تبريد بالنيتروجين

أنواع التبريد بالنيتروجين

يمكن تقسيم أنواع التبريد بالنيتروجين بشكل أساسي إلى نوعين: التبريد المتداول والتبريد المتتالي.

• مكثف مُبرد بالهواء

  يعتمد المكثف المُبرد بالهواء فقط على تدفق الهواء المحيط لتبديد الحرارة من المبرد داخل ملف المكثف. يستخدم هذا النوع من تبريد النيتروجين مروحة لسحب الهواء من المناطق المحيطة. ثم يمرر الهواء عبر ملف المكثف. ثم يتم إطلاق الحرارة في الغلاف الجوي.

• مكثف مُبرد بالماء

  يستخدم المكثف المُبرد بالماء الماء لامتصاص الحرارة من المبرد في ملف المكثف. يمكن الحصول على الماء من مصادر متنوعة، مثل برج التبريد أو إمدادات المياه البلدية. بمجرد امتصاص الماء للحرارة من المبرد، ترتفع حرارته ويستمر في دورة.

• تبريد الغمر بالهواء القسري

  في نظام تبريد الغمر بالهواء القسري، يتم ضخ غاز النيتروجين البارد إلى وعاء يحمل المكونات الإلكترونية مباشرةً. قد يمر الغاز عبر مبادل حراري مغمور في الوعاء. بدلاً من ذلك، يمكن أن يتدفق الغاز مباشرة حول المكونات. تُعد هذه الطريقة، التي تُعرّض المكونات مباشرةً للغاز البارد، طريقة لتحسين كفاءة تبريد النظام.

• أنظمة التبريد بالضغط البخاري

  تعتمد هذه الطريقة على ضاغط ومبرد ومكثف وبخار لتبريد المساحة أو المادة المطلوبة.

• أنظمة التبريد المتتالية

  تستخدم أنظمة التبريد المتتالية دورتين أو أكثر من دورات تبريد بالضغط البخاري. تُستخدم عادةً عند الحاجة إلى درجات حرارة منخفضة للغاية.

• التبريد المتتالي

  يستخدم نظام التبريد المتتالي دورتين من التبريد مرتبطتين معًا بواسطة مبادل حراري مشترك. تتيح هذه التقنية تحقيق درجات حرارة منخفضة باستخدام التبريد المتتالي للبيئة. كما يسمح لدورات التبريد بالعمل بشكل منفصل. نظام التبريد المتتالي مناسب للتطبيقات التي تتطلب درجات حرارة منخفضة للغاية مثل التجميد المُبرد.

مواصفات وصيانة تبريد النيتروجين

المواصفات

• نطاق درجة الحرارة: يشير نطاق درجة حرارة مبرد النيتروجين إلى أدنى درجة حرارة يمكن تحقيقها أثناء عملية التبريد. يمكن أن يوفر درجات حرارة منخفضة للغاية تصل إلى -196 درجة مئوية، مما يسمح له بجعل المنتجات مُبردة.
• قدرة التبريد: تُعد قدرة تبريد مبرد النيتروجين مقدار الحرارة التي يمكن إزالتها من مساحة أو حجم محدد لكل وحدة زمنية، تقاس عادةً بالواط (W) أو كيلوواط (kW). تمتلك طرازات مختلفة من المبردات قدرات تبريد مختلفة لتلبية احتياجات تطبيقات مختلفة.
• تحكم الضغط: تُعد وظيفة تحكم الضغط هي ضبط وحفظ تدفق النيتروجين السائل. تم تجهيز بعض طرازات مبردات النيتروجين بأجهزة تحكم في الضغط، والتي يمكنها التحكم بدقة في ضغط النظام من خلال أساليب إلكترونية أو ميكانيكية لضمان استقرار وأمان عملية التبريد.
• نوع المبخر: تشمل أنواع المبخر التي تستخدمها مبردات النيتروجين ألواح حلزونية، وحزم أنابيب، ولفائف حلزونية، ومبادلات حرارية لوحية، وغيرها. تمتلك أنواع مختلفة من المبخر تصاميم وبُنى متميزة، والتي لها تأثيرات مختلفة على كفاءة تبادل الحرارة والأداء.
• مبرد: يشير مبرد مبرد النيتروجين إلى المادة المستخدمة لامتصاص الحرارة أثناء عملية التبريد. يمكن أن يكون النيتروجين السائل مبردًا. تتمتع النيتروجين السائل بنقطة غليان منخفضة للغاية وتُستخدم على نطاق واسع في المجالات الصناعية والتجارية لتوفير بيئات مُبردة وتبريد.

