Криогенные насосы: принцип работы

Криогенные насосы – безмасляные высоковакуумные адсорбционные устройства с высокой производительностью. С их помощью создается базовый вакуум за небольшой период времени. Процесс откачивания среды происходит благодаря конденсации газов/паров охлажденной поверхностью. Для захолаживания агрегатов применяется гелиевый компрессор замкнутого цикла. Устройства имеют небольшой размер и малый вес.

Криогенное насосное оборудование работает с водородом, гелием, азотом, метаном и другими газами. Устройства имеют механический редуктор небольшого размера. Подача регулируется с помощью смены числа двойного движения поршня. Насосы монтируются поблизости к основной емкости. При работе не происходит загрязнения обрабатываемой среды. Комплектующие агрегатов имеют тефлоновое покрытие, устойчивое к химическим воздействиям.

Чистота откачки достигается благодаря отсутствию движущихся элементов и технических жидкостей, которые загрязняют среду. Наличие автоматики позволяет насосу самостоятельно включаться.

Содержание:

1. Устройство криогенного насоса
2. Принцип действия криогенного насоса
3. Виды и типы криогенного насосного оборудования
4. Преимущества и недостатки криогенных насосов
5. Применение криогенных насосов
6. Характеристики криогенных насосов
7. Популярные бренды криогенных насосов

Устройство криогенного насоса

Криогенное насосное оборудование состоит из:

• Корпуса.
• Рефрижератора.
• Ступеней с высокой/низкой температурой.
• Форвакуумного клапана.
• Продувочного и предохранительного клапана.
• Термопарного и температурного датчика.
• Микропроцессорного блока управления.
• Трубопроводов.
• Фильтрующего элемента.
• Манометров и датчиков.

Криогенная часть устройства изготовлена из бронзы. Для защиты от механических повреждений используется кожух. В конструкции оборудования предусматривается семиступенчатая зубчатая передача. Некоторые модели имеют панель управления. Вакуумная изоляция позволяет использовать агрегат в местах с высокой влажностью. Металлические сплавы корпуса устойчивы к окислению, повреждениям, химическим воздействиям, повышенному давлению.

Вал привода отличается полной структурой. Микропроцессорный блок обеспечивает подключение насоса к источнику питания и соединяет в единое целое конструктивных элементов системы. Используются разные уплотнители: сильфонные, торцевые, бесконтактные. Система блокировок способствует безопасной работе. Для мониторинга основных технических параметров задействуются специальные датчики. Насосы могут изготавливаться по индивидуальным требований клиента. Это позволяет быстро адаптировать их под любой технологичный процесс предприятия.

Принцип действия криогенного насоса

Первая ступень (охлаждение)

Происходит охлаждение до 80 K. Происходит конденсация молекул пара и углеводородов. Выравнивается температурное поле. С помощью компрессора гелий поступает в насос. Затем перемещается через теплообменник и поступает в смеситель. Температура гелия опускается до 65 K. Происходит открытие выхлопного клапана, который способствует беспрепятственному перемещению газа. При низкой температуре гелий увеличивается в объеме и создает обратный поток компрессору с помощью теплообменника. Это способствует нагреву газа к комнатной температуре.

Вторая ступень (регенерация)

Температура охлаждения до 20 K. Происходит скопление молекул аргона, азота, кислорода. Активированный уголь обеспечивает адсорбцию газов, не переходящих в твердую фазу. На завершающем этапе откачки (третья ступень) находятся углеродные гранулы, использующиеся как адсорбент для оставшихся молекул газа. Регенерация выполняется при выключенном охлаждающем устройстве. Ступени откачки превышают комнатную температуру.

Криоголовка выполняет функцию рефрижератора, охлаждающего гелий. Компрессор фиксируется к криоголовке с помощью трубок. Форвакуумный клапан способствует процессу регенерации. Через продувочный клапан отводятся из устройства накопленные газы. Предохранительный клапан защищает рабочий объем от проникновения захваченных молекул газовой среды.

