Криогенные насосы

В холодильной и криогенной технике применяют насосы для перекачивания различных жидкостей:

- насосы в общепромышленном исполнении для перекачивания воды в системах оборотного водоснабжения градирен, охладительных прудов, систем охлаждения компрессоров и конденсаторов,

- насосы в общепромышленном исполнении для перекачивания смазочных масел в системах смазки компрессоров,

- насосы для перекачивания агрессивных жидкостей, например, водных растворов солей NaCl и Ca₂Cl₃, этиленгликоля, используемых в качестве промежуточных теплоносителей при отрицательных температурах,

- насосы для перекачивания сжиженных газов (аммиака, пропана, бутана, метана, природного сжиженного газа),

- насосы для перекачивания криогенных жидкостей.

Криогенными насосами называют насосы для перекачивания жидкости с температурой ниже 120 К (- 153⁰С). К таким жидкостям относятся следующие сжиженные газы:гелий (4К), водород (20К), неон (27К), азот (77К ),аргон (87К), кислород (90К ),метан (112К) и др.

На рис. представлен разрез вертикального моноблочного центробежного насоса типа НкпМ (насос криогенного продукта модульный) с корпусом под засыпную изоляцию.

1-электродвигатель, 2- фонарь,

3- кольцо проставочное, 4- шпонка,

5-шайба проставочная, 6- вал-удлинитель, 7-штуцер, 8-крышка,

9-штифт, 10-шпонка, 11-кольцо уплотнительное, 12-кольцо уплотнительное, 13-патрубок,

14-кольцо разжимное, 15-шнек,

16-фланец накидной, 17-гайка,

18-заглушка, 19-втулка, 20-колесо рабочее, 21-пружина, 22-корпус,

23-фланец накидной, 24-заглушка,

25-аппарат направляющий,

26-кольцо опорное

Основные проблемы конструирования криогенных насосов:

- применяемые материалы должны сохранять свои прочностные и пластичные свойства при низких температурах в допустимых пределах,

- применяемые материалы должны противостоять агрессивным перекачиваемым жидкостям,

- опоры и уплотнения должны быть несмазываемыми, узлами сухого трения (графитовые, фторопластовые, композиционные материалы),

- насосные агрегаты должны быть выполнены в пожаро- и взрывобезопасном исполнении,

- насосные агрегаты должны быть теплоизолированы от окружающей среды,

- насосные агрегаты должны быть абсолютно герметичными,

- необходимо исключить опасность возникновения кавитации.

Опасность возникновения кавитации в криогенных насосах особенно велика при перекачивании криогенных жидкостей из резервуаров (сосудов Дьюара), так как давление над свободной поверхностью равно давлению насыщенного пара, и необходимый кавитационный запас может быть обеспечен только за счёт глубины погружения насоса в криогенную жидкость.

Из конструктивных, препятствующих появлению кавитации в криогенных насосах, мероприятий можно назвать увеличение диаметра подвода, уменьшение числа лопаток, установку шнека перед рабочим колесом. Для перекачивания криогенных жидкостей применяют не только центробежные, но и поршневые криогенные насосы.

Решение проблемы кавитации в криогенных насосах осложняется ещё тремя обстоятельствами:

- перекачиваемая криогенная жидкость может содержать другие криогенные жидкости с иными давлениями насыщенных паров; это очень распространённая ситуация, так как многие криогенные жидкости (азот, кислород, аргон, ксенон, криптон, неон) получают разделением жидкого воздуха, и добиться полного разделения смесей на идеально чистые компоненты не удаётся;

- приток тепла из окружающей среды к всасывающему трубопроводу и к корпусу насоса способен вызвать вскипание криогенной жидкости и/или повышение её температуры, и кавитационный запас по этой причине снижается;

- нестационарность процесса перекачивания криогенной жидкости может служить ещё одной причиной кавитации; нестационарные режимы работы криогенных насосов обусловлены различными обстоятельствами: заполнением тёплых емкостей, изменением уровней перекачиваемой жидкости в приёмном и напорном баках и другими причинами.

Перекачивание жидкого гелия – особенно сложная и интересная проблема. Температура жидкого гелия при атмосферном давлении (101300 Па) равна 4,215 К. При температурах ниже 2,177 К (- точка) жидкий гелий обладает аномальными физическими свойствами. В координатах давление-температура можно построить -линию, соединяющую точки с координатами:

Т = 2,177 К, Р = 5,035 кПа и Т = 1,76 К, Р = 3 МПа

Жидкий гелий, состояние которого соответствует точкам, лежащим левее -линии, называют жидким гелием-II, а правее -линии, называют жидким гелием-I.