الصيانة

• التفتيش والتنظيف: تحقق بانتظام مما إذا كانت الأجزاء الخارجية بها أضرار واضحة أو أجزاء فضفاضة، إلخ، لضمان سلامة واستقرار المعدات. نظّف سطحها الخارجي وبعض مواد التنظيف غير القابلة للتآكل وغير السامة لتجنب تأثير الأوساخ والغبار على تبديد الحرارة والأداء.
• تحكم معلمات التشغيل: تحقق وضبط معلمات التشغيل بانتظام، مثل الضغط ودرجة الحرارة، إلخ، لضمان تشغيل المعدات بأداء مثالي. أضف المبرد في الوقت المناسب للحفاظ على نظام مغلق وتجنب تسرب المبرد مما يؤدي إلى انخفاض تأثير التبريد.
• صيانة كهربائية: تحقق بانتظام من المكونات الكهربائية للمعدات، مثل المقاطعات والمرحلات، إلخ، ونظّف الصناديق الكهربائية بحيث تكون الدائرة آمنة وموثوقة. تحقق من الوصلات الكهربائية لضمان أنها قوية وليست فضفاضة لتجنب حدوث خلل كهربائي أو مخاطر أمان.
• صيانة روتينية: ضع خططًا للصيانة وفقًا لاستخدام مبرد، مع ضمان الصيانة والإصلاحات المنتظمة. تضمن الصيانة المهنية المجدولة والتفتيش التشغيل المستقر على المدى الطويل للمعدات.

سيناريوهات تبريد النيتروجين

يُوضّح أدناه بعض تطبيقات تبريد النيتروجين في مجالات مختلفة.

• عملية التجميد المُبرد

  يُعد نظام تبريد النيتروجين ضروريًا لعملية تجميد الطعام المُبرد. باستخدام درجة حرارة النيتروجين السائل المنخفضة للغاية، يمكن تجميد المواد الغذائية بسرعة، مما يجعلها متجمدة بشكل صلب. تحتفظ الأطعمة المُبردة بسرعة بنكهتها وقيمتها الغذائية عند الحفظ.

• التطحين المُبرد

  يتم طحن المادة إلى جزيئات صغيرة للغاية عند درجات حرارة مُبردة باستخدام نظام تبريد النيتروجين لخفض درجة حرارة هشاشة المادة وزيادة هشاشتها، مما يؤدي إلى سهولة الطحن. يُستخدم تبريد النيتروجين في صناعة البوليمرات لتحسين كفاءة طحن المواد وإنتاجيتها.

• تبريد المشروبات

  تستخدم صناعة المشروبات تبريد النيتروجين على نطاق واسع. باستخدام قدرته على خفض درجات الحرارة بسرعة، يُستخدم تبريد النيتروجين لتبريد المشروبات بسرعة. هذا مفيد بشكل خاص في التجمعات الكبيرة والمهرجانات والفعاليات الرياضية حيث يوجد حشد كبير وقليل من الوقت لتبريد المشروبات.

• المواد المعدنية ذات درجات الحرارة

  تُعد عملية التبريد جزءًا من معالجة العديد من سبائك المعادن، بما في ذلك الصلب والألمنيوم والتيتانيوم، باستخدام طريقة تبريد النيتروجين. تُحسّن الطريقة خصائص المعدن، مثل صلابته وقدرته على تحمل الضغط، من خلال تبريد المواد المعدنية بسرعة لتحسين قوتها وطول عمرها.

• الفلورة الضوئية ذات درجات الحرارة المنخفضة

  تعتمد تقنية قياس الفلورة الضوئية ذات درجات الحرارة المنخفضة بشكل كبير على تبريد النيتروجين. تكشف هذه التقنية عن الفلورة الضوئية المنبعثة من مواد العينة بعد إثارتها بواسطة مصدر ضوء قوي.

• المجهر الإلكتروني المُبرد (Cryo-EM)

  تُعد المجهرية الإلكترونية المُبردة أحد التقنيات الرئيسية لعلم الأحياء الهيكلي. يجب تبريد العينات إلى درجات حرارة مُبردة للحفاظ على بنيتها وتجنب التلف أثناء التصوير. يتم تحقيق ذلك باستخدام أنظمة تبريد النيتروجين، والتي توفر التحكم في درجة الحرارة والاستقرار اللازمين لتصوير وتحليل عالي الجودة.

• الحفاظ على العينات البيولوجية

  تُستخدم أنظمة تبريد النيتروجين بشكل متكرر في بنوك الجينات والمستشفيات للحفاظ على العينات البيولوجية مثل الخلايا والأنسجة والحمض النووي. يتم حفظ العينات بطريقة مستقرة ومُحمية بفضل درجات الحرارة المنخفضة الثابتة التي توفرها أنظمة تبريد النيتروجين. هذا يضمن الحفظ طويل الأجل لهذه العينات، وهو أمر ضروري للأبحاث والتحليلات المستقبلية.

