氦氣低溫應用的4種方式丨Invictus 證實津巴布韋項目中存在氦氣

低溫科學的各個方面出現(xiàn)在 19 世紀早期法拉第和焦耳的實驗中。低溫學涉及使材料經(jīng)受極低的溫度，通常低于 -150 °C。液氮或液氦等低溫液體的使用使我們能夠安全地達到極端溫度，而不必擔心與高溫過程相關(guān)的火災隱患。在涉及寒冷環(huán)境的任何項目中，這些物質(zhì)都發(fā)揮著不可或缺的作用。

氦氣具有多種可用于低溫過程的特性。它的沸點低于大多數(shù)其他元素，使其適合快速有效地達到非常低的溫度。由于其無毒特性，該過程也保持安全。難怪如此多的行業(yè)更加依賴氦的低溫原理和應用。

什么是低溫技術(shù)？

低溫學研究材料在極低溫度下的生產(chǎn)和行為。氦氣等低溫液體的溫度范圍介于 -271.15°C 至 -196°C 之間。低溫應用利用了在這些低溫環(huán)境中增加強度、改善導電性和增強隔熱等特性。

低溫技術(shù)背后的原理涉及控制冷卻速率。這是通過利用沸點和蒸發(fā)速率來實現(xiàn)所需的溫度范圍來完成的。在某些情況下，這涉及使用機械制冷劑甚至液氮將材料迅速冷卻至零度以下。通過操縱環(huán)境，材料可以冷卻到室溫以下，而不會將其物理狀態(tài)從固態(tài)變?yōu)橐簯B(tài)。

然而，并非所有材料在暴露于極端寒冷條件下時都會做出同樣的反應。例如，無論冷卻多遠，氦氣仍然是氣體，而水在 0°C 時會變成冰。了解每種材料在不同溫度下的獨特特性有助于科學家確定哪些物質(zhì)最適合特定的低溫應用。

氦的性質(zhì)

氦是一種具有兩種天然同位素的元素，即氦3和氦4。氦4是這兩種同位素中最豐富的，約占地球上所有天然氦原子的99.9%。它具有許多獨特的特性，使其在低溫應用中具有無可估量的價值。

當冷卻到接近絕對零（-273°C）的溫度時，液氦會表現(xiàn)出超流動性，即其粘度降至零的狀態(tài)，并且可以無任何阻力地流動。這種特性使浸入液氦中的小物體有可能比在正常重力條件下移動得更快，從而使它們可用于科學研究目的。

此外，低冷凝溫度使氦氣成為某些工業(yè)過程（例如低溫學和半導體制造）中減壓的理想選擇。

氦氣的其他主要特性包括：

-269℃的極低沸點；

導熱系數(shù)隨著壓力的增加而增加，最高可達大氣壓力下空氣導熱系數(shù)的十倍；

當壓縮成液態(tài)時，其密度增加近 200 倍；

低冷凝溫度和高導熱性的結(jié)合使其成為可用于將制冷系統(tǒng)冷卻至接近絕對零溫度的最佳材料之一。

氦氣在許多行業(yè)和領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用，包括航空航天、核能發(fā)電、醫(yī)學成像和電子產(chǎn)品生產(chǎn)。了解不同元素在極端溫度和壓力下的行為方式有助于科學家更好地理解支配我們宇宙的基本物理定律。這使我們更接近解開有關(guān)物質(zhì)本身性質(zhì)的秘密。

低溫應用的溫度范圍

低溫是通過使用氦氣作為冷卻劑來實現(xiàn)的。為了保持這些極低的溫度，低溫系統(tǒng)必須密封并與外部熱源隔離。這使它們能夠保持穩(wěn)定的溫度，同時仍允許不同組件之間的能量交換。在某些情況下，例如在醫(yī)療應用中，液氮或其他低溫氣體也可用于實現(xiàn)比單獨使用氦氣可實現(xiàn)的溫度更低的溫度。

在執(zhí)行某些需要極端溫度控制的程序或?qū)嶒灂r，這些超低溫有助于提高精度和準確性。此外，它們還允許研究人員研究僅存在于狹窄溫度或壓力范圍內(nèi)的現(xiàn)象。

氦氣冷卻系統(tǒng)的使用使許多獨特的應用成為可能。例如，粒子加速器等高精度儀器依賴于在絕對零附近運行的冷卻劑系統(tǒng)才能正常和安全地運行。同樣，各種類型的儲存容器依靠類似的技術(shù)來長期保存其內(nèi)容物而不會降解或污染。

