4 façons d'utiliser les applications cryogéniques de l'hélium

L'hélium est un gaz dont les propriétés le rendent utile à de nombreuses fins différentes, du refroidissement à la portance des dirigeables. En comprenant les bases de ses principes cryogéniques, on peut comprendre le fonctionnement de ce gaz et ses différentes utilisations.

Les aspects de la science cryogénique ont émergé au début du XIXe siècle dans les expériences de Faraday et Joule. La cryogénie consiste à soumettre des matériaux à des températures extrêmement basses, généralement inférieures à -150 °C.

L'utilisation de liquides cryogéniques, comme l'azote liquide ou l'hélium liquide, nous a permis d'atteindre des températures extrêmes en toute sécurité sans avoir à nous soucier des risques d'incendie associés aux processus à haute température. Ces substances jouent un rôle essentiel lorsque vous travaillez sur tout projet impliquant des environnements froids.

L'hélium a de multiples propriétés qui peuvent être utilisées dans les procédés cryogéniques. Son point d'ébullition est inférieur à celui de la plupart des autres éléments, ce qui le rend apte à atteindre rapidement et efficacement des températures très basses.

Le processus reste également sûr en raison de sa propriété de non-toxicité. Il n'est pas étonnant que tant d'industries s'appuient davantage sur les principes cryogéniques et les applications de l'hélium.

La cryogénie traite de la production et du comportement des matériaux à des températures extrêmement basses. La plage de température des liquides cryogéniques comme l'hélium se situe entre -271,15 °C et -196 °C. Les applications cryogéniques utilisent des propriétés telles qu'une résistance accrue, une conductivité électrique améliorée et une isolation thermique améliorée dans ces environnements à basse température.

Les principes de la technologie cryogénique impliquent le contrôle de la vitesse de refroidissement. Cela se fait en utilisant les points d'ébullition et les taux d'évaporation pour atteindre une plage de température souhaitée. Dans certains cas, cela implique l'utilisation de réfrigérants mécaniques ou même d'azote liquide pour refroidir rapidement les matériaux à des températures inférieures à zéro. En manipulant son environnement, un matériau peut être refroidi en dessous de la température ambiante sans changer son état physique de solide à liquide.

Cependant, tous les matériaux ne réagissent pas de la même manière lorsqu'ils sont exposés à des conditions de froid extrême. Par exemple, l'hélium reste un gaz quel que soit son degré de refroidissement, tandis que l'eau se transforme en glace à 0°C. Comprendre les caractéristiques uniques de chaque matériau à différentes températures aide les scientifiques à déterminer quelles substances sont les plus adaptées à des applications cryogéniques spécifiques.

L'hélium est un élément qui a deux isotopes naturels, l'hélium-3 et l'hélium-4. L'hélium-4 est le plus abondant de ces deux isotopes, comprenant environ 99,9% de tous les atomes d'hélium naturel sur Terre.

Il possède un certain nombre de propriétés uniques qui le rendent inestimable dans les applications cryogéniques.

Lorsqu'il est refroidi à des températures proches du zéro absolu (-273 ° C), l'hélium liquide présente une superfluidité, un état dans lequel sa viscosité tombe à zéro et il peut s'écouler sans aucune résistance. Cette propriété permet aux petits objets immergés dans l'hélium liquide de se déplacer plus rapidement que dans des conditions normales de gravité, ce qui les rend utiles à des fins de recherche scientifique.

De plus, la basse température de condensation rend l'hélium idéal pour la réduction de pression dans certains processus industriels tels que la cryogénie et la fabrication de semi-conducteurs.

Les autres caractéristiques clés de l'hélium comprennent :

L'hélium joue un rôle important dans de nombreuses industries et domaines, notamment l'aérospatiale, la production d'énergie nucléaire, l'imagerie médicale et la production électronique. Comprendre comment différents éléments se comportent sous des températures et des pressions extrêmes aide les scientifiques à mieux comprendre les lois physiques fondamentales régissant notre Univers. Cela nous rapproche de la découverte de secrets sur la nature de la matière elle-même.