كيفية اختيار تبريد النيتروجين

عند التفكير في مبردات النيتروجين، فإن أحد العوامل الأساسية التي يجب مراعاتها هو أنواع مولدات النيتروجين المتاحة. تُعد آلة الامتصاص بالتذبذب الضغطي (PSA) الأكثر استخدامًا. تعمل عن طريق فصل النيتروجين عن الأكسجين في الهواء باستخدام الضغط. يُعد مولد النيتروجين الغشائي خيارًا شائعًا آخر، والذي يستخدم تقنية الغشاء لفصل الغاز. بالنسبة للشركات التي تستخدم كمية كبيرة من النيتروجين، يمكن أن يكون مولد مُبرد مثاليًا. ينتج النيتروجين السائل عن طريق تبريد الهواء إلى درجات حرارة مُبردة. ثم يتم استخدام خزان النيتروجين السائل لتخزين النيتروجين السائل عند درجة حرارة أقل من -196 درجة مئوية.

تتمثل الخطوة التالية في تحديد حجم النيتروجين السائل المطلوب يوميًا أو أسبوعيًا أو شهريًا للتطبيق المقصود. لعمل تقدير دقيق، حلل استخدام النيتروجين في عملية التبريد، مثل الكمية اللازمة لتبريد عدد معين من المنتجات أو الدُفعات. بالإضافة إلى ذلك، ضع في الاعتبار تكرار مدة استخدامات النيتروجين، مثل عدد مرات إجراء دورات التبريد في اليوم.

من الجيد أيضًا تقييم سعة تخزين أوعية النيتروجين السائل. قد يكون وعاء النيتروجين السائل الصغير بسعة تخزين من 30 لترًا إلى 50 لترًا مناسبًا لمنشأة صغيرة ذات احتياجات محدودة من النيتروجين. من ناحية أخرى، فإن خزانات النيتروجين السائل الكبيرة بسعة تصل إلى 1000 لتر أو أكثر أكثر ملاءمة للمرافق الصناعية أو التجارية واسعة النطاق التي تتطلب إمدادًا ثابتًا من النيتروجين للتبريد.

تذكر تحليل نظام التوصيل والإمداد أيضًا. استكشف الخيارات المتاحة لتخزين ونقل وتوزيع النيتروجين السائل أو غاز النيتروجين. تحقق من وجود خزانات تخزين مناسبة أو أوعية ديوار أو أوعية ضغط للتخزين الآمن. تأكد من وجود موردين موثوقين مع لوجستيات فعالة للتوصيل المستمر لتجنب أي انقطاعات في عملية التبريد. من المهم أن يكون لديك نظام أمان يتوافق مع معايير السلامة العالمية عند التعامل مع مُبردات النيتروجين. يشمل ذلك وجود أنظمة تخزين ونقل مقاومة للتسرب وجيدة التهوية. يجب أن تكون هناك أيضًا تدابير أمان مثل صمامات تخفيف الضغط وأنظمة إيقاف التشغيل في حالات الطوارئ وأنظمة مراقبة مستوى النيتروجين.

أسئلة وأجوبة حول تبريد النيتروجين

س1: لماذا تستخدم النيتروجين السائل للتبريد؟

ج1: قد تصبح التفاعلات الكيميائية أبطأ، وقد تتشكل المواد الصلبة عندما تُبرد المواد إلى درجة حرارة معينة. تتحول بعض المركبات إلى سوائل مُبردة عند درجات حرارة منخفضة. قد يكون تخزين وتداول كميات كبيرة من السوائل المُبردة أمرًا صعبًا. من الأفضل استخدام النيتروجين السائل لتبريد مواد أخرى نظرًا لدرجة حرارته المنخفضة.

س2: هل النيتروجين السائل أبرد من الثلج الجاف؟

ج2: النيتروجين السائل أبرد بكثير من الثلج الجاف. تبلغ درجة حرارة النيتروجين السائل حوالي -196 درجة مئوية، بينما تبلغ درجة حرارة الثلج الجاف حوالي -78.5 درجة مئوية.

س3: لماذا يُستخدم النيتروجين كمبرد؟

ج3: تجعل الخصائص التالية للنيتروجين مناسبًا للاستخدام كمبرد: يمكن امتصاص كمية كبيرة من الحرارة بواسطة المبردات عند تغيير طورها. تُشير نقطة غليان النيتروجين عند -196 درجة مئوية إلى أنه من الممكن تبريد الأشياء إلى درجات حرارة منخفضة للغاية. يُعد النيتروجين عنصرًا لا يشكل أي خطر على البيئة، على عكس العديد من المبردات الأخرى، لأنه غير سام وغير قابل للاشتعال وغير مُسبب للاحتباس الحراري.