Наиболее специфическим свойством жидкого гелия-II является сверхтекучесть. Распространённая физическая модель сверхтекучего жидкого гелия предполагает, что он состоит из двух компонент: нормальной и сверхтекучей. Общая плотность жидкого гелия равна сумме плотностей нормального жидкого гелия и плотности сверхтекучего жидкого гелия :

(7)

При понижении температуры ниже 2,177 К плотность сверхтекучей компоненты возрастает, плотность нормальной компоненты уменьшается, причём, общая плотность остаётся неизменной. Сверхтекучая компонента жидкого гелия лишена вязкости, и её течение не вызывает гидравлического сопротивления. Сверхтекучий гелий свободно проникает сквозь сколь угодно малые зазоры, поры и капилляры. Вязкость жидкого гелия при температурах ниже 2,177 К полностью обусловлена вязкостью его нормальной компоненты.

Ещё более странным представляется поведение жидкого гелия-II при увеличении скорости его течения: сверхтекучесть наблюдается лишь при сравнительно медленном течении. Критической скоростью называют скорость течения жидкого гелия-II, при которой разрушается сверхтекучесть. В каналах относительно большого диаметра, свыше 10 мкм критическая скорость может снижаться до 0,01 м/с.

Сверхтекучий гелий-II – единственная жидкость, лишённая растворённых газов. Тем не менее, сверхтекучий гелий тоже подвержен кавитации, причём, даже в большей степени, нежели гелий-I, так как очень высокая теплопроводность жидкого гелия-II обусловливает быстрый рост кавитационных пузырьков.

Термомеханический эффект.

Термомеханический эффект (эффект фонтанирования) наблюдается только в жидком гелии-II и заключается в перетекании сверхтекучего жидкого гелия-II из более холодного сосуда в более тёплый сосуд даже при наличии противодавления.

Демонстрация термомеханического эффекта может быть проведена двумя способами.

На рис. а уровни жидкого гелия-II в сообщающихся сосудах одинаковы лишь при выключенном нагревателе Н. При включении нагревателя Н уровень жидкости в теплом сосуде повышается.

На рис. б в жидкий гелий-II помещена колба, заполненная черным порошком П (снизу колба закрыта ватой В). При включении освещения порошок нагревается, жидкий гелий-II поступает в тёплую колбу снизу и выбрасывается фонтаном через вертикальный капилляр.

Термодинамическое соотношение давления и температуры для термомеханического эффекта выглядит следующим образом:

(8)

Здесь - энтропия жидкого гелия-II.

Термомеханический насос.

Термомеханический насос состоит из корпуса, пористого фильтра 1, нагревателя 2, всасывающего и нагнетательного трубопроводов. Основным элементом термомеханического насоса является пористый фильтр, изготавливаемый механическим прессованием мелкодисперсного порошка (0,5-10 мкм) в виде цилиндрической шайбы (пробки) диаметром несколько сантиметров и толщиной 25-40 мм. Со стороны нагнетания устанавливают электронагреватель регулируемой мощности. Пуск и остановка насоса осуществляются включением и выключением электронагревателя.

В рамках двухкомпонентной модели сверхтекучего гелия принцип действия термомеханического насоса можно объяснить как выравнивание концентрации сверхтекучей компоненты, свободно протекающей через щель в направлении нагретой части жидкости. В то же время поток нормальной компоненты в обратном направлении невозможен из-за проявления сил вязкости в узкой щели.

Достоинствами термомеханического насоса является простота, надёжность работы, простота регулирования подачи.

Главный недостаток термомеханического насоса – относительно большие потери жидкого гелия на испарение – до 4,7% при температуре 1,8 К.

Термомеханический насос, созданный для системы дозаправки инфракрасного телескопа на космической орбите по проекту COBE, имел следующие технические данные: диаметр корпуса 33 мм, размер пор фильтра 3,8 мкм, температура жидкого гелия 1,8 К, мощность 0,26 Вт, перепад температур на фильтре 5 мК, напор до 65 Па.

Конец лекции № 16

Дата добавления: 2014-01-20