Les températures cryogéniques sont atteintes en utilisant de l'hélium comme agent de refroidissement. Afin de maintenir ces températures extrêmement basses, les systèmes cryogéniques doivent être scellés et isolés des sources de chaleur externes. Cela leur permet de rester à des températures stables tout en permettant l'échange d'énergie entre les différents composants.

Dans certains cas, comme dans les applications médicales, l'azote liquide ou d'autres gaz cryogéniques peuvent également être utilisés pour atteindre des températures encore plus basses que celles réalisables avec de l'hélium seul.

Ces températures ultra-basses peuvent aider à améliorer la précision et l'exactitude lors de l'exécution de certaines procédures ou expériences qui nécessitent des niveaux extrêmes de contrôle de la température. De plus, ils permettent aux chercheurs d'étudier des phénomènes qui n'existent que dans des plages étroites de température ou de pression.

L'utilisation de systèmes de refroidissement à l'hélium rend possible de nombreuses applications uniques. Par exemple, les instruments de haute précision tels que les accélérateurs de particules dépendent de systèmes de refroidissement fonctionnant près du zéro absolu pour fonctionner correctement et en toute sécurité. De même, divers types de conteneurs de stockage reposent sur une technologie similaire afin de conserver leur contenu conservé sur de longues périodes sans dégradation ni contamination.

Sans accès à une cryogénie fiable, de nombreuses technologies importantes n'existeraient tout simplement pas aujourd'hui.

À l'extrémité extrême des températures cryogéniques, les matériaux sont soumis à une variété d'effets physiques.

De la résistance aux chocs thermiques et aux fractures induites par la température aux contraintes cryogéniques, ces matériaux doivent être conçus avec précision pour résister à de telles conditions.

La résistance aux chocs thermiques est un facteur important lorsqu'il s'agit de concevoir un dispositif ou une structure à utiliser à des températures cryogéniques. Pour que l'appareil ou la structure survivent sans être endommagés par des changements soudains de température, un matériau d'isolation spécial doit être utilisé. L'isolation cryogénique aide à protéger les parties internes de l'appareil contre les changements rapides de température ambiante. Cela peut entraîner des fissures et d'autres formes de destruction au fil du temps s'il n'est pas traité correctement.

Un autre effet qui se produit en raison des températures froides est la fracture induite par la température (TIF). Le TIF se produit lorsque certains types de métaux deviennent cassants à des températures cryogéniques et présentent une sensibilité accrue à la fracturation sous contrainte ou pression.

Le degré de fragilité dépend du type de métal utilisé. Par conséquent, il est important que les concepteurs et les ingénieurs soient attentifs lors de la sélection des matériaux appropriés pour les projets à des températures inférieures à zéro.

Un stress cryogénique peut survenir en raison d'une exposition prolongée à des températures extrêmement basses. Le cryostress est causé par une combinaison de forces mécaniques et d'environnements extrêmement froids.

Cela augmente le risque de défaillance structurelle si les précautions appropriées ne sont pas prises pendant la phase de conception. Par exemple, certains alliages peuvent nécessiter un renforcement supplémentaire autour des coins et des bords où plus de contraintes peuvent être concentrées qu'ailleurs sur l'objet lui-même.

Le refroidissement à l'hélium a été mis en œuvre dans une variété d'applications industrielles pour améliorer l'efficacité et la sécurité.

Il est largement utilisé dans l'industrie cryogénique, car il peut à la fois refroidir rapidement des objets et les maintenir à des températures ultra-basses pendant de longues périodes. Les systèmes de refroidissement à l'hélium industriels sont généralement dotés d'une technologie qui permet aux utilisateurs d'ajuster facilement et avec précision les paramètres de température. Cela le rend idéal pour les processus à grande échelle tels que le stockage cryogénique industriel. En stockage, l'homogénéité de température doit être maintenue sur de longues durées.

Le refroidissement industriel à l'hélium permet également aux fabricants de réduire les coûts opérationnels en diminuant la consommation d'énergie par rapport aux méthodes traditionnelles.

De nombreuses entreprises ont adopté cette technologie. Il a la capacité de minimiser la production de chaleur pendant les processus de fabrication et de réduire leur impact environnemental global. De plus, lorsqu'il est combiné avec d'autres matériaux ou technologies comme les supraconducteurs, le refroidissement à l'hélium peut offrir des avantages de performances encore plus importants.

