6.3. Криосорбционные насосы

При использовании вакуумированных видов изоляций длительное поддержание необходимого вакуума является обязательным условием обеспечения работоспособности конструкции. После первоначального вакуумирования изоляционной полости криогенных резервуаров до давления 10…1.0 Па в порошково-вакуумной изоляции вакуум поддерживается за счет сорбционных свойств порошков; в слоисто-вакуумной изоляции необходимо поддерживать более низкое давление — на уровне 10^-2...10^-3 Па, и с этой целью используются криосорбционные устройства.

Н аличие низких температур, при которых процесс физической адсорбции идет достаточно интенсивно, позволяет получать и долгое время поддерживать необходимое рабочее давление; кроме того, адсорбционные устройства можно длительно эксплуатировать без участия обслуживающего персонала.

В качестве адсорбентов применяются активированные угли, цеолиты и силикагели. Каждый класс этих материалов имеет свои преимущества и недостатки. Активированные угли имеют высокую поглотительную способность по О₂ и N₂ и низкую температуру регенерации t_p = 100°С, однако обладают малым насыпным весом и при контакте с кислородом взрывоопасны.

Синтетические цеолиты имеют высокую поглотительную способность по N₂ и О₂, невзрывоопасны, однако. имеют высокую температуру регенерации t_p = 300 - 350°С; кроме того, обладают способностью интенсивного поглощения влаги, которая, блокируя входы в поры, приводит к снижению адсорбционной емкости по другим газам на два порядка и более.

Силикагели обладают высокой емкостью по водороду, поддаются эффективной регенерации при температуре t_р = 100°С, не образуют взрывоопасных смесей, имеют высокую механическую прочность, однако, обладают относительно малой емкостью по N₂ и О₂.

Для криосорбционных насосов, используемых в вакуумной технике, а также для обеспечения вакуума в изоляционных полостях криогенного оборудования разработаны два типа цеолитовых адсорбентов: СаЕН-4В и СаА-4В. Наибольшее применение в резервуарах и трубопроводах нашел цеолит СаЕН-4В, имеющий температуру регенерации t_p = 200°С. Поскольку поглотительная способность адсорбентов (их емкость) в сильной степени увеличивается с понижением температуры, конструкция криосорбционных насосов осуществляется таким образом, чтобы обеспечить эффективное охлаждение адсорбента при сохранении достаточно свободного доступа к нему газа.

В целях сокращений габаритов и повышенийя эффективности в конструкциях криосорбционных устройств широкое применение находят высокотеплопроводные пористые металлические материалы, которые используются для образования замкнутых полостей для размещения адсорбентов, позволяя значительно улучшить условия их охлаждения. В пористой оптически непрозрачной структуре происходит эффективное поглощение тепловой энергии независимо от механизма ее переноса - конвекцией или излучением. Пористые материалы изготовляют спеканием порошков металлов (обычно меди).

Криосорбционные устройства для вакуумирования теплозащитных полостей криогенных изделий можно разделить на два класса: встроенные и выносные. Встроенные устройства располагаются непосредственно внутри теплозащитной полости и не имеют собственного кожуха (а). Выносные устройства находятся вне резервуара и имеют собственный теплозащитный кожух (б).

С резервуаром выносные устройства соединены жидкостным и вакуумным трубопроводами для охлаждения адсорбента и сообщения теплозащитной полости резервуара с адсорбентом. Расположенная на трубопроводах арматура позволяет отсекать вакуумную и жидкостную полости устройства от соответствующих полостей резервуара и производить отогрев адсорбционного устройства без отогрева резервуара. Конкретная конструкция устройства определяется составом и величиной газовой нагрузки, температурой криогенного продукта, длительностью и периодичностью заполнений и отогревов резервуаров и т. д.