Криогенный турбонасос что это
Криогенные насосы
Криогенные насосы. Для перекачки сжиженных газов в процессах их получения, транспортировки и применения при низких температурах, применяются специализированные насосные агрегаты, которые называются криогенные насосы.
В зависимости от давления жидкости, применяемого в этих процессах, применяются криогенные насосы различных принципов действия: центробежные и поршневые.
Центробежные криогенные насосы (ЦКН)
ЦКН, предназначены для заполнения ёмкостей криогенными жидкостями и для подъёма давления, перед подачей их в технологические процессы. Привод насосов может быть укомплектован частотным преобразователем, для изменения числа оборотов электродвигателя и, следовательно, расхода и давления подачи.
Применение ЦКН.
для бесперебойной подачи сжиженного газа в линию его потребления, ЦКН используются при заправке холодных газификаторов, установленных в голове линии, жидким криогенным продуктом, под давлением;
для перекачки криогенной жидкости из транспортных средств доставки, автомобильных и железнодорожных ёмкостей, в стационарные ёмкости;
для заправки автомобильного транспорта, жидким криогенным продуктом, в составе заправочной станции, в нитке, где осуществляется заправка автомобильных цистерн.
Устройство ЦКН
ЦКН включает в себя: составной корпус поз.1, композитное уплотнение поз.2, насосное колесо поз.3, винтовой индуктор поз.4, хвостовую часть поз.5, приводной вал поз.6, опорные подшипники вала поз.7, четыре пустотелых спицы, соединяющих улитку ЦКН с блоком подшипников поз.8, про ставку поз.9, кольцевую пластину, из материала с низкой теплопроводностью поз. 10.
Составной корпус включает в себя литые конструкции: улитку, съёмный корпус и хвостовую часть, собранные воедино с помощью болтовых соединений. Композитное уплотнение представляет собой герметичную пару трения, состоящую из двух втулок, одна из которых закреплена на валу, а другая, запрессована в корпусе улитки. Насосное колесо представляет собой литую турбинку, закреплённую на валу, которая создаёт разрежение на всасывании, и давление, на патрубке подачи жидкости. Винтовой индуктор представляет собой многовинтовой шнек, закреплённый на валу. Хвостовая часть предназначена для закрепления опорных подшипников на приводном рабочем валу.
Работа ЦКН.
При включении электродвигателя привода насоса, начинает вращаться насосное колесо и, создавая разрежение на патрубке всасывания, соединённом с трубопроводом откачиваемой ёмкости, засасывает криогенную жидкость из неё. Винтовой индуктор обеспечивает низкую высоту всасывания, а композитное уплотнение обеспечивает надёжную герметичность. Жидкость, через напорный патрубок, под давлением подаётся в трубопровод на перекачку.
Погружные центробежные криогенные насосы
Некоторые недостатки ЦКН (сложные в эксплуатации композитные уплотнения, необходимость их смазки, необходимость заполнения насоса перед пуском криогенной жидкостью для его охлаждения и некоторые другие) полностью исключены в конструкции погружного герметичного ЦКН.
В этом насосе применён тот же принцип создания разрежения жидкости для всасывания и нагнетания для подачи её в сеть, что и в обычном ЦКН, однако, в нём применена конструкция единого вала, на котором помещены рабочее колесо, ротор электродвигателя и подшипники, и вся эта конструкция помещена в сосуд под давлением, который заполнен перекачиваемой жидкостью.
Отсутствие уплотнений, упорных подшипников, отсутствие вала между насосом и тёплым электродвигателем, значительно повышает надёжность и увеличивает срок эксплуатации такой конструкции.
Поршневые криогенные насосы (ПКН)
Для создания, при перекачке, больших давлений криогенной жидкости при небольшой производительности, применяются поршневые КН.
ПКН предназначены для заполнения отдельных газовых баллонов и моноблоков различными газами, такими как двуокись углерода, азот, аргон, кислород, водород, для подачи азота в нефтяные скважины, для применения в станциях заправки, в той нитке, где предусмотрена заправка ёмкостей газом. Давление, создаваемое в системе перекачки, может достигать 420 бар.
