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    氦氣在工業中的應用(三)

    2010-2-5 9:44:00

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    (八)在生理和醫療技術中的應用
    1、生理應用
    氦氣在生理應用上的一個典型例子是配制深水作業用的呼吸混合氣。
    通常,在潛水員處于深水高壓環境作業時,采用普通壓縮空氣供氧,不但呼吸阻力高,而且壓縮空氣中的氮會部分溶解在血液中,當水深40m以下時,會產生顯著的麻醉作用,在80m左右,生理機能基本喪失,人體衰竭。
    由于輕氦族氣體(如氦、氖)對人體的麻醉能力很小或完全沒有麻醉能力,可以用它們來代替氮配制潛水員深海作業用呼吸混合氣。氦-氧呼吸混合氣由于具有較低的密度和黏度,使壓力易于釋放,呼吸阻力減小,能有效地降低潛水員的體能消耗。氦-氧呼吸混合氣的聲速較高,聲音頻率改變大,存在深水通訊問題。再者,氦的熱導率高,增加了人體熱損失率,以至于常常必須使用有效的潛水衣和呼吸氣預熱器。在這方面,氖-氧呼吸混合氣比氦-氧呼吸氣好,因為它具有聲音畸變小以及傳熱性較差的優點。氖-氧呼吸混合氣適用于100~300m的深水作業,超過300m,氖的密度增大,必須用氦-氧呼吸混合氣。為了克服各自的缺陷和不足,正在研究采用氖、氦、氧按不同比例配制深海潛水呼吸氣(潛水氣)的可能。廣州氦氣
    除深海潛水作業外,在宇航飛行中以及醫療衛生部門亦采用氦-氧混合氣 人工空氣。
    2、醫療應用
    用80%氦和20%配制成的人工空氣,能很快溶入病人的肺部,加速氧和二氧化碳的交換。因此,常將這種混合氣用于患有呼吸系統疾病如哮喘、喉部疾病、氣胸及肺病患者的治療。此外,這種混合氣還可用于高壓療法。
    (九)3He的應用
    3He是自然界中氦的兩種穩定性同位素之一,在自然氦氣中的原子豐度僅為0.000137%。由于它極其稀少且獲取的難度極大,3He是當前最貴重的氣體,其價格隨制取方法、工藝流程、純度不同有所差異,但總體水平在1標升50~150美元,是大家熟悉的貴重氣體4He價格(0.2元人民幣/標升)的2000~6000倍左右。3He的珍貴不僅體現它的稀少,還表現在它獨特的物理性質及其重要應用上,比如 3He比如沸點低、蒸氣壓高、超流轉變溫度低的特點,制成3He/4He稀釋制冷機獲取mK級低溫;利用其極低溫下的超流性搜 超對稱暗物質(Supersymmeric Dark Matter);利用3He原子具有的核磁矩制成高靈敏度的超極化核磁共振成像儀(Hyperpolarized gad MRI);用于精確環形激光螺慣性導航系統;作為潛在的熱核反應能源材料等等。這些應用涉及面廣,但在低溫領域決定其他位的是它在獲得1K以下溫區所表現出的獨特性能,而1K溫區不僅是基礎物理研究的一個重點所在,也是空間探測等實際應用的低溫環境要求,比如用于冷卻在0.1~1.5K下工作的天體探測用的超電導輻射量熱計。20世紀中期至今,科學家們憑著濃厚的興趣了一系列有并3He的低溫研究,這些工作使人們對物質世界有了更深入的認識,例如在低溫下觀測到的3He性質進一步為量子理論提供實驗依據。此外,利用3He做工質的機械式低溫制冷機取采稀釋制冷方法獲得1K以下溫區具有商業應用意義。
    包裝、貯運
    聯合國《關于危險貨物運輸建議書》對危險貨物的編號:UN 1046。
    國際海事組織關于《國際海上危險貨物運輸規則》的編碼:IMDG2144。
    中國包裝貯運危險性分類:第2.2類不燃氣體。
    中國危險貨物包裝標志:5
    和所有氣體產品一樣,氦既可以液態方式貯存,既可用管道輸送又可用運輸式罐裝容器直接輸送。用于罐裝氦的容器,小至0.001m3,大到30000m3。
    (一)氣體氦