如果沒有可靠的低溫學，今天許多重要的技術(shù)根本不會存在。

極低的溫度如何影響材料？

在極低溫下，材料會受到各種物理影響。

從抗熱震性和溫度引起的斷裂到低溫應力，這些材料必須經(jīng)過精確設(shè)計才能承受此類條件。

在設(shè)計用于低溫的任何設(shè)備或結(jié)構(gòu)時，抗熱震性是一個重要因素。為了使設(shè)備或結(jié)構(gòu)不因溫度突然變化而損壞，必須使用特殊的絕緣材料。低溫絕緣有助于保護設(shè)備內(nèi)部部件免受環(huán)境溫度快速變化的影響。如果處理不當，隨著時間的推移，這可能會導致開裂和其他形式的破壞。

低溫引起的另一種影響是溫度誘導斷裂 (TIF)。當某些類型的金屬在低溫下變脆并且在應變或壓力下更容易破裂時，就會發(fā)生 TIF。

脆性程度取決于所使用的金屬類型。因此，設(shè)計師和工程師在為零度以下溫度的項目選擇合適的材料時一定要多加注意。

由于長時間暴露在極低的溫度下，可能會發(fā)生低溫應力。Cryostress 是由機械力和極冷環(huán)境共同引起的。

如果在設(shè)計階段沒有采取適當?shù)念A防措施，這會增加結(jié)構(gòu)失效的可能性。例如，某些合金可能需要在角落和邊緣周圍進行額外的加固，因為在這些地方可能會比物體本身的其他地方集中更多的應變。

氦氣冷卻：工業(yè)用途

氦氣冷卻已在各種工業(yè)應用中實施，以提高效率和安全性。

它廣泛用于低溫工業(yè)，因為它既可以快速冷卻物體，又可以使物體長時間保持在超低溫下。工業(yè)氦氣冷卻系統(tǒng)通常采用允許用戶輕松精確調(diào)整溫度設(shè)置的技術(shù)。這使其成為工業(yè)低溫存儲等大規(guī)模過程的理想選擇。在儲存過程中，必須長時間保持溫度的均勻性。

與傳統(tǒng)方法相比，工業(yè)氦氣冷卻還使制造商能夠通過降低能耗來降低運營成本。

許多公司都采用了這項技術(shù)。它能夠最大限度地減少制造過程中的熱量產(chǎn)生，并減少其對環(huán)境的整體影響。此外，當與超導體等其他材料或技術(shù)結(jié)合使用時，氦氣冷卻可以提供更大的性能優(yōu)勢。

航天器和衛(wèi)星中的低溫技術(shù)

低溫技術(shù)已被用于航天器和衛(wèi)星以實現(xiàn)高效運行。

低溫技術(shù)用于太空應用，因為它們允許在較低溫度下儲存推進劑并降低其蒸氣壓。低溫燃料還提供比化學燃料更高的比沖，從而延長任務持續(xù)時間。低溫推進劑罐重量輕，熱膨脹系數(shù)低。這使他們能夠在船上儲存更多的燃料。

采用低溫技術(shù)的航天器有一個絕緣內(nèi)罐，內(nèi)含液態(tài)氫或液態(tài)氧，溫度保持在 -253°C 至 -183°C 之間。為保持此溫度，在容器壁周圍安裝多層絕緣 (MLI) 毯等絕緣層。這可以防止熱量從外部環(huán)境散失到其中。這些系統(tǒng)可以使用散熱器或焦耳-湯姆遜冷卻器等主動冷卻機制來進一步控制其溫度。

由于與其他類型的燃料源相比具有高功率密度，衛(wèi)星在運行期間廣泛使用低溫技術(shù)。為了讓它們在整個任務期間保持功能，衛(wèi)星需要持續(xù)供電，這由太陽能電池板或放射性同位素熱電發(fā)電機 (RTG) 提供。RTG 需要儲存在高度絕緣容器內(nèi)的液態(tài)氫來產(chǎn)生電能。因此，衛(wèi)星運營商必須嚴重依賴低溫技術(shù)來確保長時間不間斷的性能。

近年來，在提高低溫技術(shù)在航天器和衛(wèi)星中的使用效率方面取得了進展。有了這些進步，我們很可能會看到通過增加實現(xiàn)更高水平的效率提升。

氦氣冷卻：醫(yī)療用途

氦氣在醫(yī)療領(lǐng)域有多種應用，因為它的冷卻特性使其非常適合在低溫操作中使用。

這使得氦氣成為治療需要極端溫度或受控環(huán)境的疾病和病癥的寶貴資源。冷凍療法在希望通過暴露于極冷溫度下減少炎癥和增加柔韌性來改善身體機能的個人中越來越受歡迎。該過程通常涉及使用液氮或氦氧混合氣（氧氣和氦氣）罐，罐內(nèi)充滿 -156°C 的加壓氧氣和氦氣。

