Raffreddamento criogenico
Il raffreddamento criogenico utilizza temperature estremamente basse, solitamente mediante l'impiego di azoto liquido (−196 °C). Nell'ingegneria meccanica viene utilizzato quando i pezzi metallici devono essere assemblati in un composto pressato rimovibile. In questo modo è possibile unire o separare senza tolleranze i collegamenti albero-mozzo o i collegamenti a innesto di precisione. Questa tecnica viene utilizzata anche per il montaggio di componenti di macchine utensili.
Il raffreddamento criogenico svolge un ruolo importante anche nell'ingegneria dei processi.
- Viene utilizzato quando le particelle di una miscela di polveri sono state rivestite con grasso liquido. Nella fase successiva, la polvere viene raffreddata criogenicamente nel miscelatore, rendendola nuovamente scorrevole.
- Il raffreddamento criogenico viene utilizzato anche quando polveri, sospensioni o paste devono essere lavorate a temperature molto basse. I principi attivi farmaceutici, i prodotti di fermentazione biotecnologica o le materie prime alimentari vengono talvolta congelati rapidamente per preservarne la struttura e l'attività. La “polvere/granulato” criogenico risultante può poi essere miscelato, pressato o sottoposto a liofilizzazione.
In entrambi i casi è vantaggioso utilizzare la tecnologia di miscelazione amixon®. Grazie alla miscelazione delicata, l'apporto di energia è minimo.
Affinché un tale processo di miscelazione a bassa temperatura sia riproducibile, anche le parti del miscelatore a contatto con il prodotto devono essere pre-raffreddate in modo adeguato. Il raffreddamento avviene tipicamente spruzzando azoto liquido nella camera di miscelazione. L'azoto evapora istantaneamente e sottrae grandi quantità di calore all'apparecchiatura. In questo modo si raggiunge in breve tempo la temperatura di processo desiderata.
Per motivi di efficienza energetica e risparmio sui costi, è fondamentale un isolamento di alta qualità del miscelatore/reattore. Gli apparecchi di processo amixon® sono progettati per eseguire processi di trattamento a bassa temperatura in modo affidabile, delicato ed economico. Hanno una lunga durata. Le dimensioni tipiche dei lotti sono comprese tra 200 e 3000 litri, a seconda del prodotto e del settore.
Calcolo approssimativo della quantità di azoto liquido necessaria per raffreddare 1 kg di acciaio inossidabile (1.4404) da +20 a -60 °C:
La capacità termica specifica dell'acciaio inossidabile 1.4404 è di circa 0,5 kJ/kg·K. Possiamo calcolare l'energia Q necessaria per raffreddare la lastra:
Q = m × c × ΔT
dove:
- Q è l'energia necessaria,
- m è la massa della piastra (1 kg),
- c è la capacità termica specifica (0,5 kJ/kg·K),
- ΔT è la differenza di temperatura (+20 °C a -60 °C, ovvero 80 K).
Q = 1 kg × 0,5 kJ/kg·K × 80 K = 40 kJ
Ora dobbiamo calcolare la quantità di azoto liquido necessaria per assorbire questa energia. Il calore latente dell'azoto liquido è di circa 199 kJ/kg.
La massa di azoto liquido necessaria può essere calcolata come segue:
m = Q / L
dove:
- m è la massa dell'azoto liquido,
- Q è l'energia necessaria (40 kJ),
- L è il calore latente dell'azoto liquido (199 kJ/kg).
In condizioni ideali, la quantità di azoto liquido necessaria è:
m = 40 kJ / 199 kJ/kg ≈ 0,201 kg
Questo valore è solo approssimativo, poiché non tiene conto delle perdite e di altri fattori che potrebbero influenzare il processo. Inoltre, questo calcolo presuppone che l'azoto evapori completamente e assorba tutto il calore latente senza che l'azoto gassoso si riscaldi ulteriormente.