    氣體氦一般用高壓鋼瓶包裝。充裝和貯運氣態氦的高壓鋼瓶應嚴格按照國家準GB5099《鋼質無縫氣瓶》和國家勞動總局《氣瓶安全監察規程》的規定檢驗和管理,鋼瓶漆色為灰色,標綠色“氦”字。氣態氦的充裝應按照GB14194《永久氣體充裝規定》的要求進行操作。
    氣瓶貯運注意事項:氦屬不燃性壓縮氣體,應儲存于陰涼、通風倉間內,倉溫不宜超過30℃。遠離火種、熱源。防止陽光直射。應與易燃、可燃物分開存放。驗收時要注意品名,注意驗瓶日期,先進倉的先發用。搬運時輕裝輕卸,防止氣瓶及附件破損。
    (二)液體氦
    在氦液化系統中,液氦貯槽常作為裝置的一個外節流部件用來貯存節流膨脹產生的液氦。液氦同貯槽也作為獨立的移動式容器供用戶使用,容積一般為100~500L。在工業上則使用液氦運輸貯槽或固定貯槽來運輸和長期貯存液氦。
    有關液氦的低溫容器簡介如下:
    1、具有液氮保護屏的液氦貯槽
    液氦的沸點很低,其汽化潛熱僅是液氧的百分之一,它的長期有效貯存是十分困難的。計算表明,用一個日蒸發率為1%的50L多層絕熱液氮容器用來貯存液氦,預計液氦的日蒸發率達50%左右,顯然不能滿足貯存要求。為了減少液氦的蒸發損失,可以采用具有液氮保護屏的真空絕熱貯槽。液氦置于內容器中,保護劑液氮裝于中間容器內,兩個容器都置于真空外套之中。由于液氮槽遮斷了來自熱壁的室溫輻射,將對液氦的輻射熱壁溫度降為77K,使到達內的輻射熱流大為減少。這種具有液氦保護屏的容器,有較高的絕熱效率,能有效地貯存液氦。
    早期的小型液氦器(25~100L)也有采用液氦保護屏的絕熱結構。當液氦保護屏容器用于公路運輸時蒸發率要增加2~7倍,用于鐵路運輸時,增加60%~80%。
    2、蒸氣冷卻傳導屏液氦貯槽
    具有液氦保護屏的貯槽,液氦的損耗較小,但結構復雜,制造困難,質量增加,需要輔助冷源等,因此已逐漸為蒸氣傳導屏或多屏絕熱取代。氦與表列其他液體相比,具有最大的顯熱和潛熱比。這就是說,可利用氣冷卻傳導屏。在小型容器的排氣頸管上焊上單個或多個蒸氣冷卻屏,并延伸至多層絕熱層中,將容器包圍,借蒸發的冷氣體帶走屏上的熱量,降低屏溫,減少傳向液氦的熱流。
    3、多屏絕熱液氦貯槽
    多屏絕熱是一種將多層絕熱輻射屏與蒸倔冷卻傳導屏合二為一的超絕熱結構。在這種結構中采用層數較少、層密度較小的多層絕熱屏(鋁箔),用不遏制來自熱壁的室溫輻射。與此同時,這些鋁箔屏又逐一與容器的頸管進行熱聯結,借助于輻射習平行方向的導熱,將屏中熱流導向頸管,被多頸管中逸出的冷蒸氣帶走。多屏絕熱結構具有效率高、制作容易、重量輕、預冷快等優點、采用多屏絕熱的100L液氦容器日蒸發率大約為1%,是一種先進的絕熱結構,得到了廣泛的應用。
    液體氦的貯運與其他氣體不同的是,由于氦的沸點特別低且汽化熱很小,用于貯存和運輸液體氦的容器技術要求也很高。通常,除使用高效厚絕熱層絕熱外,還必須用另一種廉價的低溫液體(如液氮)的蒸發來屏敞它。小型液氮屏型液氦容器不承壓,其容量通常為10~100L液體,液氦蒸發率為0.2~0.6L/d,氦屏液氮消耗2~5L/d,僅適用于短同期貯存和短距離運輸。
    為了遠距離運輸大量液氦,可以利用沒有排放的承壓型液氦容器。在液化生產廠,用沸點下的液氦部分充滿容器并封閉。當熱漏入容器時,沒有氦氣排放,容器必須能承受流體溫度升高所引起的壓力升高。通常,當到達目的地時,容器的內壓和溫度均在臨界點之上,裝填的不再是液體而是稠密的超臨界冷流體。然而,通過仔細排放,裝填物的主要部分可以作為液體回收,而排放的蒸氣可以壓縮充裝鋼瓶。運輸期在一個星期內可用大型拖車運輸,拖車采用多層真空絕熱,熱泄漏量約30W。對于采用貨船的遠洋海上運輸,運輸時間有可能長達一個月,可以采用大至40000L容量的移動式槽車,用液氦屏和真空多層絕熱相結合的方式絕熱,其熱泄保持在8W左右,液氦耗量約40L/d。
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