使用冰點溫度還有助于醫(yī)生治療各種醫(yī)療問題，包括與癌癥相關(guān)的腫瘤、良性生長和牙周病。

通過將受影響的區(qū)域暴露在超低溫下，醫(yī)生能夠安全地去除異常細胞，而不會對健康的周圍組織造成損害。該技術(shù)還用于美容行業(yè)，用于緊致皮膚、減少脂肪和面部輪廓等程序。

這些治療有許多優(yōu)點。這些包括微創(chuàng)、更快的恢復時間和比傳統(tǒng)手術(shù)方法更少的副作用。

此外，它們可以在門診病人的基礎(chǔ)上進行，與傳統(tǒng)手術(shù)相比，它們具有成本效益。所有這些好處使得酷療法（例如使用氦氣的療法）成為患者越來越理想的選擇。

超導研究中的低溫學

低溫學在超導研究中起著重要作用。低溫技術(shù)的使用允許在極低溫度下研究和分析材料。這一點很重要，因為已經(jīng)發(fā)現(xiàn)某些材料在冷卻到遠低于室溫的極低溫度時會變得超導。一些金屬被發(fā)現(xiàn)只有在暴露于低溫條件下時才會表現(xiàn)出超導特性。

通過在如此低的溫度下研究這些材料，研究人員可以更精確地分析它們的行為。低溫研究還可以深入了解某些物質(zhì)的物理特性如何隨著溫度降低而變化。

低溫應用有哪些優(yōu)勢？

低溫應用能夠為需要它的組件或系統(tǒng)提供高效冷卻。

通過使用基于氦的低溫冷卻，研究人員能夠快速冷卻零件。這使它們更容易研究或操作，而無需等待數(shù)小時或數(shù)天讓它們的溫度自然下降。通過適當?shù)慕^緣技術(shù)，這些冷卻的物體可以無限期地保持在所需的溫度水平。這使它們成為需要長時間保持一致條件的實驗的理想選擇。

與其他類型的冷卻方法相比，低溫應用的另一個好處在于它們的成本效益。通過依靠液氦而不是電力或空調(diào)裝置，公司可以在能源成本上節(jié)省大量資金，同時仍保持對溫度水平的有效控制程度。

氦氣在針對特定溫度時提供比替代方法更高的準確性，因為它在準確再現(xiàn)所需溫度方面比氮氣或氬氣等其他氣體更可靠。

不同類型的低溫系統(tǒng)

低溫系統(tǒng)用于各種應用，從超導磁體到低溫制冷。最常見的低溫系統(tǒng)類型包括低溫蒸餾、低溫泵和低溫容器。

低溫蒸餾是通過蒸發(fā)分離沸點不同的組分的過程。這種類型的系統(tǒng)在分離其成分之前使用極冷的溫度來降低被蒸餾物質(zhì)的壓力。

低溫泵在低溫下移動流體，同時通過減少由于較低流體密度引起的氣蝕和蒸發(fā)損失來保持高效率水平。

低溫容器專為儲存大量極冷材料（如液氮或氦氣）而設(shè)計。這些罐通常是隔熱層，可提供最大程度的熱保護，防止熱量傳入或傳出容器內(nèi)容物。

低溫儲存會帶來挑戰(zhàn)嗎？

在極低溫度下長期儲存的挑戰(zhàn)是復雜的。

在極端條件下儲存材料時，必須遵守安全規(guī)程。這包括發(fā)熱、壓力水平和密封系統(tǒng)等因素。

在應對這些具有挑戰(zhàn)性的環(huán)境時，確定合適的存儲材料至關(guān)重要。由于在低溫下具有耐腐蝕性，因此經(jīng)常使用由不銹鋼或鋁制成的基板。

為了促進高效的長期存儲過程，應考慮多種工程原理。這些包括絕緣技術(shù)和熱循環(huán)機制，它們可以最大限度地減少整個系統(tǒng)的溫度梯度，同時允許組件之間進行充分的熱交換。應采用適當?shù)脑O(shè)計技術(shù)來防止任何元件直接暴露于低溫液體或氣體。這有助于降低與維護和維修工作相關(guān)的成本。

