Los gases criogénicos se definen, de una forma general, como aquellos gases que se licúan a -153,15° C o menos a presión estándar (1,01325 bar)¹. 

Los gases criogénicos se usan para aplicaciones que incluyen criopreservación, superconductividad y superfluidez. Todas estas aplicaciones comparten la necesidad de trabajar a temperaturas por debajo de la temperatura de -153,15° C mencionada con anteriorioridad, a presión estándar (1,01325 bar).

El nitrógeno líquido es un gas criogénico de uso común, que se encuentra cerca del extremo superior del espectro de temperatura de los gases criogénicos. Por su parte, el helio es quizás el más conocido de los criogénicos, conocido por su proximidad al 0 absoluto (0 grados Kelvin - El helio es típicamente 3-4° K, dependiendo del isótopo y la presión)².

Figura 1: Gráficos que muestran la interdependencia de la temperatura y la presión para los gases criogénicos de uso común. El gráfico 1 muestra una descripción general, mientras que el gráfico 2 muestra una vista ampliada de presiones más bajas.

Control de contrapresión

En los sistemas donde el objetivo es la criopreservación, los investigadores se preocupan por mantener los volúmenes de gas criogénico a medida que se produce la evaporación. Sin embargo, las fluctuaciones en la presión atmosférica pueden ser la fuente principal de los cambios en la presión del Dewar, ya que estos no suelen ser sistemas completamente cerrados.

En un ejemplo extremo, se estimó que la ebullición de los tanques de almacenamiento de propulsores, en el Centro Espacial John F. Kennedy de la NASA³, costó 625.000$ (4,1M$/ año ajustados según la inflación).

Ahora, analizamos un volumen más común; un Dewar de 100L de helio líquido. La presión atmosférica a menudo fluctúa, comúnmente cambiando en +/- 33 mbar. En el caso de una disminución de la presión, esto dará como resultado la vaporización de 0,874 litros líquidos, que generarán aproximadamente 700 litros estándar de gas helio. Esto se traduce en aproximadamente 25€ en helio líquido⁴.  

Dada la escasez actual de suministro de helio, es poco probable que estos precios disminuyan en el futuro. Durante un período de varios años, esto puede suponer miles de euros en pérdidas innecesarias.

Para evitar estas pérdidas, se puede usar un controlador de presión absoluta de Alicat Scientific para mantener una presión absoluta constante en el espacio de la cabeza de un Dewar, asegurando una pérdida mínima de gases criogénicos.

Además de controlar la presión, los controladores presión y medidores de caudal másico de Alicat Scientific pueden medir la pérdida real de gas mientras controlan la presión del espacio de la cabeza del Dewar. La función de totalizador de estos equipos también puede medir directamente el escape de masa con el tiempo. Esta técnica también permite inferir la cantidad de gas criogénico que queda en el vaso.

En el caso de que se utilice un sistema de recuperación de helio, el puerto de escape de un controlador de contrapresión se conectaría directamente al colector de recuperación (a diferencia de ventearlo a la atmósfera). La configuración de este sistema es deseable por su bajo coste y simplicidad, al tiempo que permite un control preciso de la contrapresión de los gases criogénicos.

Figura 2: Diagrama de un sistema típico que utiliza un controlador de contrapresión de Alicat Scientific para controlar la presión del gas criogénico del espacio de cabeza

Control activo de presión en el espacio de cabeza

Se puede lograr un control más rápido y flexible de la presión y las temperaturas del gas criogénico utilizando un esquema de control de presión para el espacio de cabeza activo.

Usando la técnica descrita anteriormente, la única fuente de presión positiva es la ebullición debido al calentamiento del propio gas criogénico. Por lo tanto, la utilización de cambios de presión para controlar las temperaturas depende del tiempo empleado para hervir la cantidad necesaria de gas criogénico, que generalmente es un proceso lento. Algunos usuarios aceleran este aumento de presión (y calentamiento) con el uso de una bobina generadora de presión. Estas bobinas exponen una mayor área de superficie de gas criogénico líquido, causando una formación de gas más rápida y acumulación de presión.

Se puede lograr una mayor velocidad y control conectando una fuente de presión positiva de gas caliente, así como un sistema de vacío a un controlador de presión de doble válvula (PCD) de Alicat Scientific.

Esta configuración permite la introducción rápida de gas caliente, aumentando la presión del sistema. Esto a su vez es asistido por una mayor tasa de ebullición a medida que el gas criogénico cambia sus condiciones de equilibrio. Esto aumenta rápidamente la temperatura del gas criogénico mientras se mantiene un control preciso. Por el contrario, la presión del sistema puede reducirse mediante ventilación a la atmósfera o al vacío. A medida que disminuye la presión, la temperatura del gas criogénico también disminuirá.

Figura 3: Diagrama de un sistema típico que utiliza un controlador de presión diferencial (PCD) de Alicat Scientific para controlar activamente la presión del gas criogénico en el espacio de cabeza

Algunas de estas técnicas avanzadas utilizan las funciones de medición de parámetros múltiples de un controlador de caudal másico, que también se encuentran en los controladores bidireccionales de caudal másico de Alicat Scientific. Todos los controladores de caudal másico de Alicat Scientific miden simultáneamente el caudal másico, el caudal volumétrico, la presión absoluta y la temperatura más de 1000 veces por segundo.

Como se puede ver en los esquemas mostrados anteriormente, recomendamos el uso de intercambiadores de calor para mantener la temperatura del gas en la válvula de control por encima de -10.13 ° C.

La baja deriva de temperatura y presión de los equipos de Alicat Scientific se traduce en que incluso con una gran diferencia de temperatura, la precisión no se ve comprometida.

La presión de vapor de cualquier líquido es función de la temperatura. Por el contrario, la temperatura de un líquido en equilibrio térmico con su vapor saturado es función de su presión absoluta. Por lo tanto, control de presión absoluta = control de temperatura absoluta.

En resumen, un controlador o medidor de caudal másico o presión de Alicat Scientific puede usarse en muchos escenarios que se benefician del control de la temperatura criogénica:

• Monitorización de la pérdida de gas criogénico de volúmenes cerrados.
• Control de contrapresión en contenedores de almacenamiento criogénico.
• Maximización la eficiencia de los sistemas de recuperación de gases criogénicos.
• Control de la temperatura de experimentos criogénicos mediante el control de la presión absoluta.

Los ingenieros de aplicaciones de Rosetta Technology Solutions y Alicat Scientific están a su disposición para ayudarle a definir el equipo que mejor se adapta a sus necesidades.

Póngase en contacto con nuestros ingenieros de aplicaciones a través de nuestro correo electrónico o llámenos al +34 91 805 19 10.

Referencias

1. Referencia rápida para gases criogénicos comunes con conversiones de temperatura entre Kelvin, Celsius y Fahrenheit.
2. “Cryogenics.” Wikipedia, Wikimedia Foundation, 12 Dec. 2019, https://en.wikipedia.org/wiki/Cryogenics#Industrial_applications.
3. Salerno, L. J., et al. “Terrestrial Applications of Zero-Boil-Off Cryogen Storage.” SpringerLink, Springer, Boston, MA, 1 Jan. 1970, link.springer.com/chapter/10.1007/0-306-47112-4_98.
4. “Helium Users Grapple with Supply Crunch.” American Institute of Physics, 9 Apr. 2019, www.aip.org/fyi/2019/helium-users-grapple-supply-crunch.

Autor: Neil Hartmann, CTO Alicat Scientific