La technologie cryogénique a été utilisée dans les engins spatiaux et les satellites pour permettre un fonctionnement efficace.

La cryogénie est utilisée dans les applications spatiales car elle permet le stockage des ergols à plus basse température et réduit leur pression de vapeur.

Les carburants cryogéniques fournissent également des impulsions spécifiques plus élevées que les carburants chimiques, permettant des durées de mission prolongées. Les réservoirs d'ergols cryogéniques peuvent être légers, avec un faible coefficient de dilatation thermique. Cela leur permet de stocker plus de carburant à bord.

Les engins spatiaux qui utilisent la cryogénie ont un réservoir intérieur isolé contenant de l'hydrogène ou de l'oxygène liquide qui est maintenu à une température très froide, entre -253°C et -183°C.

Pour maintenir cette température, des couches isolantes telles que des matelas isolants multicouches (MLI) sont installées autour des parois du conteneur. Cela empêche la perte de chaleur de l'environnement extérieur vers celui-ci. Ces systèmes peuvent utiliser des mécanismes de refroidissement actifs tels que des radiateurs ou des refroidisseurs Joule-Thomson pour un meilleur contrôle de leurs températures.

Les satellites utilisent largement la cryogénie pendant leurs opérations en raison de leur densité de puissance élevée par rapport à d'autres types de sources de carburant.

Pour qu'ils restent fonctionnels tout au long de leurs missions, les satellites ont besoin d'une alimentation électrique constante, qui est fournie soit par des panneaux solaires, soit par des générateurs thermoélectriques à radio-isotopes (RTG). Les RTG nécessitent de l'hydrogène liquide stocké dans des conteneurs hautement isolés pour générer de l'énergie électrique. Par conséquent, les opérateurs de satellites doivent s'appuyer fortement sur la technologie cryogénique pour garantir des performances ininterrompues sur de longues périodes.

Ces dernières années, des progrès ont été réalisés pour améliorer l'efficacité de l'utilisation de la technologie cryogénique dans les engins spatiaux et les satellites.

Avec ces progrès, il est probable que nous verrons des niveaux encore plus élevés de gains d'efficacité obtenus grâce à l'augmentation.

L'hélium a plusieurs applications dans le domaine médical, car ses propriétés de refroidissement le rendent bien adapté pour une utilisation dans des opérations à basse température.

Cela fait de l'hélium une ressource inestimable lorsqu'il s'agit de traiter des maladies et des conditions qui nécessitent des températures extrêmes ou un environnement contrôlé.

La cryothérapie devient de plus en plus populaire parmi les personnes qui cherchent à améliorer leurs performances physiques en réduisant l'inflammation et en augmentant la flexibilité grâce à une exposition à des températures extrêmement froides. Le processus implique généralement l'utilisation de réservoirs d'azote liquide ou d'héliox (gaz oxygène et hélium) remplis d'oxygène et d'hélium sous pression à -156°C.

L'utilisation de températures glaciales aide également les médecins à traiter divers problèmes médicaux, notamment les tumeurs liées au cancer, les tumeurs bénignes et les maladies parodontales.

En exposant la zone affectée à des températures ultra-basses, les médecins sont en mesure d'éliminer en toute sécurité les cellules anormales sans endommager les tissus sains environnants. La technique est également utilisée dans l'industrie cosmétique pour des procédures telles que le raffermissement de la peau, la réduction de la graisse et le remodelage du visage.

Les avantages associés à ces traitements sont nombreux. Ceux-ci incluent une invasion minimale, des temps de récupération plus rapides et moins d'effets secondaires que les méthodes chirurgicales traditionnelles.

De plus, ils peuvent être pratiqués en ambulatoire, ce qui les rend plus économiques que les chirurgies conventionnelles. Tous ces avantages ont fait des thérapies cool, comme celles utilisant l'hélium, des options de plus en plus souhaitables pour les patients.

La cryogénie joue un rôle majeur dans la recherche sur la supraconductivité. L'utilisation de techniques cryogéniques permet l'étude et l'analyse de matériaux à des températures extrêmement basses.

