Теоретическое введение

Получение гелия и его использование

Инертный газ гелий - наиболее распространенная рабочая среда в различных криогенных системах. Такое распространение гелий получил благодаря своим физическим свойствам, многие из которых уникальны.

О гелии впервые стало известно в 1868 году, когда Ж.Жансен и Н.Локкьер при исследовании атмосферы солнца обнаружили спектральную линию нового неизвестного элемента, названного ими гелий. Лишь спустя 27 лет гелий был открыт на земле Рамзаем при изучении газа, выделенного из минералов. Вскоре было установлено, что в воздухе содержится гелия в количестве 5,2410^-4 по объему, по распространенности же во Вселенной он занимает второе место после водорода (23% космической массы). Гелий - атомный газ без цвета и запаха, плотностью 0,178 кг/м³.

Источником промышленного получения гелия в настоящее время служат некоторые природные газы, содержания гелия в них обычно составляет 1-2%. Гелионосных газовых месторождений относительно немного, они сосредоточены главным образом в России, США и Канаде.

Из природного газа, который в основном состоит из метана и азота, гелий извлекается методами глубокого охлаждения. Природный газ из скважины очищается от СО₂ и осушается от влаги, а затем поступает на разделительную установку, где получают сырой гелий.

При получении сырого гелия метан и другие углеводороды удаляются конденсацией при низких температурах. На второй стадии процесса удаляется азот и оставшиеся примеси. Водород удаляется путем связывания с кислородом на платиновом катализаторе. Основное количество азота удаляется конденсацией; оставшиеся примеси поглощаются в адсорбере. Поступающий к потребителю технический гелий в баллонах под давлением 15 МПа содержит не более 0,5 – 0,8 % примесей.

Наряду с обычным изотопом гелия с атомной массой 4 существует редкий изотоп с атомной массой 3 (He⁴ и He³). Термин «гелий» как правило относится к изотопу He⁴ .

Плотность гелия невелика, а теплоемкость значительна, по этим характеристикам гелий уступает только водороду. Газообразной гелий обладает высокой удельной теплопроводностью и является хорошим теплоносителем. Поскольку гелий инертный газ, то обращение с ним значительно проще, чем с водородом. Гелий достаточно точно подчиняется закономерностям идеального газа в очень широком диапазона температур и давлений. В области температур ниже 20 К свойства реального газа уже выражены вполне четко. Гелий обладает наиболее низкой температурой конденсации (Т= 4,215 К при атмосферном давлении) и это одна из причин его широкого использования в криогенной технике.

Температура инверсии гелия  40 К, поэтому только с помощью жидкого водорода можно обеспечить практически рациональное предварительное охлаждение для ожижения He методом дросселирования. Дроссель-эффект резко возрастает с понижением температуры; значение давления обеспечивающее наибольшее его значение 30 – 15 атм. в интервале температур 20-10 К. Откачкой паров над жидкостью до 0,12 мм рт. ст. температура кипения гелия может быть снижена до 1 К. Дальнейшее понижение температуры таким образом ограничивается возможностями вакуум-насосов, из-за чрезвычайно низкой упругости паров He. Так, например, при температуре 0,1 К равновесное давление паров составляет всего 4,2 10^-32 мм рт. ст. Теплота испарения гелия составляет 2,8 кДж/л и является минимальной (кроме He³) для всех существующих жидкостей. Это обстоятельство является причиной серьезных трудностей, возникающих при производстве, хранении и использовании жидкого гелия.

Низкая плотность газообразного гелия затрудняет применение турбомашин для его сжатия. Из-за высокого показателя адиабаты гелий значительно нагревается при сжатии; отношение давлений в ступени гелиевого компрессора должно быть ниже, чем у воздушного. Помимо криогенной техники, гелий широко применяется для создания инертной среды при плавке, резке и сварке металлов, в ядерной энергетике, ракетной технике, в медицине, водолазном деле и других отраслях.

Способы ожижения гелия

Циклы с дросселированием. Классическая схема ожижения гелия включает две ступени предварительного охлаждения с помощью жидких азота (N₂) и водорода (H₂) (см. рис. 3.1). Жидкий азот кипит в теплообменнике при атмосферном давлении, а водород под вакуумом. Это позволяет обеспечить температуру предварительного охлаждения гелия вплоть до 15-16 К, и получить наибольшее значение дроссель-эффекта.

Рассмотрим схему такого трехступенчатого цикла в ее простейшем варианте, когда жидкие N₂ и H₂ доставляются со стороны. Поток гелия из компрессора, пройдя последовательно все теплообменники I – V, дросселируется в дроссельном вентиле VII и поступает в сборник жидкости VI. Образовавшаяся жидкость х отводится, а обратный поток (1- х), отдавая тепло в теплообменниках, возвращается в компрессор, в линию всасывания которого добавляется газообразный гелий в количестве, равном отводимой жидкости. Пары азота и водорода охлаждают поток сжатого гелия и через теплообменники выводятся из ожижителя.

Простота, отсутствие движущихся частей в блоке ожижителя, надежность работы, являются существенными преимуществами установок такого типа. Однако наличие водорода в значительной степени снижает их достоинства.

Детандерные циклы. Водородное предварительное охлаждение может быть исключено при замене его детендером, в котором расширяется часть потока сжатого гелия. Впервые идея о создании гелиевого ожижителя с детандером была практически осуществлена П. Капицей в 1934 г. Схема такого цикла представлена на рис. 3.2. В качестве первой ступени каскада остается азотная ванна предварительного охлаждения; водородная ступень заменена дедандерной, на нижней ступени остается дросседирование. Помимо исключения водорода, преимуществом данной схемы является использование термодинамически более эффективного процесса в детандере. Гелий из компрессора, пройдя теплообменник I, азотную ванну II и теплообменник III, делится на два потока: D₁ поступает в детандер, а D₂, пройдя теплообменники IV и V, дросселируется в сборник. Поток D₁ расширяется в детандере. Вследствие неплотности поршневой пары могут иметь утечки гелия (достигают 2- 6%); эти утечки направляются в линию обратного потока. После расширения в детандере температура гелия составляет 9- 12 К; этот уровень температуры ниже, чем при водородном охлаждении, и обеспечивает большую величину дроссель-эффекта. Схемы подобного типа получили большое распространение. Основным недостатком таких ожижителей является меньшая надежность, связанная с работой поршневой пары и клапанов детандера.