Устройство ПКН
ПКН представляет собой поршневой насос одинарного действия и включает в себя: кожух вакуумной камеры поз.1, вакуумную камеру поз.2, камеру всасывания поз.3, прямоточный всасывающий клапан поз.4, уплотнение штока поз.5, кривошипно-шатунный механизм поз.6, корпус насоса поз.7, всасывающий патрубок поз.8, поршень насоса поз9, нагнетательный клапан поз. 10, патрубок сброса паров поз 11.
Холодный конец камеры всасывания, расположен под углом 10О к горизонтали, для улучшения отвода, образующегося при перекачке газа, из неё.
Вакуумная изоляция камеры обеспечивает поддержание низкой температуры и быстрый запуск агрегата.
Материал уплотнительных колец штока сохраняет рабочие свойства при низких температурах.
Зоны сальника и кривошипно-шатунного механизма оснащены отверстиями для подачи азота, в качестве термоизоляции.
Головка поршня выполнена из бронзы, что обеспечивает безопасную работу при перекачке жидкого кислорода.
Работа ПКН.
Для осуществления перекачки жидкости с помощью ПКН, при мобильной собранной на месте или стационарной схеме подключения, включается клапан, соединяющий перекачиваемую ёмкость с ПКН и включается электродвигатель ПКН.
Через трансмиссию (редуктор или клиноремённую передачу), вращающий момент, от электродвигателя передаётся валу кривошипно- шатунного механизма и, приводя его во вращение, обеспечивает, возвратно поступательное движение поршня ПКН.
Криогенная жидкость подаётся к всасывающему патрубку и, при движении поршня в крайнее заднее положение, создаваемое при этом разрежение в камере всасывания, открывает всасывающий клапан и засасывает жидкость в неё, при закрытом нагнетательном клапане.
При движении поршня в крайнее переднее положение, всасывающий клапан, под действием возникающего разрежения в камере, закрывается, а нагнетательный клапан, под действием давления возникающего в камере, открывается и, порция жидкости подаётся в линию потребителю, где она затем подаётся на испаритель или закачивается в скважину.
Кривошипно –шатунный механизм, в процессе работы, смазывается консистентной смазкой, что обеспечивает его бесперебойную работу.
Вертикальный ПКН.
Существуют на сегодняшний день, и начинают приобретать всё большую популярность ПКН в вертикальном исполнении.
Вертикальный ПКН погружён в рабочую жидкость, а это обозначает что он готов к работе, без всякой подготовки, в нём отсутствует гравитационная нагрузка на поршень, что соответственно. увеличивает срок службы поршневых колец, размещение электродвигателя с задней стороны вертикальной рамы насоса значительно увеличивает безопасность эксплуатации агрегата.
Все ПКН снабжены вакуумно изолированными поршнями и комплектуются электродвигателем, трансмиссией, накопителем, клапанами управления и контрольной панелью.
Криогенные насосы – принципы работы и сферы применения данного оборудования
Криогенный насос является вакуумным оборудованием, которое работает по принципу конденсации газа на рабочую поверхность, которая была охлаждена до минимальных температур. То есть данные насосы созданы специально для быстрой перекачки сжиженных газов.
Криогенный насос, принцип работы
Криогенные насосы способны перекачивать следующие виды газов:
Насосы снабжены компактным механическим редуктором. Регулировка подачи происходит за счёт изменения числа двойных ходов поршня.
Криогенные насосы можно разделить на три большие категории:
Самым простым из них является крионасос, который способен за короткий промежуток времени откачать большой объём, который при этом не будет загрязняться. В любом случае, не зависимо от того, насос какого из трёх типов будет использоваться, работать крионасосы будут действовать по похожей схеме. Если простые насосы будут буквально продавливать молекулы газа сквозь насос, то криогенные насосы вымораживают газы до затвердевания, в результате чего происходит уменьшение давления паров и создаётся состояние высокого вакуума.
