HRRS-Системы: восстановление и повторное использование гелия

Уникальные свойства гелия делают его незаменимым во многих высокотехнологичных сферах:

• Гелий применяют для быстрого и эффективного охлаждения при термической обработке металлов.
• Одноатомный газообразный гелий обладает высокой проникающей способностью, благодаря чему гелиевые течеискатели лучше других обнаруживают тончайшие трещины и поры при проверке герметичности технологических установок: исключительно высокая скорость диффузии делает гелий незаменимым трассерным газом для выявления малейших утечек в атомных реакторах, холодильном оборудовании, системах кондиционирования и других устройствах, работающих под давлением или вакуумом.
• Без гелия сегодня невозможно производить кремниевые полупроводники, обеспечивать низкотемпературную сверхпроводимость, проводить низкотемпературные научные исследования ниже -256оС. Медицинские ЯМР-томографы не могут работать без жидкого гелия.

В некоторых технологических процессах гелий теряется безвозвратно после однократного использования (ракетостроение, упаковка и хранение пищевых продуктов), однако в большинстве случаев отработанный гелий может быть аккумулирован, очищен и использован повторно.

Вследствие возрастающего спроса рыночная стоимость гелия постоянно возрастает. Гелий стоит в 4 раза дороже другого инертного газа – аргона, и в 30 раз дороже азота. Так как ресурсы гелия в природе ограничены, а его стоимость неуклонно растет, все более притягательным становится внедрение современных HRRS-систем (Helium Recovery and Recycling Systems) восстановления и многократного использования гелия. Наряду с экономическим эффектом от снижения затрат на закупку гелия, у HRRS-систем имеются и иные преимущества:

• Системы легко монтируются и интегрируются в существующий производственный процесс.
• Системы гарантируют надежное и своевременное обеспечение гелием, исключая риск перебоев в поставках товарного гелия.
• Природозащитный аспект HRRS-систем, снижение уровня выбросов в атмосферу повышает статус и имидж бизнеса.

Принцип работы

Каждая HRRS-система, несмотря на различия в деталях, должна выполнять три основные функции:

• улавливать и аккумулировать поток отработанного гелия,
• очищать гелий от загрязнений,
• возвращать восстановленный гелий в технологический процесс.

Способ очистки отработанного гелия выбирают с учетом требований к его чистоте и в зависимости от вида и уровня его загрязненности. Как правило, газ очищают способом короткоцикловой адсорбции (КЦА), мембранным или криогенным газоразделеним.

После очистки и сжатия в компрессоре гелий поступает на хранение (в газообразном или сжиженном состоянии), а оттуда – на повторное применение.

Сосуды с жидким гелием доставляются к экспериментальным установкам или производственным линиям, где гелий используют, как правило, в качестве охлаждающего средства или защитной среды. При этом происходит переход жидкого гелия в газообразную фазу. Отработанный газообразный гелий аккумулируют в вакуумном накопительном резервуаре. При наполнении резервуара газом автоматически включается присоединенный к нему компрессор, в котором происходит многоступенчатое сжатие гелия до 100-250 бар с межступенчатым охлаждением газа в теплообменниках.

После осушки и фильтрации сжатый гелий поступает в баллоны высокого давления на хранение. При необходимости газообразный гелий сжижают и возвращают в технологический процесс, цикл регенерации замыкается.

Поскольку технологические требования к гелию различны, много факторов необходимо учитывать при проектировании каждой конкретной HRRS-системы. К таким фактором относятся: общий объем потребления гелия, требования к чистоте гелия, давление и скорость потока, количество промышленных установок – потребителей гелия, уровень и тип загрязнений и примесей в гелии.

Многообразие вариантов компоновки HRRS-систем видно из нижеприведенных примеров. Однако общим и обязательным элементом всех систем, их «сердцем», является дожимной гелиевый компрессор. В больших HRRS-системах, как правило, устанавливают два компрессора параллельно, причем компрессоры работают попеременно. Такой подход дает возможность увеличить интервалы межсервисного обслуживания компрессоров. Кроме того, это позволяет защитить компрессоры от чрезмерно частых включений-отключений, направляя поток гелия в каждый из компрессоров поочередно.

Термообработка металлов

HRRS-cистемы восстановления и рециркуляции гелия широко применяются в металлургии при термообработке и закалке металлов. Это экономически эффективно вследствие непрерывности технологического процесса и использования больших объемов охлаждающего газа – гелия.

