Печать страницы

Гелиевые ожижители малой производительности для научных лабораторий

С увеличением финансирования отдельных направлений науки в последние годы, происходит обновление приборной базы научных учреждений, в связи с чем растет их потребность в обеспечении криогенными жидкостями. Как правило, это предприятия, занимающиеся исследованиями в области низких и сверхнизких температур, либо использующие приборы, такие как сверхпроводящие магниты для работы которых требуется наличие жидкого азота и жидкого гелия.

Появление на рынке коммерчески доступных криогенных рефрижераторов замкнутого цикла и внедрение их в приборы для научных исследований в диапазоне температур 10мК-300К заметно снизило зависимость исследователей от наличия криогенных жидкостей и связанной с ними инфраструктуры.

Однако не стоит забывать про ряд особенностей, присущих криогенным рефрижераторам, таких как: вибрации, флуктуация температуры на холодных ступенях, время захолаживания, физические размеры, которые не позволяют использовать их в ряде исследовательских задач. Таким образом, внедрение криогенных рефрижераторов не исключает потребность в жидком азоте и жидком гелии. Следует отметить, что отечественная приборная база, изготовленная до 2000 г, зачастую не допускает интеграции с криогенными рефрижераторами и соответственно также требует для работы наличия криогенных жидкостей.

"Удобным, быстрым и эффективным способом обеспечения отдельной лаборатории гелиевой инфраструктурой является построение системы сбора, очистки и ожижения гелия на базе современных лабораторных ожижителей малой производительности компании Cryomech Inc (США)"

Обеспечение жидким азотом в целом не вызывает затруднений, за исключением, быть может, удаленных от инфраструктурных центров регионов, таких как, например, г.Якутск. С обеспечением жидким гелием ситуация сложнее, т.к. жидкий гелий легко доступен только в некоторых крупных городах. Но даже там не все компании готовы поставлять гелий объемами менее 250 литров, при том, что внутри институтов работа происходит, как правило, с сосудами емкостью 30-60л. Таким образом, исследователи вынуждены уговаривать поставщиков продать им необходимое количество жидкого гелия, самостоятельно решать вопросы логистики.

Потребление жидкого гелия по институтам и лабораториям неоднородно по объему и времени. По нашим данным, потребление институтов РАН колеблется от 40 до 5 000 литров жидкого гелия в год. Увеличение потребления может быть связано с выполнением того или иного краткосрочного проекта. Такое небольшое потребление не является достаточным для экономической целесообразности содержания в учреждении в рабочем состоянии большого гелиевого хозяйства для сбора и ожижения гелия.

С другой стороны, если говорить о закупке криогенных жидкостей у внешних производителей, то, во-первых - это дорого (рост цен на жидкий гелий с 2010 года - более 50%), во-вторых - сброс газообразного гелия в атмосферу является очень нерациональным использованием не возобновляемого природного ресурса и в-третьих - не всегда выстроенные отношения научных работников с бухгалтерией, отделом снабжения и несовершенство систем закупок в целом не позволяют исследователям своевременно производить эту закупку.

(Рис. 1 .Схема ожижителя с системой сбора и очистки газообразного гелия)

Табл.1. Статистика по некоторым ожижителям, работающим в научных учреждениях России.

Работа с документами, связанными с приобретением гелия, отнимает большое количество времени, которое могло быть использовано более продуктивно. Все вышеназванные причины заставляют задуматься о необходимости наличия эффективной для таких объемов системы сбора и реконденсации гелия при проведении низкотемпературных исследований.

Удобным, быстрым и эффективным способом обеспечения отдельной лаборатории и даже института гелиевой инфраструктурой является построение системы сбора, очистки и ожижения гелия на базе современных лабораторных ожижителей малой производительности компании Cryomech Inc. (США). Основателем данной компании является Вильям Гиффорд, основной разработчик цикла Гиффорда - Мак-Магона, по которому работает большинство современных криогенных рефрижераторов замкнутого цикла.

