مخزن کرایوژنیک

در دنیای امروزی که به سرعت در حال تحول است، پیشرفت های علمی به پیشرفت هایی در زمینه های مختلف از جمله انرژی، پزشکی و هوافضا منجر شده است. در میان این نوآوری ها، مخازن ذخیره سازی برودتی به عنوان شاهکارهای مهندسی قابل توجه است. این مخازن نقش مهمی در ذخیره سازی ایمن و کارآمد گازهای مایع در دماهای بسیار پایین دارند. تانک های کرایوژنیک به تانک های کرایو نیز معروف هستند. در این مقاله وبلاگ، دنیای شگفت‌انگیز مخازن ذخیره‌سازی برودتی، طراحی، کاربردها و سهم آنها در پیشرفت فناوری را بررسی خواهیم کرد.

مخازن برودتی چیست؟

مخازن ذخیره برودتی ظروفی با طراحی خاص هستند که برای ذخیره و انتقال گازهای مایع مانند نیتروژن، اکسیژن، آرگون، هلیوم و هیدروژن در دماهای بسیار پایین استفاده می شوند. این مخازن از اصل برودتی استفاده می کنند که شامل مطالعه و کاربرد مواد و فرآیندها در دماهای بسیار پایین، معمولاً زیر 150- درجه سانتیگراد (238- درجه فارنهایت) است. مخازن برودتی بسته به نیاز در اندازه ها و اشکال مختلف تولید می شوند.

همانطور که قبلا گفته شد مواد زیر در مخازن برودتی ذخیره می شوند:

• LIN (نیتروژن مایع)
• اکسید نیتروژن مایع (LN 2 O)
• LOX (اکسیژن مایع)
• LAR (آرگون مایع)
• CO 2 مایع (دی اکسید کربن)
• LNG (گاز طبیعی مایع)
• LPG ( گاز نفت مایع )
• LHe (هلیوم مایع)
• LH 2 (هیدروژن مایع)
• اتیلن مایع

طراحی و ساخت مخزن برودتی

طراحی و ساخت مخازن ذخیره برودتی برای اطمینان از مهار ایمن گازهای مایع حیاتی است. این مخازن معمولاً از مواد درجه یک ساخته می‌شوند که می‌توانند دمای پایین را تحمل کنند و یکپارچگی ساختاری را حفظ کنند. مواد رایج مورد استفاده عبارتند از فولاد ضد زنگ، آلومینیوم و آلیاژهای تخصصی مانند Inconel ، Monel و غیره.

مخازن دو جداره با یک مخزن داخلی که گاز مایع ساخته شده از فولاد ضد زنگ را در خود نگه می دارد و یک مخزن بیرونی که به عنوان یک لایه عایق ساخته شده از فولاد کربنی عمل می کند. فضای بین ظرف داخلی و خارجی با خلاء یا یک ماده عایق بسیار کارآمد مانند پرلیت یا فوم پر می شود تا انتقال حرارت به حداقل برسد و از فرار گازهای ذخیره شده جلوگیری شود.

برای حفظ دمای بسیار پایین مورد نیاز، مخازن ذخیره برودتی اغلب مجهز به سیستمی هستند که امکان گردش سیالات برودتی مانند نیتروژن مایع یا هلیوم مایع را فراهم می کند تا ظرف داخلی خنک شود و دمای مورد نظر حفظ شود. شکل 1 (اعتبار تصویر: https://www.linde-engineering.com/) در زیر برخی از تصاویر معمولی از مخازن ذخیره برودتی را نشان می دهد.

کاربرد مخازن برودتی

مخازن ذخیره برودتی به دلیل توانایی آنها در ذخیره مقادیر زیاد گازهای مایع به طور موثر کاربردهای گسترده ای در صنایع مختلف پیدا می کنند. برخی از برنامه های کاربردی قابل توجه عبارتند از:

گازهای صنعتی:

مخازن ذخیره برودتی برای ذخیره و تامین گازهای صنعتی مانند اکسیژن، نیتروژن و آرگون استفاده می شود که در فرآیندهای تولید، ساخت فلز و تولید دارو ضروری هستند.

