Криогенные насосы

Криогенные насосы – это специализированные насосы, предназначенные для перекачивания жидкостей при экстремально низких температурах. Они используются в различных приложениях, таких как хранение энергии, производство электроники и научные исследования.

Принцип и работа криогенных насосов различаются в зависимости от типа и конструкции, но, как правило, основаны на одних и тех же основных принципах.

Принцип работы криогенного насоса

Криогенный насос — это механическое устройство, которое охлаждается до очень низких температур с помощью криогенных сред, таких как жидкий азот, жидкий гелий или жидкий водород. Работа насоса основана на принципе испарения, при котором криоген поглощает тепло из окружающей среды и испаряется.

Этот процесс испарения позволяет насосу создавать вакуум, который может всасывать и сжимать используемый криогенный газ или жидкость.

Работу криогенного насоса можно разделить на два основных этапа: этап конденсации и этап испарения.

Этап конденсации: на этом этапе криогенный насос охлаждается до очень низких температур с помощью криогенной среды. Процесс охлаждения приводит к конденсации сжатого газа или жидкости в жидкое состояние. Внутренние компоненты насоса спроектированы так, чтобы выдерживать экстремально низкие температуры и поддерживать стабильное распределение температуры.

Стадия испарения: Как только желаемое давление достигнуто, криогенный насос переключается на стадию испарения. На этом этапе криоген внутри насоса поглощает тепло из окружающей среды и испаряется. Этот процесс испарения создает вакуум, который втягивает используемый сжатый газ или жидкость.

Вакуум, создаваемый испарением, используется для отбора криогенного газа или жидкости из источника питания и сжатия его в камере насоса.

Затем сжатый криогенный газ или жидкость доставляется в желаемое место назначения, например, в резервуар для хранения или в технологическую систему. Процесс испарения также помогает охладить используемый газ или жидкость, которая поддерживает свою температуру во время процесса сжатия.

Эффективность и производительность криогенных насосов во многом зависят от конструкции и материалов, из которых они изготовлены. Для эффективной работы насосы должны выдерживать экстремально низкие температуры и поддерживать стабильное распределение температуры.

Кроме того, криогенные насосы требуют постоянной подачи криогенной среды для поддержания эффективности охлаждения и предотвращения теплопередачи.

Конструкции криогенных насосов

Низкие температуры в крионасосах достигаются различными способами, а используемая температура варьируется в зависимости от откачиваемого газа. Насос перекачивает все газы, температура плавления (криоабсорбция) или кипения (криоконденсация) которых выше температуры насоса.

Кроме того, насос может «удерживать» частицу (криоулавливание), даже если не происходит криоабсорбции или криоконденсации, и понижать ее кинетическую энергию, т.е. замедлять движение частицы.

Наиболее популярным источником низких температур из-за невысокой цены является жидкий азот, кипящий при атмосферном давлении или более низком давлении, получаемый путем откачки. Также используются насосы, работающие на жидком гелии и сухом льду, тепловые насосы или модули Пельтье.

По режиму подачи перекачиваемой среды криогенные насосы делятся на следующие типы:

Насос с криогенным резервуаром-хранилищем: криогенная среда (жидкий гелий) впрыскивается непосредственно в резервуар-хранилище насоса для достижения точки конденсации и извлечения газа.

Преимуществами насоса с криогенным резервуаром являются небольшой размер, отсутствие вибрации, отсутствие шума, простота в эксплуатации. Он подходит для колледжей, университетов, исследовательских институтов, а также для ускорителей высокой энергии и других крупных вакуумных установок.

Недостатками бакового криогенного насоса являются высокие эксплуатационные расходы, время использования низкотемпературной среды короткое, она требует постоянной подпитки. Вакуумная система, при необходимости длительной непрерывной работы, требует регулярного пополнения рабочей среды и ограничена условиями низкотемпературного источника питания.

Криогенный проточный насос: в насосе криогенная трубка охлаждающей пластины соединена с холодильным детандером, а криогенная среда (газообразный гелий) подается в криогенный насос через внешний трубопровод, который поглощает тепло криогенной пластины и затем возвращается в холодильный компрессор, образуя замкнутый цикл.

Этот криогенный насос имеет значительный объем, сложный трубопровод, требовательный к качественной теплоизоляции и большие потери в самом трубопроводе.

Некоторые преимущества криогенных насосов

Эффективная работа: Крионасосы разработаны с учетом уникальных физических свойств криогенных жидкостей. Они способны вращаться на высоких скоростях, сохраняя при этом герметичность, предотвращающую утечку криогенной жидкости. Высокая скорость вращения создает центробежную силу, которая эффективно откачивает жидкость из насоса.

Благодаря этому крионасосы могут работать с высоким КПД даже при низких температурах. Конструкция крионасосов при этом обеспечивает также высокое давление и скорость потока.

Долговечность. Криогенные насосы обычно изготавливаются из материалов, устойчивых к коррозийным и абразивным свойствам криогенных жидкостей. Они также имеют функции, которые предотвращают скопление затвердевших газов или жидкостей в насосе, обеспечивая длительный срок службы и надежную работу.

Простота обслуживания. Конструкция криогенных насосов часто обеспечивает легкий доступ к внутренним компонентам для их обслуживания и замены при необходимости. Эти конструктивные особенности сокращают время простоя и повышают общую эффективность.

Универсальность: Крионасосы доступны в различных размерах и конфигурациях, что позволяет использовать их в широком спектре промышленных применений. Их можно использовать как в непрерывных, так и в прерывистых потоках, что делает их очень универсальными и адаптируемыми к различным технологическим требованиям.