Pam mae gwresogyddion cetris safonol yn methu ar -50 gradd - a beth sy'n gweithio yn lle
Mae cyfleuster storio cryogenig yn galw gyda phroblem frys. Ni fydd yr elfennau gwresogi ar linell nwy nitrogen critigol yn troi ymlaen. Mae'r tymheredd y tu allan yn darllen -45 gradd, ac mae angen i'r system gynnal llif i atal rhwystrau iâ. Mae gwresogyddion cetris safonol, sydd wedi'u graddio ar gyfer defnydd diwydiannol cyffredinol, naill ai'n gwrthod cychwyn neu'n llosgi allan o fewn munudau i gael eu pweru. Mae'r senario hwn yn digwydd yn llawer amlach nag y mae'r rhan fwyaf o ddylunwyr offer yn ei sylweddoli.
Nid gweithgynhyrchu gwael yw’r broblem. Mae'r broblem yn mynd yn ddyfnach - mae diffyg cyfatebiaeth sylfaenol rhwng sut mae gwresogyddion safonol yn cael eu dylunio a sut maen nhw'n perfformio mewn gwirionedd mewn oerfel eithafol. Ar -20 gradd ac is, mae gwresogyddion cetris safonol yn methu mewn ffyrdd rhagweladwy. Mae crebachiad thermol yn creu newidiadau dimensiwn sy'n cracio inswleiddio. Mae lleithder o anwedd yn achosi tracio trydanol. Mae priodweddau materol yn newid mewn ffyrdd sy'n cyflymu diraddio.
Mae'r ffiseg ar waith yn syml ond yn aml yn cael ei hanwybyddu. Pan fydd foltedd yn cael ei gymhwyso i wifren gwrthiant sydd wedi'i oeri i dymheredd cryogenig, mae gwres yn cronni ar unwaith ar wyneb y wifren. Fodd bynnag, mae'r inswleiddiad magnesiwm ocsid a'r wain metel o'i gwmpas yn parhau i fod yn oer. Yn ystod yr ychydig eiliadau cyntaf o weithredu, mae'r gwahaniaeth tymheredd ar draws rhyngwynebau deunydd yn creu graddiannau thermol sy'n fwy na 500 gradd Celsius y centimetr. Mae gwain dur di-staen safonol 304, sy'n berffaith ddigonol ar gyfer y rhan fwyaf o gymwysiadau diwydiannol, yn colli hydwythedd ar y tymereddau hyn a gallant chwalu o dan straen mecanyddol o ehangu gwahaniaethol.
Mae'r wifren gwrthiant ei hun yn ymddwyn yn wahanol yn yr oerfel. Mae aloion cromiwm nicel, y safon ar gyfer adeiladu gwresogydd cetris, yn dangos ymwrthedd is ar -30 gradd nag ar dymheredd amgylchynol - yn nodweddiadol gostyngiad o 10 i 15 y cant yn dibynnu ar gyfansoddiad yr aloi. Mae hyn yn golygu bod gwresogydd yn tynnu mwy o gerrynt ac yn cynhyrchu mwy o bŵer nag a nodir wrth ddechrau o oerfel. Gall gwresogydd sydd â sgôr o 10 amp ar 20 gradd dynnu 11 i 12 amp yn ystod cychwyn cychwynnol mewn amgylcheddau nitrogen hylifol. Gall yr ymchwydd hwn faglu cylchedau amddiffyn neu niweidio cydrannau nas manylir arnynt.
Mae gwresogyddion cetris tymheredd isel iawn yn mynd i'r afael â'r heriau hyn trwy beirianneg arbenigol na all fformatau cyffredin eu cynnig. Mae'r gwaith adeiladu yn dechrau gydag inswleiddiad magnesiwm ocsid dwysedd uchel wedi'i gywasgu trwy brosesau swatio sy'n dileu bylchau lle gallai anwedd gasglu. Mae hyn yn sicrhau trosglwyddiad gwres effeithlon hyd yn oed pan fydd yr amgylchedd allanol yn gweithio'n weithredol yn erbyn yr elfen wresogi trwy dynnu egni thermol i ffwrdd yn gyflymach nag y byddai aer.
Mae dewis deunydd yn dod yn hollbwysig. Mae dur di-staen 316L yn cynnig perfformiad uwch ar dymheredd cryogenig oherwydd bod ei gynnwys nicel uwch a chynnwys carbon is yn cynnal rhinweddau mecanyddol trwy siglenni tymheredd. Mae aloion cyfres Inconel 600 neu 800 yn cynrychioli'r dewis premiwm ar gyfer y cymwysiadau mwyaf heriol, gan drin beicio thermol rhwng lefelau cryogenig a thymheredd y tu hwnt i 500 gradd heb golli cywirdeb strwythurol.
Mae'r trefniant diwedd oer a gwifren plwm yn gofyn am sylw arbennig. Ar -40 gradd, mae morloi silicon safonol yn mynd yn galed ac yn frau, gan gracio o bosibl a chaniatáu i leithder atmosfferig fynd i mewn. Mae cyfansoddion silicon tymheredd isel neu seliau ceramig a gynlluniwyd yn benodol ar gyfer dyletswydd cryogenig yn parhau i fod yn hyblyg ac yn cynnal eu sêl ar draws yr ystod tymheredd llawn. Rhaid i inswleiddiad gwifrau plwm hefyd wrthsefyll brau - mae cyfansoddion PVC yn methu, tra bod gwydr ffibr gyda Teflon neu silicon yn cynnal ei briodweddau dielectrig a'i hyblygrwydd.
Mae cyfrifiadau dwysedd pŵer yn gofyn am ail-raddnodi ar gyfer gweithrediad is-sero. Efallai y bydd angen 20 i 40 wat fesul centimetr sgwâr ar gymwysiadau diwydiannol safonol, ond mae - amgylcheddau 40 gradd yn aml yn mynnu dwyseddau o 50 i 60 wat fesul centimetr sgwâr dim ond i oresgyn effaith sinc gwres ymosodol yr amgylchedd wedi'i rewi. Mae'r allbwn thermol uwch hwn yn rhoi mwy o straen ar gydrannau mewnol, sy'n gofyn am beirianneg ofalus i gydbwyso ymateb gwresogi cyflym yn erbyn dibynadwyedd hirdymor.
Ar gyfer cymwysiadau lle mae tymheredd yn gostwng i -50 gradd a thu hwnt, mae'r gwahaniaeth rhwng gwresogyddion cetris safonol ac arbenigol yn dod yn fater o lwyddiant gweithredol yn erbyn methiant system. Efallai y bydd atebion safonol yn ymddangos yn ddigonol ar bapur, ond mae perfformiad maes gwirioneddol yn adrodd stori wahanol. Mae offer sy'n gweithredu mewn labordai ymchwil cryogenig, unedau storio fferyllol, siambrau profi awyrofod, a phrosesau diwydiannol arbenigol yn gofyn am reolaeth thermol sy'n cyfrif am ffiseg unigryw oerfel eithafol. Nid fersiwn ddrytach o uned safonol yn unig yw gwresogydd cetris a nodir ar gyfer toll tymheredd isel iawn – mae’n gynnyrch sylfaenol wahanol a luniwyd ar gyfer amodau lle na all dyluniadau safonol oroesi.