Закалка металлов происходит в вакуумных печах с охлаждением закаливаемых изделий в потоке инертного газа, такого как аргон, азот или гелий. Именно охлаждение газом значительно увеличивает скорость процессов, улучшает свойства металлов и сокращает затраты.

Коэффициент теплопроводности гелия на 60% выше, чем у азота при том же давлении. Также плотность гелия ниже, чем у азота или аргона, что позволяет гелию легче циркулировать в печи. Вентиляторы, обеспечивающие циркуляцию гелия, потребляют меньше электроэнергии, что дает возможность увеличить скорость потока гелия или поднять его давление, то есть значительно ускорить процесс охлаждения металлов в печи. Низкая теплопроводность аргона и азота может потребовать дорогостоящей модификации вакуумных печей, более высоких избыточных давлений газа и увеличенной скорости газового потока, чтобы достичь тех же скоростей охлаждения, что при использовании гелия.

Закалка металлов с охлаждением именно в потоке гелия имеет и дополнительные преимущества:

• гелий, как и аргон, является инертным газом и не вступает в химическое взаимодействие с материалом, подвергаемым термообработке в печи. Азот также в большинстве случаев можно считать инертным газом, однако в некоторых металлах при их взаимодействии с азотом могут формироваться нежелательные нитриды;
• закалка металлов в потоке гелия не требует последующей очистки изделий, в отличие от закалки в масле;
• закалка в гелии открывает новые перспективы для процессов термообработки, где общеупотребительные аргон и азот неэффективны. Например, гелиевое охлаждение существенно ускоряет процесс закалки толстостенных и тугоплавких изделий.

Практика показывает, что накладные расходы на приобретение товарного гелия снижаются на 1/3 при использовании в термообработке металлов системы многократной рециркуляции гелия. Срок окупаемости затрат на HRRS-систему, в зависимости от особенностей производства, может быть порядка 6 месяцев.

На рисунке схематически изображена типовая HRRS-система циркуляции гелия при закалке металлов в вакуумных печах. Газодувка низкого давления (blower) быстро удаляет отработанный газ из печи и доставляет его в накопительный баллон низкого давления. Газодувка является очень важным компонентом всей системы, поскольку гелий из печи необходимо удалить максимально быстро, чтобы сократить время вынужденного простоя.

Компрессор высокого давления перекачивает гелий в блок очистки, затем восстановленный гелий проверяется в газоанализаторе на отсутствие в нем нежелательных примесей. Тщательно анализируются следы кислорода, а также точка росы.

Наконец, очищенный газ поступает в газохранилище высокого давления и из него – на повторное использование в вакуумной печи.

Гелиевые течеискатели

Гелиевые течеискатели сегодня признаны одним из самых применяемых средств неразрушающего контроля. Биотехнологические компании применяют гелиевые течеискатели для тестирования вживляемых медицинских устройств, таких как кардиостимуляторы, чтобы убедиться в том, что внешний защитный корпус этих приборов герметичен, то есть не пропускает внутрь физиологические жидкости, и гарантирует от протечек наружу электролита от электробатареек. Производители автомобилей используют гелиевые детекторы протечек при тестировании таких узлов и систем как пускатели подушек безопасности, радиаторы, кондиционеры. Производители полупроводников широко используют детекторы протечек при тестировании своего промышленного оборудования.

Для компаний, выполняющих гелиевые тесты изделий на герметичность, одним из путей снижения расходов на приобретение гелия и сохранить существующий гелий, является его сбор и повторное использование для тестирования новых партий своих изделий. HRRS-системы позволяют возвратить в производство до 98% гелия и в разы сократить расходы на эксплуатацию гелиевых течеискателей.

Упрощенная HRRS-cистема

Многие изделия, такие как, например, радиатор или змеевик конденсатора, или компрессор холодильной установки или кондиционера подвергаются проверке на герметичность. Изделие заполняют гелием определенной концентрации и под определенным давлением и закупоривают. После этого испытуемое изделие помещают в вакуумную камеру, которая оснащена масс-спектрометром для фиксации утечек гелия из изделия. После завершения теста изделие раскупоривают, позволяя гелию высвободиться в помещение, а оттуда через вентиляцию – в атмосферу. Тем не менее, благодаря применению HRRS-систем сбора и повторного применения, этот гелий может быть возвращен в процесс испытаний при помощи восстановительной магистрали, соединенной с гелиевым компрессором, который под высоким давлением нагнетает гелий в хранилище, откуда газ снова подается на тестирование очередного изделия.