انرژی و توان:

گاز طبیعی مایع (LNG) در مخازن برودتی ذخیره می شود تا حمل و نقل و استفاده از آن به عنوان منبع انرژی پاک تر را تسهیل کند. این مخازن ذخیره و حمل و نقل ایمن LNG را امکان پذیر می کند و از در دسترس بودن آن در مناطقی که خطوط لوله از نظر اقتصادی مقرون به صرفه نیستند اطمینان حاصل می کند.

هوافضا و دفاع:

مخازن ذخیره برودتی نقش مهمی در صنعت هوافضا ایفا می کنند، جایی که از آنها برای ذخیره پیشرانه برای موشک ها و فضاپیماها استفاده می شود. دماهای بسیار پایین اجازه می دهد تا تراکم ذخیره سازی بالاتری داشته باشند، ماموریت های طولانی تر و محموله های قابل توجه بیشتری را ممکن می سازد.

کاربردهای پزشکی:

مخازن ذخیره برودتی در تاسیسات پزشکی برای ذخیره و انتقال مواد بیولوژیکی منجمد شده از جمله سلول های بنیادی، بافت ها و اندام ها برای اهداف تحقیقاتی و پیوند استفاده می شود. این مخازن محیط قابل اعتمادی را برای حفظ یکپارچگی و دوام این مواد حیاتی فراهم می کنند.

مزایای مخازن ذخیره سازی برودتی

مخازن برودتی دارای چندین مزیت هستند که آنها را در صنایع و کاربردهای مختلف ضروری می کند. در اینجا برخی از مزایای کلیدی مخازن برودتی وجود دارد:

ذخیره سازی کارآمد:

مخازن برودتی امکان ذخیره سازی موثر مقادیر زیادی از گازهای مایع را فراهم می کنند. در دماهای برودتی، گازها به حالت مایع متراکم می شوند و حجم آنها به میزان قابل توجهی کاهش می یابد. این اجازه می دهد تا تراکم ذخیره سازی بالاتر، حمل و نقل و ذخیره سازی مقادیر قابل توجهی از گازها را به صورت اقتصادی امکان پذیر کند.

حفظ دما:

مخازن برودتی برای حفظ دمای بسیار پایین، معمولاً زیر 150- درجه سانتیگراد (238- درجه فارنهایت) طراحی شده اند. ساخت و ساز دو جداره، سیستم های عایق، و مکانیسم های خنک کننده، انتقال حرارت کمتری را تضمین می کند و محیطی با دمای پایین لازم برای ذخیره سازی گازهای مایع را حفظ می کند. این باعث افزایش طول عمر و حفظ یکپارچگی مواد ذخیره شده می شود.

کاربردهای همه کاره:

مخازن برودتی در صنایع مختلف کاربرد دارند. از آنها برای ذخیره و تامین گازهای صنعتی مانند اکسیژن، نیتروژن و آرگون استفاده می شود که برای فرآیندهای تولید و کاربردهای صنعتی متنوع حیاتی هستند. مخازن برودتی همچنین در بخش انرژی برای ذخیره و انتقال گاز طبیعی مایع (LNG) مورد استفاده قرار می گیرند و منبع انرژی کارآمد و پاک تری را ارائه می دهند. علاوه بر این، مخازن برودتی نقش مهمی در تحقیقات هوافضا، پزشکی و علمی، پشتیبانی از ماموریت‌های فضایی، حفظ انجماد مواد بیولوژیکی و آزمایش‌های برودتی دارند.

ایمنی و قابلیت اطمینان:

مخازن برودتی با ایمنی به عنوان یک نکته مهم طراحی شده اند. مصالح ساختمانی مقاوم و ویژگی های طراحی، مهار گازهای مایع را تحت فشارهای بالا و دمای پایین تضمین می کند. سیستم های عایق مناسب خطر نشتی را به حداقل می رساند و در صورت لزوم برای کاهش فشار دریچه های ایمنی تعبیه شده است. این مخازن تحت آزمایش و بازرسی دقیق قرار می گیرند تا از قابلیت اطمینان و انطباق آنها با استانداردهای ایمنی دقیق اطمینان حاصل شود.

