Aufrechterhaltung kryogener Temperaturen mit Druckregelung
Kryogene sind Stoffe, die sich bei oder unter 120 K unter Standarddruck (760 Torr) verflüssigen. Sie werden häufig in Anwendungen eingesetzt, bei denen verflüssigte Substanzen bei extrem kalten Temperaturen aufbewahrt werden müssen, z. B. bei der Kryokonservierung, dem Raketenantrieb und der medizinischen Bildgebung.
Zwei der bekanntesten Kryogene sind flüssiger Stickstoff und Helium. Flüssiger Stickstoff wird häufig für die Kühllagerung und das Schnellgefrieren in Labors verwendet und liegt am oberen Ende des Temperaturspektrums der Kryogene. Helium zeichnet sich besonders durch seine Nähe zum absoluten Nullpunkt (0 K) aus. Er liegt normalerweise bei 3-4 K, wobei die Temperatur je nach spezifisches Isotop und die Umgebungsdrücke.
Herausforderung: Verlust von kryogenen Gasen eindämmen
Die Gleichgewichtstemperatur eines Kryogens ist stark vom Druck abhängig, wie in Abbildung 1 dargestellt. Aus diesem Grund ermöglicht eine strenge Kontrolle des absoluten Drucks eine strenge Kontrolle der absoluten Temperatur.
Bei Kryokonservierungsanwendungen müssen die Forscher den Verlust des Kryogens aufgrund von Verdampfung und Druckschwankungen verhindern. Dies ist eine Herausforderung, da der atmosphärische Druck oft um bis zu ±25 Torr schwankt.
Stellen Sie sich vor, ein Forscher verwendet einen 100-Liter-Dewar mit flüssigem Helium. Ein Druckabfall von 25 Torr führt zur Verdampfung von 0,874 Flüssiglitern und erzeugt 25 Standardkubikfuß (oder ~700 Standardliter) Heliumgas. Das ist ungefähr $25 flüssiges Helium. Über einen Zeitraum von mehreren Jahren kann sich die Heliumverdampfung schnell auf Tausende von Dollar an unnötigen Verlusten belaufen.
Abbildung 1: Interdependenz von Temperatur und Druck für gängige Kryogene.
Bei Kryokonservierungsanwendungen müssen die Forscher den Verlust des Kryogens aufgrund von Verdampfung und Druckschwankungen verhindern. Dies ist eine Herausforderung, da der atmosphärische Druck oft um bis zu ±25 Torr schwankt.
Stellen Sie sich vor, ein Forscher verwendet einen 100-Liter-Dewar mit flüssigem Helium. Ein Druckabfall von 25 Torr führt zur Verdampfung von 0,874 Flüssiglitern und erzeugt 25 Standardkubikfuß (oder ~700 Standardliter) Heliumgas. Das ist ungefähr $25 flüssiges Helium. Über einen Zeitraum von mehreren Jahren kann sich die Heliumverdampfung schnell auf Tausende von Dollar an unnötigen Verlusten belaufen.
In einem extremen Beispiel führten Druckschwankungen in den Lagertanks für Treibstoff im John F. Kennedy Space Center der NASA zum Verdampfen von 650 kg flüssigem Wasserstoff pro Tag - im Jahr 2001 wurden die Kosten auf $625.000 pro Jahr geschätzt!
Lösung: Engmaschige Regulierung des Kopfraumdrucks
Druckmess- und -regelgeräte spielen daher eine entscheidende Rolle bei der kryogenen Temperaturregelung, unter anderem:
- Überwachung von Kryogenverlusten aus geschlossenen Volumina
- Maximierung der Effizienz von Kryogenrückgewinnungssystemen
- Kontrolle des Gegendrucks in kryogenen Lagerbehältern
- Steuerung der Temperatur kryogener Experimente durch Kontrolle des absoluten Drucks
Methode 1: Aufrechterhaltung des Drucks im Kopfraum mit Gegendruckregelung
Regler für absoluten Druck kann verwendet werden, um einen konstanten absoluten Druck im Kopfraum des Dewars aufrechtzuerhalten und so einen minimalen Kryogenverlust zu gewährleisten. Wenn das Helium-Rückgewinnungssystem verwendet wird, sollte der Abluftanschluss eines Gegendruckreglers direkt an den Rückgewinnungsverteiler angeschlossen werden, anstatt ihn wie in Abbildung 2 in die Atmosphäre abzulassen. Dies ist eine einfache und kostengünstige Methode zur präzisen Regelung des Gegendrucks in kryogenen Systemen.
Abbildung 2: Gegendruckregler zur Regelung des Kopfraumdrucks in einem Kryogendewar und zur Minimierung des Heliumverlusts.
Bei dieser Technik ist die einzige Quelle für Überdruck im System das Abdampfen, das durch das Erhitzen des Kryogens entsteht. Daher hängt jeder Versuch, die absolute Temperatur des Systems durch Druckänderungen zu steuern, von der Zeit ab, die benötigt wird, um eine bestimmte Menge des Kryogens zu verdampfen (im Allgemeinen ein langsamer Prozess). Manche Leute verwenden eine Druckaufbauspule, um den Druckanstieg und die anschließende Erwärmung zu beschleunigen.
Methode 2: Aktive Kopfraumdruckkontrolle
Für eine schnellere und flexiblere Steuerung der Kryogendrücke und -temperaturen kann es besser sein, ein aktives Druckkontrollsystem für den Kopfraum zu verwenden. Der Anschluss einer Überdruckquelle für ein warmes Gas und eines Vakuumsystems an ein Doppelventil-Druckregler ermöglicht Ihnen eine höhere Geschwindigkeit und eine bessere Kontrolle des Kryogendrucks und der Temperatur.
Die in Abbildung 3 gezeigte Konfiguration ermöglicht es, das warme Gas schnell einzuführen, um den Systemdruck zu erhöhen. Dieser Effekt wird durch die erhöhte Verdampfungsrate verbessert, wenn das Kryogen seine Gleichgewichtsbedingungen verschiebt. Umgekehrt kann der Druck des Systems durch Entlüftung in die Atmosphäre oder ein Vakuum gesenkt werden. Wenn der Druck sinkt, sinkt auch die Temperatur des Kryogens.
Abbildung 3: Ein Druckregler mit zwei Ventilen zur aktiven Regelung des Drucks im Kopfraum eines Kryo-Dewars
Auf diese Weise wird die Temperatur des Kryogens schnell erhöht oder gesenkt, während Sie eine präzise Steuerung beibehalten. Da der Dampfdruck jeder Flüssigkeit eine Funktion der Temperatur ist, ist die Temperatur einer Flüssigkeit im thermischen Gleichgewicht mit ihrem gesättigten Dampf eine Funktion ihres absoluten Drucks.