Третья ступень (откачка)

Процесс происходит при температуре 10 K. Скорость откачки достигает 14 л/сек.

Благодаря термопарному датчику происходит измерение давление. Микропроцессорный блок управления выполняет контроль над основными параметрами агрегата. Отображает возможность работы с внешними устройствами. На финальном этапе молекулы углерода адсорбируются. Охлаждение выполняется за счет внешнего охлаждающего устройства.

Внутри корпуса криогенного насоса установлена криоголовка и система экранов/панелей, обеспечивающие многоступенчатую откачку. Функционирование техники базируется на действии низких температур. Они охлаждаются с помощью криоголовки. Каждый технологичный уровень агрегата осуществляется быстро и эффективно.

Виды и типы криогенного насосного оборудования

Криогенные насосы в зависимости от принципа работы делятся на два вида:

Центробежные криогенные насосы (ЦКН)

Используются для наполнения резервуаров криогенными жидкостями. Также применяются для увеличения давления до момента поступления жидкости в технологические процессы. В приводе агрегатов может находиться частотный преобразователь. С его помощью происходит смена количества оборотов электрического мотора, расхода/давления подачи.

Благодаря центробежным насосам выполняется перекачка азота, аргона, метана, водорода, кислорода в жидком состоянии. Газовая среда поступает из изотермических в криогенные резервуары.  Рабочее давление составляет 2-100 бар. Производительность равняется 10-10000 л/мин.

При запуске электромотора привод устройства вращает насосное колесо. Получается разрежение на патрубке всасывания, которое фиксируется к трубопроводу откачиваемого резервуара. Происходит всасывание криогенного продукта. Винтовой индуктор способствует низкой высоте всасывания. Уплотнительный элемент из композитных материалов гарантирует отличную герметичность. Жидкость проходит через напорный патрубок и под воздействием давления направляется по трубам на перекачку.

Поршневые криогенные насосы

Создают во время перекачки большое давление жидкости. Используются для наполнения газовых баллонов газом и на заправочных станциях. Максимальное давление в системе может составлять 420 бар.

Вертикальные поршневые насосы опускаются в рабочую среду. Для их работы не требуется проводить дополнительную подготовку. Длительность эксплуатации поршневых колец обеспечивает отсутствие нагрузки на кольца поршня. Безопасность использование агрегата гарантируется расположение мотора в задней части устройства.

Криогенные гелиевые насосы гарантируют холодопроизводительность при разных нагрузках.

Преимущества и недостатки криогенных насосов

Плюсы устройств:

• высокая скорость откачки среды;
• герметичность конструкции;
• безопасность использования (защита от перегрева и попадания внутрь пыли);
• простота/безопасность эксплуатации;
• тихая работа (не создаются посторонний шум и вибрации);
• создается «стерильный» вакуум;
• эффективность в откачивании водяного пара;
• надежность конструкции;
• длительный срок эксплуатации;
• экономичный расход энергии.

Минусы устройств:

• потребность в процессе регенерации после завершения откачки;
• ограниченная емкость.

Применение криогенных насосов

Криогенные насосы используются в местах, где есть потребность в чистом вакууме. Благодаря высокой производительности, безопасности эксплуатации и надежности они используются в химической промышленности, металлургия, а также при производстве оборудования.

Агрегаты обеспечивают постоянную подачу сжиженного газа в место его расхода. Они подходят для заправки под действием давления холодных газификаторов, находящихся вверху линии, криогенной жидкостью. Также агрегаты эксплуатируются совместно с заправочной станцией. Криогенные насосы позволяют получать полупроводники, наносить износостойкие напыления на металлические поверхности/изделия.

Устройства применяются в высоковакуумных испарителях. Оборудование востребовано в полупроводниковой промышленности для откачивания водяного пара. Центробежные установки задействуются на небольших производственных объектах. С их помощью заливаются газом небольшие резервуары или автомобильные цистерны.