Гелий, поступающий на голову поршня под давлением, будет расширять решётки, одновременно охлаждая их. Все газы, которые имеют склонность к конденсированию, в результате охлаждения перейдут в твёрдое состояние. Такие газы как неон, водород и гелий не имеют склонности к конденсированию. Для их адсорбции используется специальный слой из древесного угля, который предварительно охлаждён.
Сфера применения криогенных вакуумных насосов
Вакуумные насосы криогенного типа используются в высоковакуумных испарителях. Так как среди их технических характеристик имеется способность достигать давления в 10-7 Торр, а обратный поток масляного пара отсутствует, данные агрегаты широко используются в сфере нанесения тончайших плёнок электронного и оптического типа за счёт испарения или металлизации способом напыления.
Вакуумные криогенные насосы широко используются в сфере полупроводниковой промышленности. В данной области высокоскоростные системы, способные максимально быстро откачивать водяные пары, чрезвычайно популярны.
Модели криогенных вакуумных насосов
Центробежные вакуумные криогенные насосы очень популярны на небольших производствах. Они используются для заливки газом небольших сосудов или заправки автоцистерн. Основными преимуществами вакуумных криогенных насосов данной модификации являются:
Кроме того, насосы данного типа обладают низким уровнем шума.
Криогенный поршневой насос предназначается для подачи сжиженной двуокиси углерода из резервуаров под давлением изотермического и криогенного типа. Этот же насос используется для наполнения баллонов. Данные агрегаты часто комплектуются панелью управления. Они устанавливаются только на открытых участках недалеко от основного резервуара.
Криогенные насосы с вакуумной изоляцией используются там, где часто возникают проблемы, связанные с избыточными влажными испарениями и льдом. Принцип работы вакуумного криогенного насоса заключается в конденсации. Вода улавливается криогенными поверхностями, после чего про 130 К достигается равновесие давления пара. В связи с этим эффективность откачки достигает 99 процентов. Если диапазон функционирования поверхности криогенного насоса находится в диапазоне от 65 до 90 К, то эффективность откачки воды и газовых скоплений достигает 100 процентной отметки. Именно в этом диапазоне конденсат внешне очень напоминает лёд.
Криогенные погружные насосы отличаются герметичностью своей конструкции, так как насосы располагаются прямо в криогенной жидкости. Благодаря такой конструкции, данные агрегаты прекрасно подойдут в качестве насоса для регулярного функционирования. Криогенные погружные насосы прекрасно подойдут для использования в режиме постоянных включений и выключений. Вакуумные криогенные насосы погружного типа используются для решения следующих задач:
В последние годы огромную популярность приобрели криогенные вакуумные насосы гелиевого типа. Благодаря особенностям своей конструкции, данный тип насосов способен обеспечить холодопроизводительность при любых, даже самых максимальных нагрузках.
На автозаправочных станциях, на которых имеется возможность заправляться сжиженным природным газом, активно используются специальные криогенные насосы для СПГ. Кроме сетей автозаправочных станций, насосы для сжиженного природного газа используются на добывающих станциях, на автоцистернах для перевозки сжиженного природного газа.
Что касается дополнительного оборудования для криогенных насосов, то огромной популярностью пользуются различные уплотнения, которые способны гарантировать отсутствие утечек в системе. Для работ, которые требуют высокого безмасляного вакуума и высокой скорости откачки, очень важно использовать качественные уплотнения. Ещё высокой популярностью пользуются специальные датчики для криогенных насосов, среди которых выделяется модель РТ-1000.
Криогенные насосы – надежные инструменты для применений, которые требуют одновременно высоких темпов откачки и глубокого без масляного вакуума. В новейших криогенных поршневых насосах установлены двухступенчатые холодильные головки (их еще называют криорефрижераторами), функционирующие по циклу Гиффорда-МакМагона. В них применяется гелий в форме газа в роли хладагента. В это же время температура первой ступени равна примерно 70-80 K, а второй– 15-20 K. Цикл абсолютно замкнутый, по этой причине эксплуатационные расходы на теплоноситель минимальны, если сравнивать с заливными холодильными насосами. Кроме того, отсутствует риск возникновения сбоев в работе помпы, связанных с отсутствием жидкого азота.