Ceci est important car il a été constaté que certains matériaux peuvent devenir supraconducteurs lorsqu'ils sont refroidis à des températures très basses, bien inférieures à la température ambiante. Certains métaux ont été découverts pour présenter des propriétés supraconductrices uniquement lorsqu'ils sont exposés à des conditions cryogéniques.

En étudiant ces matériaux à des températures aussi basses, les chercheurs peuvent analyser plus précisément leur comportement. La recherche cryogénique donne également un aperçu de la façon dont les propriétés physiques de certaines substances changent à mesure que la température diminue.

Les applications cryogéniques ont la capacité de fournir un refroidissement efficace pour les composants ou les systèmes qui en ont besoin.

En utilisant le refroidissement cryogénique à base d'hélium, les chercheurs sont en mesure de refroidir rapidement des pièces et des pièces. Cela les rend plus faciles à étudier ou à manipuler sans avoir à attendre des heures ou des jours pour que leur température baisse naturellement.

Avec des techniques d'isolation appropriées, ces objets refroidis peuvent être maintenus indéfiniment à leurs niveaux de température souhaités. Cela les rend idéales pour les expériences qui nécessitent des conditions constantes sur de longues périodes.

Un autre avantage des applications cryogéniques réside dans leur rentabilité par rapport à d'autres types de méthodes de refroidissement. En s'appuyant sur l'hélium liquide au lieu de l'électricité ou des unités de climatisation, les entreprises peuvent économiser des sommes importantes sur les coûts énergétiques tout en maintenant un degré efficace de contrôle des niveaux de température.

L'hélium offre une plus grande précision lors du ciblage de températures spécifiques que d'autres moyens, car il est plus fiable que d'autres gaz comme l'azote ou l'argon pour reproduire avec précision les températures souhaitées.

Les systèmes cryogéniques sont utilisés pour une variété d'applications, des aimants supraconducteurs à la réfrigération cryogénique. Les types les plus courants de systèmes cryogéniques comprennent la distillation cryogénique, les pompes cryogéniques et les récipients cryogéniques.

La distillation cryogénique est un processus dans lequel les composants ayant des points d'ébullition différents sont séparés par évaporation. Ce type de système utilise des températures extrêmement froides pour réduire la pression sur la substance distillée avant de séparer ses composants.

Les pompes cryogéniques déplacent les fluides à basse température tout en maintenant des niveaux de rendement élevés en réduisant les pertes de cavitation et de vaporisation dues à des densités de fluide plus faibles.

Les cuves cryogéniques sont conçues spécifiquement pour stocker de grandes quantités de matériaux extrêmement froids comme l'azote liquide ou l'hélium gazeux. Ces réservoirs sont souvent des couches isolées qui offrent une protection thermique maximale contre le transfert de chaleur vers ou depuis le contenu du navire.

Les enjeux du stockage de longue durée à très basse température sont complexes.

Lors du stockage de matériaux dans des conditions extrêmes, des protocoles de sécurité doivent être suivis. Cela inclut des facteurs tels que la génération de chaleur, les niveaux de pression et les systèmes de confinement.

L'identification des matériaux de stockage appropriés est essentielle face à ces environnements difficiles. Les substrats en acier inoxydable ou en aluminium sont souvent utilisés en raison de leur résistance à la corrosion à des températures cryogéniques.

Pour faciliter des processus de stockage à long terme efficaces, une multitude de principes d'ingénierie doivent être pris en compte. Celles-ci incluent des techniques d'isolation et des régimes de cyclage thermique, qui minimisent les gradients de température dans tout le système tout en permettant un échange de chaleur adéquat entre les composants.

Des techniques de conception appropriées doivent être employées pour empêcher tout élément d'être exposé directement à des liquides ou des gaz cryogéniques. Cela peut aider à réduire les coûts associés aux travaux de maintenance et de réparation.

Travailler avec de l'hélium à basse température nécessite de la diligence et une connaissance des précautions de sécurité. Le non-respect des protocoles appropriés peut entraîner de graves conséquences.

