СПОСОБ ОЖИЖЕНИЯ ГЕЛИЯ
METHOD FOR LIQUEFACTION OF HELIUM

Изобретение относится к криогенной технике и широко может быть использовано в криогенных гелиевых установках и особенно в установках средней и большой производительности жидкого гелия.
Известен способ ожижения гелия, включающий компримирование гелия до давления 2,5 МПа, ступень предварительного охлаждения сжатого прямого потока с помощью жидкого азота, ступень предварительного охлаждения за счет жидкого водорода и дроссельную ступень, после которой 12%-16% от компримированного потока ожижается, а неожижившаяся часть в виде обратного потока возвращается в рабочий цикл, передав свой холод за счет рекуперативного теплообмена прямому потоку. (см. А.М. Архаров, К.С. Буткевич «Техника низких температур», Из - во «Энергия«, 1964 г, стр. 153 рис. 4-22, а)
Несмотря на простоту технологического процесса ожижения гелия, он из-за вопроса обеспечения взрывобезопасности практически реализован в лабораторных установках.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту к заявленному изобретению является способ ожижения гелия, включающий, охлаждение потока гелия в первой ступени предварительного охлаждения прямого потока гелия от 300 К до 80 К путем рекуперативного теплообмена с газообразным и жидким азотом, охлаждение во второй ступени предварительного охлаждения прямого потока путем рекуперативного теплообмена и охлаждение в третьей ступени, в которой прямой поток после второй ступени адиабатически расширяют в детандере.(см. А.М, Архаров, В.П. Беляков «Криогенные системы«, Москва, «Машиностроение«, 1987 г, рис. 3.10, стр. 181, рис. 4.73 стр. 323)
Несмотря на то, что в способе ожижения гелия расчетные удельные затраты энергии на получение одного литра жидкого гелия составляют от 1,35 до 1,5 кВт ч, основными недостатками данного способа являются: сложность технологического процесса ожижения гелия;
- многоступенчатая очистка гелия от влаги и низкотемпературных примесей азота, водорода, неона, требующая применения крупногабаритных блоков адсорбционной очитки и не менее сложных систем их регенерации;
- необходимость дополнительных затрат энергии на компримирование ожижаемого потока гелия;
- адиабатическое расширение только части компримированного потока (55%-60%) в двух последовательно установленных турбодетандерах, что снижает их КПД и особенно КПД турбодетандера в концевой ступени ожижения. Решаемая задача - упрощение технологического процесса ожижения гелия при повышении эффективности технологического процесса ожижения гелия. Указанный технический результат достигается тем, что в способе ожижения гелия, включающим охлаждение потока гелия в первой ступени предварительного охлаждения прямого потока гелия от 300 К до 80 К путем рекуперативного теплообмена с газообразным и жидким азотом, охлаждение во второй ступени предварительного охлаждения прямого потока путем рекуперативного теплообмена и охлаждение в третьей ступени, в которой прямой поток после второй ступени адиабатически расширяют в детандере, ожижение гелия осуществляют в автономном контуре, в который гелий редуцируют из хранилища газообразного гелия до давления 1.2 МПа - 2,0 МПа, после чего поток охлаждают в первой ступени, при этом на уровне 273 К - 278 К осуществляют адсорбцию паров воды, а на уровне 80 К - адсорбцию примесей азота и частично водорода, далее поток охлаждают от 80 К до 6 К - 7 К во второй ступени с адсорбцией от неона и водорода на уровне 25 К - 30 К за счет рекуперации холода, получаемого в гелиевом рефрижераторном цикле, а далее его ожижают в третьей ступени за счет адиабатического расширения в детандере с давления 1,2 МПа - 2,0 МПа до давления 0,125 МПа - 0,135 МПа и полученный жидкий гелий отводят в хранилище, при чем в гелиевом рефрижераторном цикле обратный поток гелия компримируют от давления 0,105 МПа до давления прямого потока 2, 5 МПа, затем поток охлаждают от 300 К до 80 К путем рекуперативного теплообмена между обратным и прямым потоками и жидким азотом, а далее производят адиабатическое расширение всего прямого потока в двух последовательно установленных детандерах с давления 2,5 МПа до давления обратного потока 0,105 МПа с понижением температуры до 5,8 К - 6,8 К и передачей холода путем рекуперативного теплообмена потоку гелия во второй ступени автономного контура. На чертеже показана принципиальная схема криогенной гелиевой установки, реализующей предложенный способ ожижения.