Вакуумный насос криогенный работает, замораживая водяной пар, масло и другие вещества из атмосферы внутри вакуумной камеры или системы пользователя. Вода и газы замораживаются на различных массивах, расположенных внутри крионасоса.
Устройство работает по принципу замкнутого цикла охлаждения. Этот процесс очень похож на работу стандартного бытового холодильника, но использует немного другое расположение.
Криосистема состоит из гелиевого компрессора, крионасоса и соединительных гелиевых линий. Внутри криогенного насоса высокого давления находится многоступенчатый поршневой узел с приводом от двигателя (так называемый вытеснитель). Сжатый гелий из компрессора поступает в узел поршня, и при его движении газ гелия расширяется и охлаждается.
Когда поршень возвращается, он выталкивает гелий из криогенного насоса обратно в компрессор. Гелий повторно сжимается, и цикл повторяется.
Во время каждого цикла немного больше тепла удаляется из массивов, и они продолжают охлаждаться, пока вторая ступень не достигнет примерно 9-10 К. Это самая низкая рабочая температура большинства криогенных насосов.
Криогенный насос – устройство
Криогенный насос – устройство
Внутренняя схема криопомпы обычно состоит из следующих компонентов:
Тепловой экран прикреплен к первой ступени цилиндра с холодной головкой и помогает минимизировать потерю температуры между внутренней решеткой и стенкой криовакуумного сосуда в процессе эксплуатации криогенных насосов. Конденсаторная решетка 80К крепится к верхней части теплового экрана, поддерживая температуру примерно от 60 до 120К. Этот конденсаторный массив замораживает большую часть воды и масла, поступающих в криопомпу. Газы с более низкой температурой замерзания проходят через этот блок и замерзают на массиве с более низкой температурой 15К, который прикреплен к области второй ступени цилиндра с холодной головкой.
Массив 15К обычно состоит из металлических ребер, которые имеют криоадсорбент (такой как активированный уголь), прикрепленный к ребрам в экранированной области. Большинство газов замерзают на ребрах массива 15К, но поскольку гелий и водород не замерзнут при этой температуре, холодный уголь адсорбирует и улавливает гелий и водород.
Меры предосторожности при использовании крионасосов
Пользователи криопомп должны всегда помнить, что данное устройство хранит все газы, которые находятся в вакуумной камере во время работы. Если крионасос не изолирован от вакуумной камеры во время отключения и прогрева, все хранимые в нем газы снова попадут в вакуумную камеру. Если криогенный насос отключен или изолирован от вакуумной камеры, когда криопомпа нагревается, хранимые газы будут накапливать давление в помпе до тех пор, пока оно не достигнет критического уровня, который открывает клапан сброса давления. Хранящиеся газы затем выбрасываются в атмосферу.
Меры предосторожности при использовании крионасосов
Перекачка кислорода, водорода или других горючих газов с помощью крионасоса может создать реальную опасность взрыва во время прогрева устройства. При перекачке таких газов соблюдайте все методы безопасности, предусмотренные изготовителем холодильной помпы. Перекачивание токсичных или агрессивных газов также требует надлежащих методов безопасности, чтобы предотвратить их выброс в атмосферу.
Криогенный насос – производители
Производством криогенных насосов занимаются такие международные и отечественные компании:
На криогенный насос цена зависит от мощности устройства, габаритов, изготовителя. Например, криогенные насосы Leybold (Германия) стоят дороже, чем продукция отечественных брендов.