ذخیره سازی طولانی مدت:

مخازن برودتی برای ذخیره سازی طولانی مدت گازها و مواد منجمد شده مناسب هستند. دمای پایین از تخریب جلوگیری می کند و پایداری و ماندگاری مواد ذخیره شده را در مدت زمان طولانی حفظ می کند. این امر مخازن برودتی را برای ذخیره و نگهداری نمونه های بیولوژیکی، بافت ها، اندام ها و سایر مواد حیاتی برای تحقیقات پزشکی و پیوند ارزشمند می کند.

پیشرفت های تکنولوژیکی:

تانک های برودتی همچنان از پیشرفت های تکنولوژیکی مستمر بهره می برند. تلاش‌های تحقیق و توسعه بر روی بهبود مواد عایق، افزایش یکپارچگی ساختاری و توسعه سیستم‌های نظارت و کنترل پیشرفته متمرکز شده‌اند. این پیشرفت‌ها به افزایش کارایی، ایمنی و قابلیت اطمینان ذخیره‌سازی برودتی کمک می‌کند و امکان کنترل دقیق‌تر دما و عملیات بهینه‌سازی را فراهم می‌کند.

چالش ها و تحولات آینده

طراحی و راه اندازی مخازن ذخیره برودتی چالش های خاصی را به همراه دارد. یکی از چالش های مهم جلوگیری از هدر رفتن گازهای ذخیره شده به دلیل نفوذ گازها از دیواره های مخزن است. مهندسان به طور مداوم بر روی توسعه مواد و تکنیک های پیشرفته برای بهبود خواص عایق و کاهش نرخ انتقال حرارت کار می کنند.

از نظر پیشرفت‌های آتی، تحقیقات مداومی برای افزایش کارایی و ایمنی مخازن ذخیره‌سازی برودتی وجود دارد. این شامل اکتشاف مواد جدید مانند گرافن است که می تواند عایق و خواص ساختاری بهبود یافته ای را ارائه دهد. علاوه بر این، استفاده از سنسورهای پیشرفته و سیستم‌های نظارتی امکان ردیابی بی‌درنگ دما، فشار و سطوح گاز را فراهم می‌کند و ایمنی و راندمان عملیاتی را افزایش می‌دهد.

الزامات ایمنی برای مخازن برودتی

هنگام طراحی، بهره برداری و نگهداری مخازن برودتی، ایمنی از اهمیت بالایی برخوردار است. با توجه به دمای بسیار پایین و ماهیت مواد ذخیره شده، الزامات ایمنی خاصی باید رعایت شود تا از حفاظت پرسنل، محیط زیست و یکپارچگی مخازن اطمینان حاصل شود. در اینجا برخی از الزامات ایمنی کلیدی برای مخازن برودتی وجود دارد:

تشخیص تهویه و گاز:

تهویه مناسب برای جلوگیری از تجمع گازهای بالقوه خطرناک در مناطق بسته ضروری است. سیستم های تهویه مناسب باید برای اطمینان از حذف هر گونه گاز یا بخار نشتی وجود داشته باشد. علاوه بر این، سیستم های تشخیص گاز باید برای نظارت بر غلظت گازها و ارائه هشدارهای اولیه در صورت نشت نصب شوند.

سیستم های کاهش فشار:

مخازن برودتی باید مجهز به دریچه های کاهش فشار یا دستگاه هایی برای جلوگیری از فشار بیش از حد باشد. این شیرها به گونه ای طراحی شده اند که در صورت بروز نقص یا افزایش غیرعادی فشار، فشار اضافی را باز کرده و آزاد کنند و از یکپارچگی مخزن اطمینان حاصل کرده و از خرابی های فاجعه بار جلوگیری می کنند.

پیشگیری و حفاظت در برابر آتش سوزی:

گازهای برودتی تحت شرایط خاصی می توانند خطرات آتش سوزی ایجاد کنند. اقدامات پیشگیری از آتش سوزی مانند پرهیز از شعله های باز، جرقه یا سیگار کشیدن در مجاورت مخازن برودتی باید به شدت اجرا شود. در مواقع اضطراری باید سیستم های مناسب حفاظت از حریق از جمله کپسول های آتش نشانی و سیستم های اطفاء حریق در دسترس باشد و نگهداری شود.