Благодаря герметичному корпусу криогенные насосы подходят для постоянной работы в режиме систематических включений/выключений. Погружные модели предназначены для:

• перекачивания сжиженного газа;
• загрузки/выгрузки автомобильных цистерн;
• заполнения/освобождения резервуаров/контейнеров для криогенной жидкости.

Запрещается использовать насосное оборудование совместно с легковоспламеняющимися газами.

Центробежные установки задействуются для перемещения гранул сухого льда с изотермических камер или емкостей в вакуумную установку.

Характеристики криогенных насосов

Максимальное давление остаточных газов, обеспечивающееся с помощью криогенных насосов, достигает ~ 1×10^-11 Торр. Время работы до генерации достигает 14 дней. Если нет газовой нагрузки, тогда этот период увеличивается. Механическая передача с кольцом из композитного материала обеспечивает многолетний срок службы оборудования. Небольшой вес насоса достигается за счет легкого редуктора.

На характеристики устройства влияет быстрота откачки молекул газа по воздушному пространству. Скорость работы агрегатов зависит от количества содержания воды в обрабатываемое вещество. Если в газе будет много жидкости, производительность насосов будет невысокой.

Популярные бренды криогенных насосов

Brooks Automation

Криогенные насосы от американского бренда Brooks Automation отличаются высокой производительностью, неприхотливостью в эксплуатации и надежностью. С их помощью происходит откачивание паров жидкости (до 95% остаточного газа в системе). Устройства гарантируют чистый вакуум и быструю откачку среды. Для повышения скорости работу дополнительно могут использоваться диффузионные или турбомолекулярные агрегаты.

Cryo H&I

Криогенное насосное оборудование от южнокорейского производителя. Компания произвела ребрендинг, ранее называлась GVT. Выпускает сверхпроизводительные насосы в вертикальном и горизонтальном исполнении.

CVI Torr Master

Надежные агрегаты, демонстрирующие высокую скорость откачки, и создают безмасляный вакуум. Устройства демонстрируют стойкость к тепловым воздействиям и работают со всеми газами. Насосы могут одновременно обеспечить высокую производительность и получение сверхвысокого вакуума. Они задействуются в промышленных охлаждающих системах и при производстве электронной техники. Оборудование работает по методу Гиффорда-МакМагона.

HSR AG

Криогенные насосы HSR AG имеют запатентованную конструкцию, что повышает скорость откачки. Контролеры обеспечивают автоматизированную работу агрегатов. Преимущества оборудования: безотказная работа, надежность, высокая мощность, экономичный расход энергии.

Leybold

Насосы оснащаются энергоэффективным мотором и применяются в производственной сфере. Благодаря компактности устройства можно установить в необходимом рабочем положении. Они просты в обслуживании и легко адаптируются к нужному технологичному процессу.

PHPK Technologies

Насосное оборудование PHPK Technologies оснащается надежным приводным механизмом, и демонстрируют быструю регенерацию. Благодаря качественным комплектующим обеспечивается высокая эффективность использования агрегатов и длительный интервал технического обслуживания.

SHI Cryogenics

Криогенные устройства SHI Cryogenics используются в лабораторных условиях и для нужд производства. С помощью контроллеров происходит автоматизация работы оборудования, и снизить время простоев. Насосы доступны с плоским или стандартным корпусом. Фланцы могут иметь ручное или автоматическое управление.

Trillium

Благодаря сбалансированным техническим характеристикам криогенные насосы Trillium используются в разных сферах (производство полупроводников, альтернативных источников энергии, нанотехнологии, медицина). Насосное оборудование способно долго работать без остановок. Благодаря продуманной системе монтажа не возникает трудностей с установкой устройств. Насосы рассчитаны для быстрой интеграции в производственную/исследовательскую сферу. При необходимости комплектацию оборудования можно улучшить с помощью арматуры и возможность соединить агрегаты с другими вспомогательными приспособлениями.