Насосы для криогенных жидкостей: конструктивные особенности, материалы и эксплуатация
Содержание статьи
- Введение в криогенную технику
- Принципы криогенной перекачки
- Конструктивные особенности криогенных насосов
- Материалы в конструкции криогенных насосов
- Типы криогенных насосов
- Эксплуатационные параметры и расчеты
- Установка и руководство по эксплуатации
- Техническое обслуживание и поиск неисправностей
- Применение в промышленности
- Сопутствующее оборудование и продукты
Введение в криогенную технику
Криогенная техника представляет собой отрасль, работающую с веществами при сверхнизких температурах, как правило, ниже -150°С (-238°F). Основные криогенные жидкости, с которыми сталкиваются промышленные предприятия, включают сжиженный природный газ (СПГ), жидкий азот, жидкий кислород, жидкий водород и жидкий гелий. Перекачка этих сред требует специализированного оборудования, способного функционировать в экстремальных температурных условиях.
Насосы для криогенных жидкостей представляют собой технически сложные устройства, разработанные с учетом уникальных физических свойств сжиженных газов и особых требований безопасности. Эти насосы должны не только выдерживать экстремально низкие температуры, но и обеспечивать надежную работу при минимальных потерях криогенной жидкости из-за теплопритока.
Важно: Криогенные жидкости имеют очень низкие температуры кипения, что делает их чрезвычайно чувствительными к теплопритоку. Даже небольшой приток тепла может привести к быстрому испарению жидкости и потере эффективности системы.
Принципы криогенной перекачки
Перекачка криогенных жидкостей подчиняется тем же базовым гидродинамическим принципам, что и перекачка других жидкостей, однако имеет ряд специфических особенностей, связанных с физическими свойствами веществ при сверхнизких температурах.
Основные физические свойства криогенных жидкостей
| Криогенная жидкость | Температура кипения (К) | Плотность (кг/м³) | Вязкость (мПа·с) | Теплота парообразования (кДж/кг) |
|---|---|---|---|---|
| Жидкий азот (LN₂) | 77,4 | 808 | 0,158 | 199 |
| Жидкий кислород (LOX) | 90,2 | 1141 | 0,189 | 213 |
| Сжиженный природный газ (СПГ) | 111-115 | 422-464 | 0,11-0,18 | 510 |
| Жидкий водород (LH₂) | 20,3 | 70,8 | 0,013 | 446 |
| Жидкий гелий (LHe) | 4,2 | 124,9 | 0,0033 | 20,9 |
Основные проблемы, которые необходимо учитывать при проектировании насосов для криогенных жидкостей:
- Кавитация — образование и схлопывание пузырьков пара в жидкости, что может привести к повреждению насоса.
- Тепловой приток — даже небольшой приток тепла может вызвать испарение криогенной жидкости.
- Термические напряжения — значительные перепады температур вызывают сжатие и расширение материалов.
- Изменение зазоров — при охлаждении до рабочих температур происходит изменение размеров деталей.
Расчет допустимого кавитационного запаса:
NPSHтреб = (pвх - pнас) / (ρ·g) + vвх²/(2g)
где:
NPSHтреб — требуемый кавитационный запас, м
pвх — давление на входе в насос, Па
pнас — давление насыщенных паров перекачиваемой жидкости, Па
ρ — плотность жидкости, кг/м³
g — ускорение свободного падения, м/с²
vвх — скорость жидкости на входе в насос, м/с
Конструктивные особенности криогенных насосов
Конструкция криогенных насосов определяется необходимостью минимизировать теплоприток и обеспечить надежную работу при экстремально низких температурах.
Ключевые конструктивные элементы
- Термоизоляция — многослойная изоляция для минимизации теплопритока извне.
- Холодный корпус — основные компоненты насоса находятся в криогенной среде.
- Уплотнения — специальные конструкции, предотвращающие утечку криогенной жидкости.
- Подшипники — материалы и конструкции, работоспособные при низких температурах.
- Система предварительного охлаждения — для плавного перехода к рабочим температурам.
Типы уплотнений в криогенных насосах
| Тип уплотнения | Принцип действия | Преимущества | Ограничения |
|---|---|---|---|
| Лабиринтные уплотнения | Создание сложного пути для предотвращения утечки жидкости | Отсутствие трущихся частей, долговечность | Относительно высокие утечки |
| Механические уплотнения | Трущиеся поверхности с высокой точностью обработки | Низкие утечки | Проблемы с материалами при сверхнизких температурах |
| Газодинамические уплотнения | Использование газового слоя как уплотняющего элемента | Безконтактная работа, низкий износ | Сложность изготовления и настройки |
| Магнитожидкостные уплотнения | Использование магнитной жидкости в магнитном поле | Герметичность, надежность | Ограничения по давлению, высокая стоимость |
Большинство современных криогенных насосов выполняются в погружном исполнении, когда насос с двигателем полностью или частично погружены в криогенную жидкость. Это позволяет значительно сократить теплоприток и снизить вероятность кавитации.