یکپارچگی عایق:

سیستم های عایق مخازن برودتی نقش حیاتی در حفظ دمای پایین و جلوگیری از انتقال حرارت دارند. بازرسی و نگهداری منظم مواد عایق و مهر و موم برای اطمینان از یکپارچگی آنها بسیار مهم است. عایق آسیب دیده یا خراب شده باید به سرعت تعمیر یا تعویض شود تا کارایی سیستم عایق مخزن حفظ شود.

تجهیزات حفاظت فردی (PPE):

PPE مناسب باید برای همه پرسنلی که با یا در مجاورت مخازن برودتی کار می کنند ارائه شود. این ممکن است شامل دستکش حرارتی، محافظ صورت، عینک ایمنی و کفش عایق شده باشد. آموزش استفاده صحیح از PPE و رویه های ایمنی باید به همه افراد درگیر ارائه شود.

برنامه ریزی واکنش اضطراری:

برنامه‌های واکنش اضطراری کافی باید تدوین و به همه پرسنل ابلاغ شود. این طرح ها باید روش هایی را برای رسیدگی به نشت ها، نشت ها، حوادث آتش سوزی و سایر موارد اضطراری مشخص کنند. برای اطمینان از آمادگی پرسنل برای پاسخگویی موثر در مواقع اضطراری، آموزش و تمرینات باید به طور منظم انجام شود.

آموزش و شایستگی:

پرسنل درگیر در عملیات، نگهداری و جابجایی مخازن برودتی باید آموزش مناسبی را برای درک خطرات مرتبط با مواد برودتی و روش های عملیاتی ایمن دریافت کنند. این شامل تکنیک‌های جابجایی مناسب، استفاده از تجهیزات ایمنی و درک خطرات مرتبط با دماهای برودتی است.

رعایت مقررات:

مخازن برودتی تابع مقررات و استانداردهای ملی و بین المللی مختلفی هستند. رعایت این مقررات، که ممکن است شامل استانداردهای طراحی، الزامات بازرسی و تعهدات ثبت سوابق باشد، ضروری است. رعایت این مقررات به اطمینان از عملکرد و نگهداری ایمن مخازن برودتی کمک می کند.

تولید کنندگان مخازن برودتی

چندین تولید کننده معتبر مخازن برودتی وجود دارند که محصولاتی با کیفیت و قابل اعتماد ارائه می دهند. در اینجا برخی از تولید کنندگان معروف مخزن برودتی آورده شده است:

• صنایع نمودار: صنایع نمودار پیشرو جهانی در تجهیزات و فناوری برودتی است. آنها طیف گسترده ای از راه حل های ذخیره سازی و حمل و نقل برودتی، از جمله مخازن ذخیره سازی فله، مخازن قابل حمل و ظروف برودتی را ارائه می دهند. صنایع نمودار شهرت زیادی برای نوآوری دارد و بیش از پنج دهه است که به صنایع مختلف خدمت می کند.
• Air Products and Chemicals, Inc.: Air Products یک شرکت چند ملیتی است که متخصص در گازهای صنعتی و تجهیزات مرتبط است. آنها مخازن ذخیره سازی و حمل و نقل برودتی را برای کاربردهای مختلف از جمله صنایع پزشکی، فرآوری مواد غذایی و صنایع نیمه هادی تولید می کنند. Air Products به دلیل تخصص خود در زمینه برودتی و تعهد به ایمنی و قابلیت اطمینان شناخته شده است.
• Linde plc: Linde یک رهبر جهانی در گازهای صنعتی و مهندسی است. آنها طیف گسترده ای از تجهیزات و خدمات برودتی از جمله مخازن ذخیره برودتی، بخارسازها و سیستم های توزیع گاز را ارائه می دهند. Linde تجربه گسترده ای در فناوری برودتی دارد و راه حل های مناسبی را برای رفع نیازهای خاص صنایع مختلف ارائه می دهد.
• Taylor-Wharton: Taylor-Wharton یک تولید کننده مشهور تجهیزات برودتی و سیستم های ذخیره سازی است. آنها طیف گسترده ای از مخازن برودتی، از جمله مخازن ذخیره سازی فله، ظروف قابل حمل و سیستم های میکرو فله را ارائه می دهند. Taylor-Wharton به دلیل تعهد خود به کیفیت، نوآوری و رضایت مشتری شناخته شده است.
• کرایوفاب، شرکت: کرایوفب در طراحی و ساخت تجهیزات برودتی، از جمله مخازن برودتی، دیوارها و سیستم های لوله کشی برودتی تخصص دارد. آنها به صنایع مختلف از جمله کاربردهای پزشکی، تحقیقاتی و صنعتی پاسخ می دهند. کرایوفاب به دلیل راه حل های سفارشی و ساخت با کیفیت بالا شناخته شده است.
• Praxair, Inc. (اکنون بخشی از Linde plc): پراکسایر که اکنون بخشی از Linde plc است، یک تامین کننده جهانی گازهای صنعتی و فناوری های مرتبط است. آنها طیف وسیعی از راه حل های ذخیره سازی و حمل و نقل برودتی را ارائه می دهند، از جمله مخازن فله، سیستم های میکرو فله و سیلندرهای برودتی. پراکسایر در صنعت برودتی حضوری قوی دارد و راه حل های قابل اعتمادی را برای رفع نیازهای مشتری ارائه می دهد.