Криогенный насос, особенности и способы применения
Криогенный насос – это
Основным параметром, который влияет на характеристики криогенного насоса, является скорость откачки молекул газа по воздуху. Это отличает данный тип насосов от других разновидностей, так как простые агрегаты меняют скорость откачки, если молекулярный состав газа отличается, то есть, у криогенных насосов нет прямой зависимости от типа обрабатываемого вещества. Однако, на скорость откачки данных агрегатов существенно влияет процент вхождения в обрабатываемое вещество воды, что снижает производительность при увеличении количества жидкости в газе. Для примера, в стандартном исполнении криогенного насоса с входным фланцем dn200, его производительность будет превышать 4.500 л в секунду. Для того, чтобы добиться такой скорости откачки используя обычный насос, потребуется дополнительное оборудование в виде азотных уловителей, чтобы максимально снизить физическое сопротивление всасываемости среды, в отношении процессов сжатия.
Криогенные насосы в силу своей конструкции можно устанавливать непосредственно на вакуумной установке, что положительно влияет на согласие производителей применять данный тип агрегатов, к примеру на машинах, производящих процесс металлизации. Это стало доступным за счет возможности откачки криогенным насосом вакуумной среды, содержащей водород, азот и другие загрязненные газы, с максимально возможной для этих агрегатов скоростью. Эта особенность гораздо ускоряет процесс производства и увеличивает характеристики получаемого покрытия.
Уровень насыщенности загрязнениями перекачиваемой среды
Данный тип оборудования считается самым экологически чистым в процессе работы, по сравнению с остальными современными приспособлениями такого типа. За счет того, что внутри насоса нет ни единой движущейся части, рабочей или смазывающей жидкости, которые способны внести нежелательные включения в перекачиваемую среду, агрегат можно применять на тех производствах, где экологическая чистота обработки материалов играет очень важную роль.
За счет того, что для первоначального стартового запуска и дальнейшей автономной работы криогенных насосов хватает остаточного давления в пределах 0.4 Па, не возникает обратного всасывания с последовательно подключенных форвакуумных насосов масляных паров, в процессе генерации вакуума. Показатель уровня пусковой мощности криогенного насоса определяется в Торр/л и указывает на показатель уровня давления, которое находится в системе при запуске аппарата, поглощающего на этом этапе всю газовую активность в свой рабочий объем, которая зависит от количества откачиваемого рабочего газа. Если сжатое давление превосходит пусковую тягу, внутри форвакуумного насоса скапливается загустевшая масса газа, которая удерживает маслянистые пары во внутреннем объеме агрегата. Такая способность криогенного насоса параллельно с перекачкой чистой среды, освобождает оператора вакуумной системы от трудоемкой и дорогостоящий очистки рабочей камеры от маслянистых остатков, возникающих при предварительном откачивании газовых молекул в стандартных системах, не включающих в свой состав криогенных насосов.
Конструктивные особенности криогенного насоса
Для примера рассмотрим агрегат, который используется для заправки малообъемных сосудов и больших цистерн, с помощью центробежного криогенного насоса, которой обладает следующими преимуществами:
Центробежные криогенные насосы, в основном, используют для транспортировки гранул сухого льда с изотермических камер либо резервуаров в криогенную вакуумную установку поршневого типа. Особенности территориального расположения обуславливают монтаж такого оборудования вблизи от центрального пульта управления и изотермического резервуара.
Если используются трубопроводы, через которые проходят частицы льда либо влажные испарения, то для их транспортировки наиболее подходящим механизмом будет именно криогенный насос.
Существуют также виды криогенных насосов, которые можно погружать непосредственно в холодную жидкость. Эта особенность позволяет обеспечивать производство беспрерывным функционированием и при необходимости дает возможность производить последовательный запуск либо остановку. Таким образом, с помощью данного оборудования можно перекачивать сжиженный газ, осуществлять загрузочно-разгрузочные манипуляции транспортировочных автомобилей и емкостей, не нарушая температурного режима для криогенных жидкостей.
Еще один тип криогенных насосов является гелиевым, который предназначен для осуществления криогенных процессов при любой температуре охлаждения, вне зависимости от силы нагрузки.