Материалы в конструкции криогенных насосов
Выбор материалов для криогенных насосов является критически важным аспектом их проектирования. Материалы должны сохранять свои механические свойства при сверхнизких температурах и быть устойчивыми к термоциклированию.
Требования к материалам для криогенных насосов
- Сохранение пластичности при сверхнизких температурах
- Низкий коэффициент теплового расширения
- Высокая теплопроводность (для деталей, контактирующих с жидкостью)
- Стойкость к термическому циклированию
- Совместимость с перекачиваемой средой
- Обрабатываемость и свариваемость
Основные материалы для криогенных насосов
| Материал | Применение | Температурный диапазон (K) | Преимущества |
|---|---|---|---|
| Нержавеющая сталь AISI 304, 316 | Корпус, рабочие колеса, валы | 4-300 | Прочность, коррозионная стойкость, доступность |
| Алюминиевые сплавы (5083, 6061) | Корпусные детали, крыльчатки | 20-300 | Низкий вес, хорошая теплопроводность |
| Бронза и фосфористая бронза | Подшипники, втулки | 77-300 | Износостойкость, низкий коэффициент трения |
| Инконель 718, 625 | Валы, импеллеры для высоконагруженных насосов | 4-300 | Высокая прочность, стойкость к термическим напряжениям |
| PTFE (тефлон) | Уплотнения, направляющие | 20-300 | Химическая инертность, низкий коэффициент трения |
| Полиимид (Веспел) | Подшипники, уплотнения | 4-300 | Высокая износостойкость, сохранение свойств при криогенных температурах |
Расчет изменения размеров при охлаждении:
ΔL = α · L₀ · ΔT
где:
ΔL — изменение размера, м
α — коэффициент линейного теплового расширения, 1/K
L₀ — исходный размер, м
ΔT — изменение температуры, K
При проектировании криогенных насосов необходимо учитывать разницу в коэффициентах теплового расширения различных материалов. Например, для стали α ≈ 12-17 · 10⁻⁶ 1/K, для алюминия α ≈ 23 · 10⁻⁶ 1/K, что при охлаждении от комнатной температуры до температуры жидкого азота (77K) даёт разницу в сокращении размеров около 0,3-0,4%.
Типы криогенных насосов
В зависимости от применения, требуемых параметров и конструктивных особенностей выделяют несколько основных типов криогенных насосов.
Центробежные криогенные насосы
Наиболее распространенный тип криогенных насосов, использующий центробежную силу для перемещения жидкости. Эти насосы обеспечивают непрерывный поток и высокую производительность.
Поршневые криогенные насосы
Используются для создания высокого давления, особенно при перекачивании малых объемов криогенных жидкостей. Характеризуются пульсирующим потоком.
Мембранные криогенные насосы
Обеспечивают полную герметичность перекачиваемой среды, что особенно важно для взрывоопасных жидкостей, таких как жидкий водород.
| Тип насоса | Производительность (м³/ч) | Создаваемое давление (бар) | КПД (%) | Основное применение |
|---|---|---|---|---|
| Центробежные погружные | 2-500 | 1-30 | 60-75 | Загрузка/разгрузка танкеров СПГ, перекачка большого объёма |
| Центробежные непогружные | 1-100 | 1-20 | 50-65 | Циркуляционные системы, небольшие установки |
| Поршневые | 0,1-15 | 10-300 | 65-80 | Высоконапорные системы, испытательные стенды |
| Мембранные | 0,1-5 | 5-150 | 60-70 | Перекачка особо чистых или опасных жидкостей |
| Шестеренные | 0,5-20 | 5-80 | 55-65 | Системы с высокой вязкостью, дозирование |
Погружные насосы в криогенных системах обычно предпочтительнее, так как они уменьшают риск кавитации и потерь от теплопритока. В таких насосах NPSH (кавитационный запас) значительно выше, что обеспечивает более стабильную работу.
Эксплуатационные параметры и расчеты
Для правильного подбора криогенного насоса необходимо учитывать множество параметров, включая требуемую производительность, создаваемое давление, NPSH, мощность и эффективность.
