Как работает криогенный вакуумный насос
Криогенные вакуумные насосы используют для высокоскоростной безмасляной откачки. В отличие от маслодиффузионных насосов, в рабочую вакуумную камеру не поступает обратный поток масляных паров, что особенно важно для технологических и испытательных процессов, чувствительных к загрязнению.
В типовой двухступенчатой системе первая ступень гелиевого рефрижератора работает при температуре порядка 65–80 К. На этом уровне эффективно вымораживаются пары воды и одновременно снижается тепловая нагрузка на более холодную вторую ступень.
Вторая ступень охлаждается до 12–15 К. Здесь происходит криоконденсация газов, способных конденсироваться при таких температурах, а трудно конденсируемые компоненты удаляются с помощью криоадсорбции.
Почему при увеличении размера меняется архитектура системы
Для крупногабаритных вакуумных камер применяются крионасосы существенно большей производительности. В рассматриваемой публикации описаны системы с входными диаметрами ДУ900–ДУ1300, рассчитанные на работу с вакуумными камерами диаметром от нескольких метров.
Простое масштабирование стандартного крионасоса за счёт установки большого числа одинаковых гелиевых рефрижераторов увеличивает количество холодильных машин и, соответственно, число узлов, требующих регламентного обслуживания. Поэтому для крупных систем используют другие способы организации первой ступени охлаждения.
Два подхода к охлаждению крупных крионасосов
Несколько гелиевых рефрижераторов
Первая схема предполагает увеличение числа двухступенчатых гелиевых рефрижераторов. Решение технологически понятно, однако с ростом количества холодильных машин возрастает влияние сервисных и регламентных работ на доступность всей вакуумной системы.
Заливной азотный экран
Вторая схема использует жидкий азот для охлаждения первой ступени. Азотный экран вымораживает водяной пар и одновременно снижает тепловую нагрузку на вторую ступень. Подход удобен на объектах, где уже предусмотрены хранение и распределение жидкого азота.
Схема с каскадной холодильной машиной Polycold
В рассматриваемом решении Dynavac, разработанном совместно с CTI Cryogenics подразделения Brooks Automation, заливной контур жидкого азота заменён каскадной холодильной машиной Polycold Systems.
Установки Polycold были разработаны для интенсивной откачки паров воды из вакуумных камер. Рабочая температура испарителей находится в диапазоне порядка 130–150 К — этого достаточно для эффективного вымораживания водяного пара на первой ступени.
Для модели PFC-1102 в публикации указана производительность по парам воды 200 000 л/с. Холодильная установка работает по каскадному циклу и использует смазываемый компрессор. Авторы отдельно отмечают длительный ресурс эксплуатации таких машин и приводят данные о межремонтном периоде более 10 лет.
Используется один гелиевый криорефрижератор и половина холодильной производительности установки PFC-1102.
В системе такой производительности применяются два гелиевых криорефрижератора и половина производительности PFC-1102.
Независимое управление испарителями позволяет одной холодильной установке обслуживать два крупных крионасоса ДУ900 или ДУ1300.
Регенерация и управление
Для крупного крионасоса важна не только номинальная скорость откачки, но и время восстановления после насыщения криоповерхностей. В описанной системе используется отогрев горячим газом.
По данным авторов, такая система позволяет нагреть холодильную установку до комнатной температуры за 5–6 минут и сократить общее время регенерации крионасоса.
Управление группой крионасосов выполняется автоматикой Dynavac с передачей сигналов на центральный пульт вакуумной системы. При необходимости включение и выключение оборудования возможно и в ручном режиме.
Преимущества и ограничения такой схемы
Что даёт схема с Polycold
- Первая ступень не требует постоянной подачи жидкого азота.
- Снижается необходимость масштабировать систему только за счёт увеличения числа гелиевых рефрижераторов.
- Отдельный горячегазовый контур ускоряет отогрев и регенерацию.
- Два независимых контура испарителей позволяют работать с несколькими крупными крионасосами.
Что необходимо учитывать
- Polycold остаётся самостоятельной холодильной установкой со своим компрессором и требованиями к обслуживанию.
- Для небольших крионасосов усложнение схемы может быть неоправданным: до входного диаметра порядка 500 мм достаточно одного двухступенчатого рефрижератора.
- При проектировании необходимо учитывать не только скорость откачки, но и тепловую нагрузку, режим регенерации и доступную инженерную инфраструктуру.
Практический вывод
Для крионасосов большой производительности основной инженерный вопрос заключается не только в увеличении площади криоповерхности. С ростом размера системы меняется сама архитектура охлаждения, требования к регенерации и количество обслуживаемых холодильных машин.
По оценке авторов исходной публикации, использование Polycold для первой ступени позволяет повысить эксплуатационную доступность крупных систем и снизить зависимость от заливного жидкого азота. Дополнительный эффект даёт применение гелиевого компрессора CTI 9700 повышенной производительности, способного одновременно обслуживать два гелиевых криорефрижератора.
Криогенные вакуумные насосы Перейти к оборудованию и решениям для высоковакуумных системЛитература
- Нестеров С. Б., Подчерняев О. Н., Юдин Б. В. и др. Высоковакуумные промышленные крионасосы // Материалы 6-й международной конференции «Вакуумные технологии и оборудование», Харьков, Украина, сентябрь 2003, с. 231–237.
Нужен подбор криогенной вакуумной системы?
Укажите объём камеры, требуемое давление и скорость откачки, рабочие газы, предполагаемую газовую нагрузку, ограничения по регенерации и доступную инженерную инфраструктуру. Инженеры ГК «Криосистемы» помогут определить подходящую конфигурацию.