Принцип работы криогенного насоса
В принципе, разновидность криогенного насоса не влияет на способ генерации вакуума и самой среды. Это достигается в силу метода отвода газов и выпуска молекул из любой замкнутой системы в вакуумных объемах. В стандартных агрегатах для откачки вакуумной среды, молекулы газа проходят через сам насос, а в случае с криогенными аппаратами эти газы охлаждаются до твердой формы, что понижает давление испарения по максимуму, до момента пока не сгенерируется низкая степень вакуума.
Чтобы замораживать частицы газа без застоя в криогенных насосах с применением охладительных панелей 10 К и 80 К, рабочий объем дополнительно снабжается циркуляцией гелиевого газа. Таким образом, откаченные частицы могут свободно перемещаться и в процессе работы насоса касаются поверхности охладительных панелей, в силу чего переходят в фазу конденсата либо поглощаются этими крио панелями.
Для того, чтобы незначительная часть газа, имеющая комнатную температуру, при нахождении в вакууме могла соприкоснуться с плоскостью панелей для перехода в конденсат, применяется его нагнетание вспомогательным компрессором, засасывающим газ на охлажденную часть поршня, а оттуда, для конденсации он переходит на специальные решетки, осуществляющие необходимый процесс.
Сферы использования криогенных насосов
Хим. индустрия — в эту область крионасосы вступили относительно недавно и в настоящий момент — это одна с наиболее многообещающих сфер с целью формирования такого вида насосов. Химические процессы, что совершаются в середине системы, частенько требуют насосов, с специфическим способом деятельности и в этом низкотемпературные устройства годятся лучше всего.
Металлургия — в случае если толковать о предоставленной области, то здесь крионасосы уже обретают свежей силы, так как в предоставленной сфере, формирование высокого вакуума представляется приоритетной проблемой, а такие конструкции управляются с этим на все 100 %. Следовательно, не тяжело представить, что тут использование крионасосов способно обречь новых красок.
Производство оснащения — в данной области крионасосы, кроме того, нашли собственное положение и в этот период имеют там далеко не последнюю позицию. Основная задача крионасосов в подобных режимах – это стремительное формирование высокого вакуума, с чем непосредственно насосы управляются крайне хорошо. Хорошая эффективность и наименьшие затраты так сильно притянули интерес бизнесменов, что потребность в низкотемпературных насосах увеличивается все быстрее и быстрее.
Криогенный насос: устройство и принцип создания вакуума
Принцип действия крионасоса позволяет с большой скоростью (от 1500 л/сек) откачивать различные газы и воздух с парами воды, что является проблематично для большинства других вакуумных насосов. Происходит вакуумирование путем поглощения молекул откачиваемого газа сверххолодными поверхностями – ниже 0,5 К (около 273 ⁰С). Т.е., насос накапливает воздушную среду в виде льда. Учитывая то, что объем газообразной фазы превышает объем твердой в тысячу раз, криогенный насос способен откачать достаточно большой объем воздуха.
Особенностью крионасоса является необходимость в периодическом его размораживании и регенерации (нагрев внутренней части оборудования). Этот период составляет примерно две недели непрерывной работы.
Конструкция криогенного вакуумного насоса состоит из рефрижератора, цилиндрического корпуса, внутри которого находится криогенный охладитель, высоковакуумных фланцев и клапанов, а также системы управления.
Охладитель криогенного вакуумного насоса состоит из трех ступеней:
Система управления состоит из специальных датчиков температуры, давления и электронного блока управления с возможностью подсоединения различных устройств.
Охлаждение внутренней поверхности происходит с помощью жидкого азота, который охлаждает теплообменник с газообразным гелием, имеющим самую низкую температуру кипения. Перемещение гелия происходит с помощью компрессора, повышающего и понижающего давление на выходе. В больших криоагрегатах роль теплообменника играют криопанели, которые имеют еще большую производительность за счет больших площадей осаждения.
Работа криогенного насоса в области высокого вакуума требует установки форвакуумного насоса на входе, который будет создавать разряжение от 10 Па и ниже.