Криогенная гелиевая установка состоит из контура ожижения гелия, включающего первую ступень охлаждения, выполненную в виде рекуперативного теплообменника 1, змеевика 2, размещенного в азотной ванне 3, вторую ступень охлаждения, выполненную в виде рекуперативных теплообменников 4. 5 и 6, и третью ступень, выполненную в виде детандера 7, при этом первая ступень охлаждения подключена с помощью редуктора 8 к хранилищу 9 газообразного гелия, а третья ступень - к хранилищу 10 жидкого гелия. В состав криогенной гелиевой установки входит гелиевый рефрижератор в виде компрессора 11. рекуперативного теплообменника 12, змеевика 13, размещенного в азотной ванне 3, турбодетандеров 14 и 15, а также рекуперативных теплообменников 4. 5 и 6. Очистка ожижаемого потока гелия в автономном контуре от паров воды происходит в адсорбере 16, а от низкотемпературных примесей азота, водорода, неона - в адсорберах 17 и 18. Способ ожижения осуществляется следующим образом.
Из хранилища 9 газообразного гелия, где он находится под давлением от 20,0 МПа до 32,0 МПа, поток гелия с помощью редуктора 8 подается в первую ступень охлаждения автономного контура ожижения гелия под давлением 1.2 МПа - 2,0 МПа. В первой ступени поток охлаждается от 300 К до 80 К за счет рекуперативного теплообмена в теплообменнике 1 с парами азота, образующимися при прохождении потока по змеевику 2 в азотной ванне 3, после которой его температура понижается до 80 К. В первой ступени охлаждения автономного контура производят удаление из потока на уровне 273 К - 278 К в адсорбере 16 паров воды, а на уровне 80 К в адсорбере 17 удаляют примеси азота и частично водорода. Далее поток гелия охлаждают от 80 К до 6К - 7 К во втором контуре после прохождения рекуперативных теплообменников 4. 5 и 6, при этом на уровне 25 К - 30К из гелия удаляют примеси неона и водорода в адсорбере 18, после чего поток гелия ожижают в третьей ступени путем адиабатического расширения гелия в детандере 7 с давления 1,2 МПа - 2,0 МПа до давления 0,125 МПа - 0,135 МПа и ожиженный поток отводят в хранилище 10 жидкого гелия. Необходимая холодопроизводительность и температурный уровень 6 К - 7 К для предварительного охлаждения ожижаемого потока гелия во втором контуре создается в циркуляционном контуре гелиевого рефрижератора, в котором обратный поток с давлением 0,105 МПа сжимается в компрессоре 11 до давления 2,5 МПа прямого потока, после чего он охлаждается от 300 К до 80 К за счет рекуперативного теплообмена в теплообменнике 12 между прямым и обратным потоками и последующего прохождении потока по змеевику 13 в азотной ванне 3, после которой его температура понижается до 80 К. После азотной ванны 3 весь прямой поток адиабатически расширяется в последовательно установленных турбодетандерах 14 и 15 с давления 2,5 МПа до давления 0,105 МПа с понижением температуры до 5,8 К - 6,8 К и возвращается на всас компрессора 11, передав свой холод в рекуперативных теплообменниках 4. 5, 6 и 12 встречным потокам гелия. Как видно из описания способа предложенное техническое решение позволяет за счет организации разделения гелиевых потоков на ожижаемый поток и замкнутый циркуляционный поток в рефрижераторном цикле упростить технологический процесс ожижения гелия, существенно уменьшить габариты адсорберов, установленных в автономном контуре, и следовательно сократить энергозатраты при проведении процессов регенерации, повысить КПД турбодетандеров в гелиевом рефрижераторе, так как расход гелия через турбодетандеры увеличивается более чем в 1,5 раза, а в третьей ступени автономного контура в качестве расширительной машины - использовать поршневой детандер, КПД которого как показал опыт эксплуатации не менее 85%. Все это в итоге как показали расчеты от 3% до 5% позволяет уменьшить удельные затраты энергии на получение литра жидкого гелия. Сравнение существенных признаков предлагаемого и уже известных решении дает основание считать, что предлагаемое техническое решение отвечает критериям «изобретательский уровень» и «ПРОМЫШЛЕННАЯ ПРИМЕНЯЕМОСТЬ».