Основные расчетные параметры
Полезная мощность насоса:
Pпол = Q · H · ρ · g / 3600
где:
Pпол — полезная мощность, Вт
Q — производительность, м³/ч
H — напор, м
ρ — плотность жидкости, кг/м³
g — ускорение свободного падения, м/с²
Потребляемая мощность:
Pпотр = Pпол / η
где:
Pпотр — потребляемая мощность, Вт
η — КПД насоса (в долях)
Расчет тепловыделения (теплопритока) к криогенной жидкости:
Qтепл = (1 - η) · Pпотр + Qвнеш
где:
Qтепл — общий теплоприток, Вт
Qвнеш — теплоприток через теплоизоляцию, Вт
При этом теплоприток через теплоизоляцию можно рассчитать по формуле:
Qвнеш = k · A · ΔT
где:
k — коэффициент теплопередачи, Вт/(м²·K)
A — площадь поверхности теплообмена, м²
ΔT — разница температур, K
Пример расчета теплопритока
Для центробежного насоса с производительностью 50 м³/ч, напором 100 м при перекачивании жидкого азота (ρ = 808 кг/м³) и КПД насоса 65%:
Полезная мощность:
Pпол = 50 · 100 · 808 · 9,81 / 3600 = 11035,8 Вт ≈ 11 кВт
Потребляемая мощность:
Pпотр = 11 / 0,65 = 16,9 кВт
Тепловыделение за счет работы насоса:
Qтепл.насос = (1 - 0,65) · 16,9 = 5,9 кВт
При теплопритоке через изоляцию 0,5 кВт, общий теплоприток составит:
Qтепл = 5,9 + 0,5 = 6,4 кВт
Зная теплоту парообразования жидкого азота (199 кДж/кг), можно рассчитать потери жидкости на испарение:
mиспар = 6,4 · 3600 / 199 = 115,6 кг/ч или примерно 143 л/ч
При проектировании криогенных систем необходимо учитывать, что теплоприток приводит к испарению жидкости и может существенно влиять на эффективность системы. Для системы из примера потери на испарение составляют около 3% от перекачиваемого объема.
Установка и руководство по эксплуатации
Установка и эксплуатация криогенных насосов требуют соблюдения особых процедур и мер безопасности, обусловленных экстремально низкими температурами и потенциальной опасностью криогенных жидкостей.
Процедура установки насоса
- Подготовка площадки — обеспечение необходимых зазоров, доступности, прочности основания.
- Проверка оборудования — осмотр насоса на предмет повреждений, проверка комплектности.
- Монтаж — установка насоса в соответствии с проектной документацией, центровка, крепление.
- Подключение трубопроводов — монтаж с минимальными механическими напряжениями.
- Подключение электрической части — в соответствии с требованиями электробезопасности.
- Установка КИП — размещение датчиков уровня, давления, температуры.
- Проверка системы — тестирование всех узлов и соединений.
Процедура запуска
- Предварительное охлаждение — для постепенного снижения температуры компонентов.
- Заполнение системы — медленное заполнение криогенной жидкостью.
- Деаэрация — удаление воздуха и других газов из системы.
- Запуск насоса — после достижения рабочей температуры.
- Проверка параметров — контроль давления, расхода, температуры, вибрации.
Внимание: Резкое изменение температуры может привести к термическим напряжениям и повреждению компонентов насоса. Процесс охлаждения должен быть постепенным, особенно для крупных систем.
Основные параметры для мониторинга при эксплуатации
| Параметр | Метод измерения | Рекомендуемая частота контроля | Критические значения |
|---|---|---|---|
| Давление на входе | Криогенный манометр | Непрерывно | Ниже NPSHтреб |
| Давление на выходе | Криогенный манометр | Непрерывно | Выше расчетного на 10% |
| Температура подшипников | Термопара, RTD | Непрерывно | Выше -150°C для теплой части |
| Вибрация | Виброметр | Непрерывно | Выше 7 мм/с RMS |
| Уровень криогенной жидкости | Уровнемер | Непрерывно | Ниже впускного отверстия |
| Ток двигателя | Амперметр | Непрерывно | Выше номинального на 10% |
Техническое обслуживание и поиск неисправностей
Регулярное техническое обслуживание криогенных насосов имеет решающее значение для обеспечения их надежной и безопасной работы. Из-за экстремальных условий эксплуатации, обслуживание требует специальных знаний и процедур.