Теоретически такой процесс повторного использования гелия можно проводить бесконечное число раз. Однако в реальной практике такой подход имеет ряд слабых мест. Например, если перед заполнением изделия гелием из изделия не был откачан воздух, происходит смешивание гелия с воздухом, и эта смесь затем попадает в HRRS-систему и на повторное использование. Постепенно, от испытания к испытанию, концентрация гелия в смеси снижается до критически низких значений. Кроме того, дожимающий компрессор неизбежно оставляет небольшую часть гелия в изделии после завершения испытаний, не имея возможности вернуть ее на сжатие. Две эти причины могут быть ответственны за потери гелия и необходимость периодической дозаправки HRRS-системы свежим гелием.

Упрощенная HRRS - c истема	Усовершенствованная HRRS -система

Усовершенствованная HRRS-система

В конструкции усовершенствованной системы восстановления гелия, во-первых, предусмотрен насос для предварительной откачки воздуха из тестируемого изделия перед его заполнением гелием, что позволяет сохранить концентрацию гелия и соответственно увеличить количество циклов его использования. По завершении тестирования изделия в вакуумной камере, гелий, находящийся внутри него под избыточным давлением, самотеком поступает в накопительный баллон низкого давления. Оставшийся в изделии гелий перекачивают в баллон с помощью двухступенчатого центробежного лопастного насоса. Собранный в баллоне низкого давления гелий при помощи безмасляного поршневого или мембранного компрессора нагнетается в накопительные баллоны высокого давления, чтобы затем быть использованным повторно при тестировании следующего изделия.

Экономический эффект

Решение о приобретении HRRS-систем должно быть обусловлено финансовой целесообразностью. Примерный расчет показывает экономический эффект от использования системы восстановления и повторного использования гелия на предприятии, массово выпускающем бытовые кондиционеры.

• Внутренний объем змеевика одного кондиционера: 2 литра.
• Скорость производства: 500 шт./час.
• Давление гелия при тестировании змеевиков на герметичность: 10 бар.

Таким образом, расход гелия на тестирование кондиционеров составляет 10 м3/час.

При двухсменном графике работы (16 часов в день) ежесуточное потребление гелия составит 160 м3, что при закупочной стоимости около 100 руб./м3 приводит к затратам на товарный гелий в размере 16 тыс. рублей в день.

При отказе предприятия откажется от закупок товарного гелия и переходе на технологическую схему многократного использования гелия, затраты на приобретение HRRS-системы окупятся менее чем за два года.

Магнитоэнцелография

В научных центрах Магнитоэнцефалографии (МЭГ) выполняются исследования человеческого мозга и основных психических нарушений, таких как шизофрения, биполярное расстройство и аутизм. Для измерения и визуализации магнитных полей, возникающих вследствие электрической активности мозга, используется МЭГ-система на основе сверхпроводникового квантового интерферометра, или СКВИД-датчика, установленного в изолированном помещении с экранированием от внешних магнитных полей.

При среднесуточном потреблении 10 литров жидкого гелия, годовые затраты на покупку гелия составляют весьма значительную сумму, а задержки доставки гелия нарушают непрерывную работу системы.

Указанные проблемы можно решить, если применить HRRS-систему прямого восстановления и ожижения гелия. Газообразный гелий, испарившийся в МЭГ-системе, по медному газопроводу направляется прямо в ожижитель со встроенным гелиевым компрессором; таким образом практически 100% газообразного гелия вновь переводится в жидкое состояние и может быть повторно использовано в охлаждении СКВИД-датчика.

Низкотемпературные научные исследования

В университете города Сарагоса (Испания) уже 35 лет активно проводятся научные исследования в области физики низких температур. В лабораторных экспериментах в качестве хладагента используется жидкий гелий, в среднем 100 литров за неделю. Установленная в университете HRRS-система позволяет восстановить до 95% испаряющегося жидкого гелия.

Газообразный гелий с давлением 1 бар (абс) поступает из экспериментальной установки в дожимающий компрессор, сжимается до 5 бар и через модуль очистки (удаление кислорода до 0,5 ppm) подается в ожижитель.