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Kryogene Anwendungen umfassen Materialien und Prozesse, die eine hohe Temperatur aufrechterhalten oder das Volumen eines Objekts reduzieren können. Beispiele hierfür sind kryogene Kühlung und Tunnelgefrieranlagen. Kryogene Dichtungslösungen können eingesetzt werden, um Materialien in einem inerten Zustand zu halten und Korrosion zu verhindern.
Kryogene Kühlung kann in zahlreichen industriellen Anwendungen von Vorteil sein. Beispielsweise kann ein kaltes Kühlfluid bei der spanenden Bearbeitung die Schnittkraft erhöhen und die Spanbrechlichkeit verbessern. Darüber hinaus verringern kalte Temperaturen die Reibung und reduzieren so den Kraftaufwand für den Werkstückvorschub. Kryogene Kühlung ist jedoch nicht immer kosteneffizient, und es gibt einige häufige Fehler, die es zu vermeiden gilt.
Kryogene Kühlung ist nicht nur energieeffizienter, sondern auch kostengünstiger als mechanische Kühlmethoden. Sie ist zudem schneller und ermöglicht unterbrechungsfreie Prozesse. Darüber hinaus sind kryogene Systeme einfacher zu warten und zu reinigen. Dies macht sie für viele Anwendungen zur besseren Wahl. Im Folgenden sind nur einige der vielen Vorteile der kryogenen Kühlung in Anwendungen aufgeführt:
Erstens muss ein kryogenes Kühlsystem konstante Temperaturen aufrechterhalten können. Kryogene Flüssigkeiten sind extrem dicht und neigen dazu, Wärme aufzunehmen. Daher ist es wichtig, hochwertige vakuumisolierte Rohre zu verwenden, um die Wahrscheinlichkeit einer signifikanten Wärmeaufnahme zu verringern. Zweitens können kryogene Flüssigkeiten Zweiphasenströmungen erzeugen, die zu einem reduzierten Massenstrom und Rohrleitungsvibrationen führen.
Kryogene Kühlsysteme müssen einen geschlossenen Kreislauf aufweisen, der verschiedene Designaspekte berücksichtigt. Dazu gehören Kälteerzeugung, Wärmeübertragung, Strömungswiderstand und Kosten. Diese Designs sind oft iterativ und erfordern die Optimierung einer Reihe von Parametern. Ausgangspunkte für diesen Designprozess sind die für die Kundenanwendung erforderliche Kühlleistung, das erreichbare Delta T für die Anwendung und der Betriebsdruck des Kühlmediums.
Obwohl die kryogene Kühlung eine nützliche Technik zum Kühlen empfindlicher Materialien ist, birgt sie auch Risiken. Das flüssige Kohlendioxid und der Stickstoff sind für den Menschen ungiftig, können aber aufgrund ihrer niedrigen Temperatur den atembaren Sauerstoff in einem Raum verdrängen. In hohen Konzentrationen eingeatmet, können sie Übelkeit, Schwindel und Kopfschmerzen verursachen. Daher ist es wichtig, bei der kryogenen Kühlung gut belüftete Räume zu nutzen und ein Sauerstoffmessgerät zu verwenden.
Kryogene Brennstoffe können für verschiedene Zwecke eingesetzt werden. Einige kryogene Brennstoffe werden beim Präzisionsschweißen verwendet. Andere kommen in der Medizin zum Einsatz. Zu den gängigsten kryogenen Brennstoffen zählen Argon, Stickstoff und Sauerstoff. Stickstoff wird beispielsweise verwendet, um die Schweißnaht kalt zu halten.
Kryogene Flüssigkeiten und Gase werden in der Regel in speziellen Behältern gelagert. Sie werden Dewar-Röhrchen genannt, benannt nach ihrem Erfinder James Dewar. Diese Behälter sind doppelwandig und weisen ein isolierendes Vakuum zwischen den beiden Wänden auf. Dadurch wird verhindert, dass sich der Druck durch das Sieden des Gases aufbaut. Dies könnte zu einer Explosion führen. Diese kryogenen Flüssigkeiten erfordern auch spezielle Sensoren und Geräte zur Überwachung ihrer Temperatur. Im Allgemeinen werden für kryogene Anwendungen Widerstandstemperaturdetektoren bevorzugt. Für niedrigere Temperaturen werden spezielle Siliziumdioden verwendet.
Kryogene Brennstoffe werden hauptsächlich in der Fertigungsindustrie eingesetzt. Dieses Segment wird voraussichtlich einen großen Anteil am Gesamtmarkt ausmachen. Dieses Segment wird durch die wachsende Fertigungsindustrie in Schwellenländern angetrieben, die die Nachfrage nach kryogenen Brennstoffen ankurbelt. Neben der Fertigung werden kryogene Brennstoffe auch in der medizinischen und biomedizinischen Forschung eingesetzt.
