Chłodzenie kriogeniczne
Chłodzenie kriogeniczne wykorzystuje ekstremalnie niskie temperatury, najczęściej poprzez zastosowanie ciekłego azotu (−196 °C). W budowie maszyn stosuje się je, gdy metalowe elementy mają być połączone w rozłączalny zespół prasowany. W ten sposób można łączyć lub rozłączać połączenia wału z piastą lub precyzyjne połączenia wtykowe bez tolerancji. Technika ta jest również stosowana podczas montażu elementów obrabiarek.
Chłodzenie kriogeniczne odgrywa również ważną rolę w inżynierii procesowej.
- Zastosowanie znajduje się w przypadku, gdy cząsteczki mieszanki proszkowej zostały pokryte płynnym tłuszczem. W następnym kroku proszek jest chłodzony kriogenicznie w mieszalniku, dzięki czemu ponownie staje się sypki.
- Chłodzenie kriogeniczne jest również stosowane, gdy proszki, zawiesiny lub pasty muszą być przetwarzane w stanie głęboko schłodzonym. Substancje czynne farmaceutyczne, produkty fermentacji biotechnologicznej lub surowce spożywcze są czasami zamrażane w celu zachowania ich struktury i aktywności. Powstały w ten sposób głęboko schłodzony „proszek/granulat” może być następnie mieszany, prasowany lub poddawany liofilizacji.
W obu przypadkach korzystne jest zastosowanie technologii mieszania amixon®. Dzięki delikatnemu mieszaniu zużycie energii jest minimalne.
Aby taki proces mieszania w stanie głęboko schłodzonym przebiegał w sposób powtarzalny, części mieszalnika mające kontakt z produktem muszą być odpowiednio schłodzone. Chłodzenie odbywa się zazwyczaj poprzez wtryskiwanie ciekłego azotu do komory mieszania. Azot natychmiast odparowuje, odbierając urządzeniu duże ilości ciepła. W ten sposób w krótkim czasie osiągana jest pożądana temperatura procesu.
Ze względu na efektywność energetyczną i oszczędność kosztów decydujące znaczenie ma wysokiej jakości izolacja mieszalnika/reaktora. Urządzenia procesowe amixon® są skonstruowane w taki sposób, aby niezawodnie, delikatnie i ekonomicznie przeprowadzać procesy przetwarzania w niskich temperaturach. Charakteryzują się długą żywotnością. Typowe wielkości partii wynoszą od 200 do 3000 litrów, w zależności od produktu i branży.
Przybliżone obliczenie ilości ciekłego azotu potrzebnego do schłodzenia 1 kg stali nierdzewnej (1.4404) z +20 do -60°C:
Ciepło właściwe stali nierdzewnej 1.4404 wynosi około 0,5 kJ/kg·K. Możemy obliczyć energię Q potrzebną do schłodzenia płyty:
Q = m × c × ΔT
gdzie:
- Q to energia potrzebna,
- m to masa płyty (1 kg),
- c to pojemność cieplna (0,5 kJ/kg·K),
- ΔT to różnica temperatur (+20°C do -60°C, czyli 80 K).
Q = 1 kg × 0,5 kJ/kg·K × 80 K = 40 kJ
Teraz musimy obliczyć ilość ciekłego azotu potrzebną do pochłonięcia tej energii. Ciepło utajone ciekłego azotu wynosi około 199 kJ/kg.
Wymaganą masę ciekłego azotu można obliczyć w następujący sposób:
m = Q / L
gdzie:
- m to masa ciekłego azotu,
- Q to wymagana energia (40 kJ),
- L to ciepło utajone ciekłego azotu (199 kJ/kg).
W idealnych warunkach wymagana ilość ciekłego azotu wynosi:
m = 40 kJ / 199 kJ/kg ≈ 0,201 kg
Wartość ta jest jedynie przybliżeniem, ponieważ nie uwzględnia strat i innych czynników, które mogą mieć wpływ na proces. Ponadto obliczenia te opierają się na założeniu, że azot całkowicie odparowuje i pochłania całe ciepło utajone, bez dalszego ogrzewania azotu w stanie gazowym.