هزینه مخزن برودتی

هزینه مخازن برودتی بسته به عوامل متعددی مانند اندازه، ظرفیت، مواد، مشخصات طراحی و ویژگی های اضافی مورد نیاز برای کاربردهای خاص می تواند به طور قابل توجهی متفاوت باشد. علاوه بر این، شرایط بازار و عوامل منطقه ای نیز می توانند بر قیمت گذاری تأثیر بگذارند.

ارائه ارقام دقیق هزینه بدون جزئیات خاص چالش برانگیز است، اما در اینجا چند محدوده قیمت تقریبی برای انواع مختلف مخازن برودتی آورده شده است:

• دوارهای برودتی کوچک: دوارهای کوچک یا ظروف برودتی قابل حمل با ظرفیت‌های مختلف از چند لیتر تا چند صد لیتر می‌توانند از چند صد دلار تا چند هزار دلار قیمت داشته باشند.
• سیلندرهای برودتی: سیلندرهای برودتی با ظرفیت‌های بزرگ‌تر، که معمولاً برای کاربردهای صنعتی یا پزشکی استفاده می‌شوند، بسته به اندازه و جنس، می‌توانند از چند هزار دلار تا ده‌ها هزار دلار قیمت داشته باشند.
• مخازن ذخیره‌سازی فله: مخازن ذخیره‌سازی برودتی فله‌ای که برای ذخیره‌سازی و توزیع گازهای مایع در مقیاس بزرگ استفاده می‌شوند، می‌توانند قیمتی از ده‌ها هزار دلار تا چند صد هزار دلار یا حتی بیشتر داشته باشند. قیمت تحت تأثیر عواملی مانند ظرفیت ذخیره سازی، مصالح ساختمانی، نوع عایق و ویژگی های اضافی مانند سیستم های کنترل فشار است.

نتیجه

مخازن ذخیره سازی برودتی نشان دهنده ادغام قابل توجهی از مهندسی، علم مواد و اصول علمی است. این مخازن با امکان ذخیره سازی ایمن و کارآمد گازهای مایع در دماهای بسیار پایین، صنعت را متحول کرده اند. از کاربردهای صنعتی گرفته تا تلاش‌های هوافضا و پیشرفت‌های پزشکی، مخازن ذخیره‌سازی برودتی همچنان به پیشرفت فناوری ما کمک می‌کنند. از آنجایی که تحقیقات و پیشرفت‌های مداوم راه را برای طراحی‌ها و مواد بهبود یافته هموار می‌کند، آینده مخازن ذخیره‌سازی برودتی پتانسیل بسیار زیادی برای نوآوری بیشتر و کاربردهای متحول کننده در زمینه‌های مختلف دارد.