Криогенное охлаждение
Криогенное охлаждение использует чрезвычайно низкие температуры, обычно за счет использования жидкого азота (−196 °C). В машиностроении оно применяется, когда металлические детали должны быть соединены в разъемный пресс-композит. Таким образом, соединения вал-втулка или прецизионные соединения могут быть соединены или разъединены без допусков. Эта техника также используется при сборке компонентов станков.
Криогенное охлаждение также играет важную роль в технологическом процессе.
- Оно используется, когда частицы порошковой смеси покрыты жидким жиром. На следующем этапе порошок охлаждается в смесителе криогенным способом, в результате чего он снова становится сыпучим.
- Криогенное охлаждение также используется, когда порошки, суспензии или пасты должны обрабатываться в глубоко охлажденном состоянии. Фармацевтические активные вещества, биотехнологические продукты ферментации или пищевые сырьевые материалы иногда подвергаются шоковой заморозке, чтобы сохранить их структуру и активность. Полученный глубоко охлажденный «порошок/гранулят» может затем смешиваться, прессоваться или подвергаться сублимационной сушке.
В обоих случаях выгодно использовать технологию смешивания amixon®. Благодаря бережному смешиванию затраты энергии минимальны.
Чтобы такой процесс смешивания в глубоко охлажденном состоянии проходил воспроизводимо, части смесителя, соприкасающиеся с продуктом, также должны быть предварительно охлаждены. Охлаждение обычно осуществляется путем впрыскивания жидкого азота в смесительную камеру. Азот при этом мгновенно испаряется и отводит из аппарата большое количество тепла. Таким образом, в течение короткого времени достигается желаемая температура процесса.
Из соображений энергоэффективности и экономии затрат решающее значение имеет высококачественная изоляция смесителя/реактора. Процессные аппараты amixon® сконструированы таким образом, что они надежно, бережно и экономично выполняют процессы глубокой заморозки. Они имеют длительный срок службы. Типичный объем партии составляет от 200 до 3000 литров, в зависимости от продукта и отрасли.
Примерный расчет количества жидкого азота, необходимого для охлаждения 1 кг нержавеющей стали (1.4404) с +20 до -60 °C:
Удельная теплоемкость нержавеющей стали 1.4404 составляет около 0,5 кДж/кг·К. Мы можем рассчитать энергию Q, необходимую для охлаждения пластины:
Q = m × c × ΔT
где:
- Q — необходимая энергия,
- m — масса пластины (1 кг),
- c — удельная теплоемкость (0,5 кДж/кг·К),
- ΔT — разница температур (+20 °C до -60 °C, т. е. 80 К).
Q = 1 кг × 0,5 кДж/кг·К × 80 К = 40 кДж
Теперь нам нужно рассчитать количество жидкого азота, необходимое для поглощения этой энергии. Скрытая теплота жидкого азота составляет около 199 кДж/кг.
Необходимую массу жидкого азота можно рассчитать следующим образом:
m = Q / L
где
- m — масса жидкого азота,
- Q — необходимая энергия (40 кДж),
- L — скрытая теплота жидкого азота (199 кДж/кг).
При идеальных условиях необходимое количество жидкого азота составляет:
m = 40 кДж / 199 кДж/кг ≈ 0,201 кг
Это значение является лишь приблизительным, поскольку не учитываются потери и другие факторы, которые могут повлиять на процесс. Кроме того, в этом расчете предполагается, что азот полностью испаряется и поглощает всю скрытую теплоту, без дальнейшего нагрева газообразного азота.