Ils comprennent:

Lorsque vous travaillez avec des matériaux cryogéniques, une attention particulière doit également être accordée aux exigences de ventilation. Sans systèmes de ventilation adéquats en place, des concentrations dangereuses de gaz pourraient rapidement s'accumuler dans les espaces clos.

Il est impératif de maintenir des systèmes d'échappement bien entretenus à proximité des zones où de grandes quantités de cryogénie sont utilisées. L'entretien régulier doit inclure la vérification des fuites sur toutes les connexions exposées à des atmosphères combustibles.

De plus, des précautions doivent toujours être prises lors de l'installation et de l'utilisation de récipients sous pression contenant des cryogènes. L'intégrité des récipients sous pression ne peut être assurée que s'ils sont construits conformément aux codes et normes applicables, tels que ceux publiés par l'ASME (American Society of Mechanical Engineers).

Tout le personnel impliqué dans les opérations impliquant ces conteneurs doit recevoir une formation périodique concernant les procédures opérationnelles sûres et les dangers potentiels qui y sont associés.

Les systèmes cryogéniques offrent un large éventail d'avantages environnementaux, notamment une efficacité améliorée et une consommation d'énergie réduite dans de nombreux domaines.

Les applications cryogéniques ont été utilisées pour réduire la taille et le poids des composants tout en leur permettant de conserver leurs capacités de performance. Le refroidissement peut être appliqué efficacement pour les applications à basse température telles que les processus de supraconductivité ou de liquéfaction qui nécessitent des températures inférieures à -60 °C.

En utilisant des applications cryogéniques, il est possible d'obtenir des conditions de production plus efficaces avec moins de ressources.

Il existe également des dangers potentiels associés aux systèmes cryogéniques.

Les températures extrêmes impliquées dans la cryogénie présentent des risques si les précautions de sécurité appropriées ne sont pas suivies lors des opérations impliquant des matières dangereuses. Par exemple, l'azote liquide est extrêmement froid et le contact avec la peau peut provoquer des engelures ou d'autres blessures.

De plus, l'oxygène à très basse température peut s'enrichir suffisamment pour créer une atmosphère explosive dans certaines conditions. Par conséquent, une surveillance et une maintenance minutieuses des systèmes cryogéniques sont nécessaires pour garantir un fonctionnement sûr et minimiser les impacts environnementaux.

L'hélium est un élément essentiel pour les applications cryogéniques et a été utilisé dans une variété d'industries, de l'emballage alimentaire à la recherche médicale.

La chaîne d'approvisionnement associée à la cryogénie à l'hélium a augmenté régulièrement au cours de la dernière décennie. L'industrie a atteint près de 1 milliard de dollars en 2016, selon les estimations.

Un domaine où l'héliocentrisme sera plus largement utilisé est celui de la médecine. Les médecins ont commencé à utiliser des lasers refroidis cryogéniquement pour effectuer des interventions chirurgicales sur des patients présentant un risque nettement inférieur à celui des méthodes traditionnelles.

Les chercheurs étudient les moyens d'utiliser des températures ultra-basses pour stocker en toute sécurité des échantillons de tissus et d'organes tout en préservant leur intégrité. Cela pourrait révolutionner la façon dont les greffes sont effectuées et ouvrir de nouvelles possibilités de traitements utilisant des cellules et des tissus stockés.

D'autres utilisations industrielles des capacités à basse température de l'hélium comprennent des processus de production améliorés pour les produits pharmaceutiques ou les semi-conducteurs. Grâce à cette technologie, les entreprises peuvent produire des produits de meilleure qualité plus rapidement et à moindre coût en réduisant l'oxydation causée par la chaleur pendant le processus de fabrication.

Certains matériaux avancés nécessitent des niveaux de refroidissement précis qui n'existent qu'à des températures extrêmes réalisables grâce à des systèmes cryogéniques à base d'hélium ; ces matériaux pourraient bientôt devenir monnaie courante en raison de la demande croissante des consommateurs du monde entier.

L'utilisation de l'hélium pour ses propriétés thermiques va révolutionner de nombreux secteurs. Sa capacité à atteindre des températures extrêmement basses nous permet de créer des solutions qui n'auraient jamais été imaginées il y a quelques années.

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