Компрессоры криогенных гелиевых установок

Криогенные гелиевые установки (КГУ) по функциональному назначению можно разделить на рефрижераторные, ожижительные и комбинированные. Все установки независимо от применяемых термодинамических циклов и схем содержат ступени сжатия и предварительного охлаждения (ССПО), включающие й себя ступень подготовки рабочего тела (СПТ), в которой компрессор производит сжатие рабочего тела и ступень предварительного охлаждения (СПО), в которой происходит охлаждение рабочего тела до температуры входа в ступень окончательного охлаждения (СОО).

Классифицировать криогенные установки можно по двум признакам: по типу применяемого компрессора (поршневой, винтовой, центробежный) и по способу предварительного охлаждения (адиабатный — с внутренним охлаждением, неадиабатный — с внешним источником охлаждения й комбинированный).

Используемые в гелиевой установке компрессоры должны обладать высокой энергетической эффективностью, повышенной надежностью и герметичностью, хорошей уравновешенностью и сбалансированностью, низкой стоимостью. Компрессоры должны быть компактны и удобны в эксплуатации.

В современных гелиевых установках применяются преимущественно поршневые компрессоры различных типов, реже винтовые и центробежные. Наиболее распространенным типом поршневых компрессоров являются компрессоры со смазкой цилиндров. Надежность машин этого типа достаточно высока, однако использование их значительно снижает надежность гелиевых установок из-за загрязнения маслом криогенной системы. Масло вымерзает на поверхностях теплообменников, ухудшая теплопередачу, а попадая в зазор поршневой пары и клапаны детандеров, выводит их из строя. Поэтому там, где возможно, в криогенных системах используются компрессоры, работающие без смазки цилиндров (с поршневыми кольцами из антифрикционных материалов либо с лабиринтным уплотнением поршней). Компрессоры без смазки цилиндров требуют меньше вспомогательного оборудования и более удобны в эксплуатации, чем машины с масляной смазкой.

Недостатком компрессоров с несмазываемыми антифрикционными уплотнительными кольцами является малый срок службы уплотнений поршней (2500—3000 ч), что требует остановок для замены уплотнительных колец.

Во многих криогенных установках применяются поршневые компрессоры с лабиринтным уплотнением поршней. По сравнению с компрессорами с антифрикционными кольцами компрессоры с лабиринтными уплотнениями позволяют повысить ресурс до 9000 ч. Однако компрессоры с лабиринтным уплотнением отличаются повышенными требованиями к точности изготовления, более высокой стоимостью и чувствительностью к вибрациям. При их установке необходимы более тяжелые и дорогие фундаменты, что исключает возможность их применения в транспортных установках.

В последнее время в крупных гелиевых установках начали применяться маслозаполненные винтовые компрессоры, важнейшим преимуществом которых является их надежность (межремонтный ресурс до 50000 ч).

Представляет интерес анализ зависимости между вероятностью отказа компрессора и стоимостью капитальных и эксплуатационных затрат в течение года. Рассматривались следующие типы компрессоров: центробежный, поршневой без смазки и с лабиритным уплотнением поршня, винтовой маслозаполненный и «сухой». Из анализа следует, что винтовой компрессор является самым дешевым вариантом при равных условиях требуемого уровня надежности. Для сжатия гелия было предложено использовать компрессоры вихревого типа, позволяющие получать в одной ступени большее отношение давлений, чем в центробежном компрессоре.

Исследования различных конструктивных вариантов вихревых ступеней показали возможность получения изотермического КПД до 50 % при повышении давления 1,2—1,3 и работе при давлениях всасывания ниже атмосферного (однако КПД на вакуумном режиме ниже, чем в компрессорном). При известных недостатках вихревые компрессоры имеют следующие преимущества перед центробежными: простота конструкции, отсутствие помпа-жа, большой напор в одной ступени, возможность получения меньших объемных производительностей.

Центробежные компрессоры, разработанные для сжатия гелия, представляют собой малорасходные герметичные агрегаты с высокой частотой вращения встроенного электродвигателя. Одним из путей уменьшения числа ступеней центробежного компрессора является создание так называемых «холодных» компрессоров, процесс сжатия в которых происходит на уровне 80 К.

Рост единичной мощности криогенной установки вызван тем, что при наличии мощных потребителей криогенная гелиевая установка с небольшим количеством крупных установок надежнее системы с большим количеством малых установок.

В большинстве созданных в настоящее время блоков сжатия и предварительного охлаждения применяются циклы с предварительным охлаждением жидким азотом. Только около 30 % гелиевых установок не используют предварительное охлаждение и имеют от двух и более детандеров. Зарубежные фирмы предпочитают либо полностью отказаться от предварительного охлаждения, либо использовать его в комбинации с детандирова-нием.

В ступенях сжатия криогенных установок наиболее часто применяются поршневые компрессоры с сухим трением и с временем безаварийной работы, не превышающим 2500—3000 ч. Ряд фирм начинают использовать винтовые компрессоры, время безаварийной работы которых составляет 20000 ч и более.

«Холодные» центробежные компрессоры (с предварительным охлаждением сжимаемого газа) применяются в установках малой производительности. В крупных установках центробежные компрессоры не используются из-за высокой стоимости, больших масс и габаритов.

Применение высоконадежных центробежных компрессоров становится возможным при использовании сжатия смесей гелия или водорода с тяжелым газом, например хладоном. При этом становится возможным отказ от предварительного охлаждения (азотная ванна).

При плотностях газообразного гелия или водорода ступень центробежного компрессора развивает незначительное давление и для достижения заданной большой степени повышения давления компрессор должен иметь значительное количество ступеней. Так, при степени повышения давления от 0,1 до 0,8 МПа компрессор имеет около 25 ступеней.

При уменьшении R, что равносильно переходу на более плотную рабочую среду, степень сжатия увеличивается, т.е. уменьшается число ступеней сжатия. Уменьшение числа ступеней центробежного компрессора при переходе на смесь газов можно оценить по приближенной формуле.

Исследования показывают, что газовые или паровые добавки к гелию, увеличивающие молярную массу сжимаемой смеси, существенно влияют на увеличение эффективности как «сухих», так и маслозаполненных винтовых компрессоров вследствие уменьшения внутренних перетечек из-за снижения скорости звука потока смеси.