Ожижители максимально просты в эксплуатации, имеют понятную наглядную панель управления, не требуют дополнительных знаний и навыков, могут работать в автоматическом режиме без присмотра на протяжении многих дней

Компания выпускает небольшие по производительности (от 10 до 480 литров в сутки) компактные лабораторные ожижители азота, а также ожижители гелия производительностью от 6 до 60 литров жидкого гелия в сутки. Подробнее остановимся на гелиевых ожижителях. На рис.1 приведена схема ожижителя с системой сбора и очистки газообразного гелия. Газообразный гелий из газосброса приборов собирается в газгольдер, откуда перекачивается компрессором в баллоны высокого давления (до 200 бар). Далее этот гелий очищается в блоке криогенной очистки до чистоты >99,99% и подается под небольшим избыточным давлением в ожижитель. Все процессы автоматизированы и не требуют участия человека. Произведенный гелий переливается в сосуды потребителя, либо хранится непосредственно в накопительной ёмкости ожижителя, испаряясь из которого постепенно возвращается в систему сбора.

Ожижитель позволяет постоянно иметь запас жидкого гелия и оперативно выдавать его научным сотрудникам, буквально в момент обращения. Из имеющегося опыта работы оборудования можно уверенно говорить о потерях газа на уровне не более 3-5% за цикл полного оборота гелия.

(Рис.2. Структура ожижителя)

Ожижители максимально просты в эксплуатации, имеют понятную наглядную панель управления, не требуют дополнительных знаний и навыков у обслуживающего персонала, могут работать в автоматическом режиме без присмотра на протяжении многих дней. Регламентная периодичность проведения ТО - 20 000 часов. Техническое обслуживание чрезвычайно простое заключается оно в замене адсорбера в компрессоре, для этого потребуется 2 рожковых ключа и не более 20 минут.

Принцип работы ожижителя построен на использовании двухступенчатого криогенного рефрижератора замкнутого цикла. Рефрижератор установлен в сосуд Дьюара, в который подаётся газообразный гелий чистотой 99,9%. Гелий охлаждается до 40К на первой ступени и постепенно захолаживается до 4.2К на теплообменниках от первой ступени ко второй, вплоть до конденсации на теплообменнике второй ступени. Принцип конденсации гелия на холодном теплообменнике-конденсаторе при атмосферном давлении без дросселирования существенно повышает надежность системы, снижает чувствительность ожижителя к чистоте газообразного гелия. При существенном загрязнении холодного теплообменника достаточно просто отогреть систему и откачать накопительную емкость форвакуумным насосом. Накопительная емкость снабжена уровнемером, позволяющим поддерживать заданный уровень гелия, датчиком температуры и давления, которые отслеживают текущее состояние установки, группой предохранительной арматуры и вакуумным гибким переливным устройством с вентилем выдачи.

Ожижитель укомплектован всем необходимым для работы - его система очистки состоит из предварительного осушителя, криогенного адсорбера и газоанализатора, предотвращающего подачу грязного газа в ожижитель. Все элементы мобильны и просты в эксплуатации, также имеется возможность удаленного мониторинга и управления системой через интернет.

Упрощенной версией ожижителя является реконденсатор, устанавливаемый на один прибор и обеспечивающий его работу без потерь гелия. Реконденсатор представляет из себя небольшой криостат со встроенным рефрижератором и трубкой-хвостовиком, в которую поступает газообразный гелий из газосброса криогенного прибора, и через неё же возвращается жидкость. Реконденсаторы могут быть легко установлены на криостаты со сверхпроводящим магнитом для возврата интенсивно испаряющегося во время работы магнита гелия.

В таблицах наглядно показано, что применение ожижителей на базе криогенных рефрижераторов позволяет эффективно решить проблему обеспечения гелием учреждение с потребностью до 20 000 литров в год.

Мы видим, что малые ожижители LHeP способны полностью обеспечить современную лабораторию или весь институт жидким гелием, и в тоже время сэкономить средства не только на закупке гелия, но и на электроэнергии и зарплате обслуживающего персонала, если их сравнивать с инфраструктурой ожижителей большой производительности. Помимо прочего наличие ожижителя сэкономит время научных сотрудников, освобожденных от рутинной работы по периодической закупки гелия, и позволит им сконцентрироваться на выполнении научных задач, добиться лучших результатов в передовых исследованиях.

Гелий - не возобновляемый ресурс, и бережное отношение к нему, его сбор и многократное использование - наша задача и долг перед будущими поколениями.

Статья опубликована в журнале
"Gasworld Россия и СНГ" 13.11.2014