Kryogene Kraftstoffe ermöglichen die Herstellung hochenergetischer Flüssigkraftstoffe. Diese Kraftstoffe können in großen Mengen produziert und lange gelagert werden. Zudem sind sie umweltfreundlich. Flüssiger Wasserstoff ist einer der vielversprechendsten Kraftstoffe. Für Wasserstoffmotoren sind kryogene Hochdruck-Kraftstoffeinspritzung und Kraftstoffaufbereitung wichtig.
Fortschritte in der Kryotechnik begannen während des Zweiten Weltkriegs, als gefrorene Metalle verschleißfester wurden. Ende der 1960er Jahre hielt die Kryotechnik auch in der Industrie Einzug. Das erste kommerzielle Unternehmen für Kryotechnik wurde von Ed Busch gegründet, der aus der Wärmebehandlungsbranche stammte. Er interessierte sich auch für die Nutzung der Kryotechnik zur Verlängerung der Lebensdauer von Metallwerkzeugen.
Kryogene Tunnelgefriergeräte sind Gefriergeräte, die Flüssigkeiten oder Schnee bei niedrigen Temperaturen lagern und verarbeiten. Die Temperatur des Produkts kann durch die Steuerung des Kohlendioxidflusses reguliert werden. Diese Gefriergeräte können eine größere Kryogenzufuhr verarbeiten als andere Gefriergeräte.
Kryogene Tunnelfroster eignen sich hervorragend für die Verarbeitung großer Produktmengen bei geringem Platzbedarf. Sie erhöhen die Produktausbeute, indem sie die Textur erhalten und die Dehydration minimieren. Diese Froster sind mit Förderbändern, Umluftventilatoren und Abluftsystemen ausgestattet, um die Feuchtigkeit der Produkte zu erhalten.
Der Hauptunterschied zwischen herkömmlichen Tunnelgefriergeräten und kryogenen Gefriergeräten liegt in der Art und Weise, wie die Kryogene durch sie gepumpt werden. Im Gegensatz zu flüssigem Stickstoff wird flüssiges CO2 unter hohem Druck in den Tunnel geleitet und dehnt sich zu einem Gemisch aus Gas und Trockeneispartikeln aus. Diese Feststoffpartikel, allgemein als Trockeneisschnee bekannt, werden dann durch die Hitze des Lebensmittels sublimiert. Dadurch absorbiert das CO2 die Wärme und erzeugt einen Kühleffekt. Die latente Sublimationswärme beträgt etwa 120 BTU pro Pfund festes CO2.
Kryogene Tunnelfroster werden in der Lebensmittelindustrie häufig eingesetzt. Sie bieten viele Vorteile, Inklusive Die Fähigkeit, große Mengen Lebensmittel schnell zu kühlen. Diese Gefrierschränke können entweder mit einem Gleichstrom- oder Gegenstromsystem ausgestattet werden. Dadurch wird eine sichere und gleichmäßige Kühlung des Produkts gewährleistet.
Ein kryogener Tunnelfroster ist vielseitig einsetzbar. Der Hauptvorteil dieses Gefriergeräts ist sein geringer Platzbedarf und die einfache Installation an einem Wochenende. Kryogene Tunnelfroster verwenden flüssigen Stickstoff, um die gewünschte Temperatur zu halten. Durch die Verwendung von flüssigem Stickstoff zur Kühlung flüssiger Milchprodukte entfällt der Einsatz gefährlicher Abluftventilatoren. Kryogene Tunnelfroster sind zudem kostengünstig in Anschaffung und Wartung und lassen sich einfach installieren.
Kryogene Dichtungslösungen erfordern eine Materialkombination, die extremem Druck und extremen Temperaturen standhält. Flüssigsauerstoff ist eines der am häufigsten verwendeten Medien. Diese Anwendungen können Betriebstemperaturen von -20 °C bis 260 °C aufweisen. Um extremen Temperaturen standzuhalten, müssen kryogene Dichtungen aus den besten Materialien gefertigt und auf optimale Effizienz ausgelegt sein. Neben der Wahl der richtigen Materialien ist auch die Wahl des richtigen Herstellers entscheidend.