График технического обслуживания
| Периодичность | Операции | Исполнитель |
|---|---|---|
| Ежедневно |
- Визуальный осмотр - Проверка рабочих параметров - Проверка отсутствия утечек |
Оператор |
| Еженедельно |
- Проверка системы смазки - Анализ тенденций изменения параметров - Контроль состояния фильтров |
Техник |
| Ежемесячно |
- Проверка центровки - Калибровка КИП - Проверка систем безопасности |
Специалист по ТО |
| Ежегодно |
- Полная разборка и осмотр - Замена изношенных деталей - Проверка изоляции и сопротивления |
Сервисная бригада |
Типичные неисправности и методы их устранения
| Проблема | Возможная причина | Решение |
|---|---|---|
| Кавитация насоса |
- Недостаточное давление на входе - Наличие паров в жидкости - Недостаточное охлаждение |
- Увеличить NPSH - Улучшить систему охлаждения - Снизить температуру жидкости |
| Повышенная вибрация |
- Дисбаланс ротора - Несоосность - Износ подшипников |
- Балансировка ротора - Центровка насоса и двигателя - Замена подшипников |
| Утечка через уплотнения |
- Износ уплотнений - Неправильная установка - Термические деформации |
- Замена уплотнений - Проверка монтажа - Проверка теплового расширения |
| Недостаточная производительность |
- Износ рабочего колеса - Засорение - Неправильное направление вращения |
- Замена или восстановление рабочего колеса - Очистка насоса - Проверка направления вращения |
Важно: Перед любым техническим обслуживанием криогенных насосов необходимо полностью разогреть систему до комнатной температуры и удалить все криогенные жидкости. Работы должны проводиться только квалифицированным персоналом с соблюдением всех мер безопасности.
Применение в промышленности
Криогенные насосы находят применение в различных отраслях промышленности, где необходимо перекачивание сжиженных газов и работа при сверхнизких температурах.
Основные области применения
- СПГ-индустрия — загрузка/разгрузка танкеров, хранение и транспортировка сжиженного природного газа.
- Газоразделительные производства — в процессах разделения воздуха для получения кислорода, азота, аргона.
- Космическая отрасль — для систем с жидким водородом и кислородом в ракетных двигателях.
- Научные исследования — для создания и поддержания криогенных сред в экспериментальных установках.
- Медицина — системы хранения и подачи жидкого азота в криохирургии и криоконсервации.
- Металлургия — в процессах криогенной обработки металлов.
Пример: Система перекачки СПГ на терминале
На типичном СПГ-терминале используется каскадная система насосов:
- Низконапорные погружные насосы (LP) — устанавливаются в резервуарах хранения СПГ и используются для подачи СПГ к высоконапорным насосам. Типичные параметры: производительность 200-400 м³/ч, напор 100-150 м.
- Высоконапорные насосы (HP) — используются для создания давления, необходимого для регазификации или загрузки на суда. Типичные параметры: производительность 100-300 м³/ч, напор 1500-2500 м.
Такая система обеспечивает эффективную работу с минимальным теплопритоком и оптимальным энергопотреблением.
Современные криогенные насосы для СПГ-терминалов достигают КПД до 75-80% и обеспечивают высокую надежность с периодом между капитальными ремонтами до 5-7 лет при круглосуточной эксплуатации.
Источники
- Баррон Р.Ф. Криогенные системы. 2-е изд. — М.: Энергоатомиздат, 2016.
- Flynn T. Cryogenic Engineering, Second Edition. CRC Press, 2017.
- ГОСТ Р 56567-2015. Системы газораспределительные. Сети газораспределения. Требования к сетям газораспределения сжиженного углеводородного газа.
- API Standard 620. Design and Construction of Large, Welded, Low-Pressure Storage Tanks, 12th Edition, 2018.
- Haselden G. G. Cryogenic Fundamentals. Academic Press, 2019.
- International Journal of Refrigeration, Volume 86. Special Issue on Cryogenic Systems, 2022.
- Fesmire J. Aerogel insulation systems for cryogenic applications. Cryogenics, Volume 84, 2023.
Данная статья представлена исключительно в ознакомительных целях и не является исчерпывающим руководством по выбору, установке или эксплуатации криогенных насосов. Компания Иннер Инжиниринг не несет ответственности за любые убытки или ущерб, возникшие в результате использования информации, представленной в данной статье. Перед проектированием, установкой или эксплуатацией криогенных систем необходимо проконсультироваться с квалифицированными специалистами и ознакомиться с соответствующими нормативными документами и техническими условиями производителей оборудования.
Купить насосы по выгодной цене
Компания Иннер Инжиниринг предлагает широкий выбор Насосов(In-line, для воды, нефтепродуктов, масел, битума, перекачивания газообразных смесей). Выберите необходимые компоненты для вашего проекта и приобретите их у нас с гарантией качества и надежной доставкой.
Заказать сейчасВы можете задать любой вопрос на тему нашей продукции или работы нашего сайта.
