenicznych obudowy i wirniki są aluminiowe, gdyż materiał ten ma małą przewodność cieplną, małą rozszerzalność cieplną, dużą wytrzymałość i dużą odporność na korozję. Wały i łożyska wykonuje się ze stali nierdzewnej, bo ma dużą ciągliwość i wytrzymałość.

Izolacja kriogeniczna

Skuteczna izolacja ogranicza zużycie energii potrzebnej do utrzymania niskiej temperatury. Ponadto przy wzroście temperatury płyny kriogeniczne szybko się rozszerzają i stają się lotne. Dzięki skutecznej izolacji pozostają stabilne, nie zagrażając bezpieczeństwu obsługi. Utrzymywanie temperatur kriogenicznych jest niezbędne dla zachowania jakości produktów m.in. w farmacji i produkcji żywności. Bez odpowiedniej izolacji zmiany temperatury mogą także prowadzić do uszkodzeń sprzętu i zbiorników z tego typu substancjami przez ich rozszczelnienie.

Wiele materiałów jest używanych jako izolacja kriogeniczna. Przykład to perlit, naturalny minerał charakteryzujący się małą przewodnością cieplną i lekkością. Izolacja perlitowa jest często stosowana w zbiornikach i rurociągach z LNG.

Kriogeniczne zbiorniki i kontenery transportowe często izoluje się z wykorzystaniem pianki poliuretanowej. W pojazdach kosmicznych, instrumentach naukowych i zbiornikach wykorzystuje się też izolację próżniową, polegającą na wytworzeniu próżni między kilkoma warstwami metalizowanego materiału o właściwościach refleksyjnych.

Włókno szklane jest używane, jeśli jednocześnie wymagana jest ochrona mechaniczna. Wyróżniające się lekkością, silnie porowate aerożele stosowane są w specjalistycznych zastosowaniach kriogenicznych m.in. w lotnictwie i laboratoriach badawczych.