Kryogene Flüssigkeiten werden zur Stabilisierung und Verlangsamung chemischer Reaktionen eingesetzt und gewährleisten so eine genaue Messung und einen präzisen Transport. Kryogene Flüssigkeiten werden üblicherweise per Eisenbahnwaggon oder LKW transportiert und erfordern für sicheren Transport und Handhabung eine spezielle Abdichtung. Die raue Umgebung dieser Flüssigkeiten kann bei unsachgemäßer Handhabung lebensgefährlich sein. Sie sind zudem leicht entflammbar und können aufgrund ihrer schnellen Ausdehnung explodieren.
Die kryogene Versiegelung mit flüssigem Stickstoff ist ein anspruchsvoller Prozess. Druck und Temperatur müssen präzise kontrolliert werden. Zudem dürfen Dichtungen keine Schmiermittel verwenden, da dies zu Ausfällen führen kann. PTFE ist ein bevorzugtes Material für kryogene Anwendungen. Seine chemische Verträglichkeit, seine vorteilhaften thermischen Eigenschaften und seine Dimensionsstabilität machen es zu einer guten Wahl für kryogene Dichtungen.
Kryogene Dichtungslösungen sind vielfältig einsetzbar. Statische kryogene Dichtungen unter hohem Druck lassen sich mit biegebetätigten beschichteten Metalldichtungen erreichen. Darüber hinaus können bei statischen kryogenen Dichtungen unter hohem Druck auch umsichtige Flanschverbindungen eingesetzt werden. Kryogene Dichtungslösungen wurden bereits im Haupttriebwerk, im Außentank und in der Saturn I des Space Shuttles eingesetzt. Sie eignen sich aber auch für eine Vielzahl anderer Anwendungen und Systeme.
Polymere sind ein weiteres Material, das in kryogenen Anwendungen zum Einsatz kommt. Diese Materialien zeichnen sich durch ihr hohes Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht aus. Polymere zeichnen sich zudem durch eine geringe Wärmeleitfähigkeit und hohe Elastizität aus, wodurch sie sich für ein breites Anwendungsspektrum eignen.
Kryogenes Biobanking ist eine äußerst wertvolle Ressource für Forschungslabore weltweit. Es bewahrt die Integrität hochwertiger Proben und gewährleistet gleichzeitig die Zugänglichkeit und Rückverfolgbarkeit der Proben. Mithilfe des speziell entwickelten Softwaresystems CryoSMART werden die Prozesse in der Kryolagerung überwacht und gesteuert. Die Software umfasst eine Datenbank mit Probeninformationen sowie ein Rückverfolgbarkeitssystem für die Lagerbedingungen.
Der Markt für kryogene Biobanking-Dienstleistungen wird in den kommenden Jahren aufgrund der steigenden Nachfrage nach biologischen Proben voraussichtlich wachsen. Mit der zunehmenden Anzahl wissenschaftlicher Forschungsprojekte dürfte auch die Nachfrage nach kryogenen Biobanking-Dienstleistungen steigen. Zu den Faktoren, die zum Marktwachstum beitragen, zählen steigende Investitionen von Pharmaunternehmen, die zunehmende Nutzung von Nabelschnurblutbanken und die Einführung neuer kryogener Biokonservierungsanlagen.
Der Markt für kryogene Biobanking-Dienstleistungen ist regional segmentiert. Nordamerika ist der größte Markt für kryogene Biobanking-Dienstleistungen. Europa ist die zweitgrößte Region. Der Markt für kryogene Biobanking-Dienstleistungen wird voraussichtlich bis 2029 ein Volumen von XX Millionen US-Dollar erreichen. Kryogene Biobanking-Dienstleistungen dienen der Lagerung von Bioproben für die Forschung und Entwicklung neuer Medikamente. Der asiatisch-pazifische Raum ist einer der aufstrebenden Märkte für kryogene Biobanking-Dienstleistungen.
Die wachsende Bedeutung von Biobanken in Forschung und Entwicklung führt zu einer Vielzahl von Technologien und Strategien, um diese nachhaltiger zu gestalten. Die Verwendung von Stickstoffgas bietet zahlreiche Vorteile. Sie senkt die Temperatur, reduziert das Kontaminationsrisiko und ist umweltfreundlich. Das Verfahren minimiert zudem Wartungskosten und -zeit. Es ist möglich, Bioproben sowohl von der Allgemeinbevölkerung als auch von Patienten ausschließlich zu Forschungszwecken zu sammeln. Um eine Biobank betreiben zu können, muss die Einrichtung über ausreichende finanzielle Mittel verfügen, um die Kosten zu decken.
Der Einsatz kryogener Biobank-Technologie ist ein wichtiger Bestandteil der klinischen Forschung. Mithilfe dieser Proben können Ärzte die Wirksamkeit neuer Behandlungen beurteilen und feststellen, ob sie wirken oder nicht.