使用低溫氣體：安全問題

在低溫下使用氦氣需要勤奮并了解安全預防措施。不遵守適當?shù)膮f(xié)議可能會導致嚴重的后果。

他們包括：

處理低溫液體或氣體時穿合適的衣服；

熟悉所用任何化學品的相關(guān)安全數(shù)據(jù)表；

使用專為低溫工作設(shè)計的設(shè)備。

使用低溫材料時，還必須特別注意通風要求。如果沒有適當?shù)耐L系統(tǒng)，危險濃度的氣體會迅速在封閉空間內(nèi)積聚。在使用大量低溫的區(qū)域附近必須維護良好的排氣系統(tǒng)。定期維護應包括檢查所有暴露在可燃環(huán)境中的連接處是否有泄漏。

此外，在安裝和操作裝有制冷劑的壓力容器時必須始終小心。只有根據(jù)適用的規(guī)范和標準（例如 ASME（美國機械工程師協(xié)會）發(fā)布的規(guī)范和標準）建造，才能確保壓力容器的完整性。

涉及這些容器操作的所有人員都應定期接受有關(guān)安全操作程序和與之相關(guān)的潛在危險的培訓。

低溫系統(tǒng)：環(huán)境效益和危害

低溫系統(tǒng)具有廣泛的環(huán)境效益，包括在許多領(lǐng)域提高效率和降低能源消耗。

低溫應用已被用于減小組件的尺寸和重量，同時允許它們保持其性能。冷卻可以有效地應用于低溫應用，例如需要低于 -60°C 的溫度的超導或液化過程。通過使用低溫應用，可以用更少的資源實現(xiàn)更高效的生產(chǎn)條件。

也有與低溫系統(tǒng)相關(guān)的潛在危險。

如果在涉及危險材料的操作過程中未遵循適當?shù)陌踩A防措施，則低溫學涉及的極端溫度會帶來風險。例如，液氮極冷，與皮膚接觸會導致凍傷或其他傷害。

此外，在非常低的溫度下，氧氣會變得足夠豐富，在某些條件下會產(chǎn)生爆炸性氣氛。因此，必須仔細監(jiān)測和維護低溫系統(tǒng)，以確保安全運行并最大程度地減少對環(huán)境的影響。

用于低溫學的氦氣：未來趨勢

氦氣是低溫應用的基本元素，已用于從食品包裝到醫(yī)學研究的各種行業(yè)。與氦低溫技術(shù)相關(guān)的供應鏈在過去十年中穩(wěn)步增長。研究人員正在探索使用超低溫安全儲存組織樣本和器官同時保持其完整性的方法。這可能會徹底改變移植的執(zhí)行方式，并為使用儲存的細胞和組織進行治療開辟新的可能性。

氦的低溫能力的其他工業(yè)用途包括改進藥品或半導體的生產(chǎn)工藝。有了這項技術(shù)，公司可以通過減少制造過程中因熱量引起的氧化來更快、更便宜地生產(chǎn)更高質(zhì)量的產(chǎn)品。一些先進材料需要精確的冷卻水平，而這僅存在于可通過氦基低溫系統(tǒng)實現(xiàn)的極端溫度下；由于全球消費者的需求不斷增加，這些材料可能很快就會變得司空見慣。

澳大利亞公司 Invictus Energy 已證實其在津巴布韋擁有 80% 股權(quán)的 Cabora Bassa 項目中存在輕油、豐富的天然氣凝析油和氦氣。

該公司證實了砂巖儲層中存在多個油氣產(chǎn)層，同時宣布對該項目的 Mukuyu-1 井樣品進行泥氣成分分析。該井的鉆探工作于去年 9 月開始。

Invictus 估計 Upper Angwa 水庫的凝析氣比 (CGR) 為每百萬標準立方英尺天然氣 (bbls/MMscf) 30 至 135 桶凝析油發(fā)現(xiàn)該氣體質(zhì)量高，惰性含量極低，二氧化碳 (CO 2 ) 含量低于 1%。

根據(jù)泥漿氣分析，該公司還確認存在濃度約為 0.1% 的氦氣，與全球商業(yè)氦氣生產(chǎn)商一致。

Invictus Energy 董事總經(jīng)理 Scott Macmillan 表示：“泥漿氣成分分析的結(jié)果明確證明了 Mukuyu-1 的多個儲層產(chǎn)油層中存在碳氫化合物，這與電纜測井解釋、熒光和升高的泥漿氣讀數(shù)一致。

此外，多個儲層單元中商業(yè)濃度氦氣的存在可與全球氦氣生產(chǎn)領(lǐng)域相媲美，并提供額外的高價值副產(chǎn)品。