Особенности насосных систем для перекачки жидкого водорода

Водород является самым распространенным элементом во вселенной и, будучи полученным из воды путем электролиза с использованием электричества, является абсолютно чистым источником энергии. В то время как аккумуляторные батареи имеют потенциал стать новым бензином, водород вполне может стать следующим дизельным топливом.

В отличие от углеродного топлива, водород не производит вредных побочных продуктов при сгорании. При смешивании водорода с кислородом в топливном элементе производятся только электроэнергия, тепло и чистая вода.

Поскольку жидкий водород намного плотнее газообразного, он позволяет хранить больше молекул, т. е. энергии, в том же объеме. Перекачка жидкого водорода также более эффективна, чем сжатие газообразного водорода по нескольким причинам, наиболее значимой из которых является снижение потерь энергии из-за изменения плотности во время нагревания при сжатии.

Однако преимущества использования жидкого водорода сопряжены с рядом проблем, в частности, с затратами на электроэнергию и неэффективностью, связанной с первоначальным сжижением водорода и его последующим превращением в электричество при поддержании низких температур, необходимых для сохранения вещества в жидком состоянии.

Безопасность

Жидкий водород легко протекает, воспламеняется, испаряется, а при соединении с кислородом воздуха горит почти невидимым пламенем. Поскольку газообразный водород легче воздуха, он быстро поднимается и рассеивается, не загрязняя почву или грунтовые воды.

Из-за глубоких криогенных температур (-253 C/-423 F), связанных с обращением с жидким водородом, необходимо соблюдать осторожность, чтобы не допустить прямого воздействия на кожу неизолированного оборудования. Жидкий водород необходимо хранить в термоизолированных контейнерах с двойными стенками для поддержания низких температур и предотвращения вскипания, что снижает риск утечек или взрывов, связанных с хранением газа под высоким давлением.

Материалы

Водород может вызывать повышенную хрупкость материалов, используемых в обычных промышленных насосах, особенно углеродистой стали, что со временем приводит к растрескиванию и снижению механической целостности. Поэтому для всех смачиваемых водородом деталей рекомендуется использовать нержавеющую сталь серии 300 или более благородные сплавы, предназначенные для работы с жидким водородом.

В некоторых случаях можно использовать алюминий, но он требует особой осторожности из-за его потенциальной восприимчивости к перепадам температур и давления. Важно проконсультироваться с инженерами-материаловедами и экспертами, знакомыми с проблемами, связанными с водородом, при рассмотрении как металлических, так и неметаллических деталей для этих насосных систем.

Динамика ротора

Жидкий водород легкий, с относительной плотностью всего 7% от плотности воды. Он имеет низкую вязкость и, как следствие, низкий перепад давления в любых зазорах внутри насоса, что проявляется как «эффект Ломакина».

Проектирование роторов центробежных насосов для работы в жидком водороде представляет собой уникальную задачу, в первую очередь из-за специфических свойств жидкого водорода. Одной из основных проблем является относительно низкая жесткость жидкости в уплотнениях с малым зазором, обычно называемая эффектом Ломакина. Эффект Ломакина возникает, когда в тонкой пленке жидкости между ротором и статором возникает гидродинамическая сила. В контексте жидкого водорода низкая вязкость и плотность жидкости создают высокую скорость жидкости и относительно низкие перепады давления, что делает ротор очень восприимчивым к вибрациям и потенциальному повреждению. Иными словами – для случая с водородом, эффект Ломакина – аналог кавитации в обычных жидкостных средах.

Выбор насоса

В системах низкого и среднего давления чаще всего используются специально разработанные одно- или многоступенчатые криогенные погружные насосы, подобные тем, которые используются в отрасли транспортировки сжиженного природного газа.

Ожидаемый выпуск новых модульных осевых полевых интегральных насосных систем с индивидуальным управлением скоростью ступеней и без необходимости компенсации осевого усилия обеспечит значительные потенциальные преимущества по мере развития технологии.

Как и в случае с любым центробежным насосным приложением, обеспечение работы в точке максимальной эффективности (BEP) или близкой к ней является ключом к обеспечению надежности и оптимальной общей стоимости владения.

Поскольку жидкий водород имеет очень ​​низкую массу, для создания значительного давления требуются насосы, которые создают высокий напор. На практике это потребует использования объемных насосов или высокоскоростных многоступенчатых центробежных насосов с давлением свыше 10 бар.

Для более высоких давлений используются поршневые насосы прямого вытеснения, специально адаптированные для герметизации сверххолодного криогенного жидкого водорода. Эти насосы могут приводиться в действие двигателем с кривошипно-шатунным механизмом или гидравлическим приводом.  

Выработка тепла

Основной проблемой при использовании жидкого водорода является внесение тепла в жидкость и последующее испарение, что приводит к потерям газа и высокому потенциалу нестабильности ротора.

Центробежные насосы, используемые для жидкого водорода, наиболее проблематичны  в этом плане. По сравнению с насосами объемного вытеснения центробежные насосы, как правило, менее эффективны с гидравлической точки зрения. Эта сниженная эффективность приводит к тому, что энергия передается водороду в виде тепла. Кроме того, сжатие жидкости по своей сути генерирует тепло, повышая температуру перекачиваемого жидкого водорода.

Тепловые эффекты являются кумулятивными, и, учитывая близость работы к температуре перехода в пар, существует ощутимый риск испарения жидкого водорода. Такое испарение не только вносит роторно-динамическую нестабильность в насос, но и влияет на экономическую составляющую процесса.

Полученный в результате испарения газ представляет собой потерю эффективности и рентабельности. Поскольку жидкость сжимаема, инженерам необходимо учитывать потенциальное повышение температуры через насос из-за тепла сжатия.

Герметизация 

Эластомеры из политетрафторэтилена (ПТФЭ) используются для предотвращения утечек в соединениях. Для скользящих поверхностей упругие металлические уплотнения или специальные уплотнения, предварительно нагруженные металлическими пружинами, обеспечат как надежную статическую, так и динамическую герметизацию в криогенных условиях. При более высоких давлениях следует использовать подходящие по номиналу конусные и резьбовые фитинги.