В наших предыдущих блогах о водороде мы неоднократно упоминали о разнице между газообразным и жидким водородом. После производства в газообразной форме водород часто хранится или транспортируется в жидкой форме, после чего он может быть или не быть повторно газифицирован для использования.
Этот блог посвящен устройству сжижителя, который преобразует газообразный водород в жидкий. Мы обсудим, для чего используется сжижитель, и рассмотрим три различных метода, позволяющих охладить водород до состояния, когда он становится жидким.
Что такое сжижитель для водорода?
Сжижитель — это устройство, которое можно использовать для сжижения газообразного водорода. Водород становится жидким, когда достигает чрезвычайно низкой температуры -252,9 по Цельсию при атмосферном давлении; сжижатель — это система охлаждения, способная достичь этой температуры при соответствующих условиях.
Достичь криогенных температур не так просто. Тем не менее, ведутся активные исследования лучших методов экстремального охлаждения, и уже имеется несколько хорошо работающих сжижителей. Примерами являются импульсная трубка, криогенератор Стирлинга, охладитель Джоуля-Томсона и криоохладитель Гиффорда-МакМагона (GM).
Выделяют три типа сжижающих аппаратов
Три известных сжижителя, которые успешно используются для сжижения водорода — это криокулер GM, криогенератор Стирлинга и сжижижитель (Джоуля-Томсона), который сжижает водород, используя среду, которая еще холоднее, чем требуемые -252,9 по Цельсию.
Криокулер GM
Первым сжижителем, в котором удалось достичь экстремально низких температур с помощью хитроумных методов, является криокулер Гиффорда-МакМахона (GM). Охладитель GM — это эффективная система охлаждения, использующая так называемый цикл охлаждения. Проводя газообразный водород мимо самой холодной части криокулера, он становится достаточно холодным, чтобы перейти в жидкую форму.
Как это работает? В криокулере GM используется рабочая среда, в данном случае гелий. Работа и цикл охлаждения системы объясняется с помощью схематического изображения. Цикл включает в себя четыре фазы:
- На первом этапе сторона высокого давления компрессора соединяется через поворотный клапан с «холодной головкой», которая содержит вытеснитель, регенератор и теплообменники. Холодный теплообменник контактирует с водородом, который конденсируется. Вытеснитель перемещается в крайнее левое положение, перемещая горячий гелий из горячей камеры через регенератор в холодную камеру. По пути гелий временно отдает тепло регенератору и достигает холодной камеры с температурой Te.
- Затем, во время второй фазы, размер холодной камеры максимально увеличивается, и холодная головка соединяется со стороной низкого давления компрессора через поворотный клапан. Часть гелия стекает обратно на горячую сторону холодной головки. Гелий расширяется изотермически, отбирая тепло у водорода через теплообменник в холодной камере.
- Во время третьей фазы вытеснитель перемещается в крайнее правое положение, и холодный газ проходит через регенератор, где он повторно нагревается, в теплую камеру.
- Наконец, на четвертом этапе горячая камера соединяется со стороной высокого давления компрессора через поворотный клапан. Тепло, выделяемое при изотермическом сжатии, рассеивается через теплообменник на горячей стороне холодной головки, после чего цикл повторяется.
Криокулер GM был разработан еще в 1963 году компанией Gifford-McMahon и с тех пор используется в различных конфигурациях, в основном для небольших систем, таких как аппараты МРТ, крионасосы и сжижение газов, таких как водород.
Схематическое изображение работы криокулера GM.
Источник: Википедия
Криогенератор Стирлинга
Вторым ожижителем, который очень подходит для сжижения водорода, является криогенератор Стирлинга. Этот охладитель также достигает достаточно низких температур, которые при прохождении через него превращают газообразный водород в жидкую форму.
Криогенератор Стирлинга основан на очень старом методе под названием «цикл Стирлинга», который был разработан еще в 1816 году Робертом Стирлингом. Подобно криокулеру GM, криогенератор может охлаждать практически любой газ или жидкость до чрезвычайно низких температур (ниже -253 по Цельсию).
Как это работает. Криогенератор представляет собой закрытую систему, в которой используется газообразный гелий для охлаждения другой среды или вещества, например, водорода. Охлаждение достигается путем попеременного сжатия и расширения газообразного гелия. Сжатие происходит при комнатной температуре для обеспечения отвода тепла, а расширение происходит при требуемой низкой температуре (и обеспечивает ее).
Газ проходит через систему с помощью вытеснителя, минуя различные теплообменники и регенератор. Эта умная система может эффективно достигать экстремального холода без выделения токсичных газов, что делает этот метод очень экологичным.
Как и криокулер Гиффорда-МакМахона (GM), криогенератор Стирлинга в основном используется для небольших систем. Для крупномасштабных систем чаще всего используются системы Джоуля-Томсона, о которых мы расскажем в следующем разделе этого блога.
https://www.youtube.com/watch?v=GqIapDKtvzc&t=438s
Устаревшее, но увлекательное видео от Philips Cryogenics о разработке и технологии криогенератора.
Вы хотите узнать больше о том, как работают криогенератор Стирлинга и криокулер Гейгера-Мюллера? В этой статье, опубликованной в журнале Cold Facts, подробно описаны сходства и различия между этими двумя методами.
Сжижение с использованием еще более холодного материала
Наконец, водород можно сжижать, охлаждая его еще более холодным материалом, чем жидкий водород: жидким гелием. Температура жидкого гелия составляет не менее -269 градусов Цельсия (при атмосферном давлении), поэтому он значительно холоднее жидкого водорода, температура которого составляет -252,9 градусов Цельсия. В системах этого типа гелий сжижается по методу Джоуля-Томсона.
Отличным примером проекта, в котором был применен этот метод, является исследование European Spallation Source (ESS). Несколько лет назад ИСС исследовала наилучшую конструкцию установки для сжижения водорода с использованием жидкого гелия в качестве теплоносителя. Жидкий водород в конечном итоге будет использоваться в качестве охлаждающей жидкости во время экспериментов по разгону.
Как работает этот разжижитель? Конструкция ESS состоит из двух отдельных частей, одна для жидкого гелия, другая для водорода. Охладитель гелия связан относительно длинными линиями передачи с системой расширения турбины, соединенной с холодильной камерой для водорода. Затем он крепится к пробке модераторного отражателя, также с необходимыми линиями передачи.
Предлагаемая схема циркуляции криогенного водорода и гелиевого охладителя в рамках проекта ESS.
Источник: Physics Procedia (2015)
Гелий пропускается через контур и проходит соответствующую обработку, чтобы достичь нужной температуры для охлаждения водорода. Газ проходит через различные теплообменники, нагревается и охлаждается под необходимым давлением для достижения и поддержания требуемой температуры.
Из-за мер радиационной безопасности, задействованных в этом проекте, расположение и расстояния между гелиевым охладителем и системой расширения турбины под водородным холодильником довольно большие. Компоненты системы соединены длинными линиями передачи; вот почему
Здесь важную роль играет опыт компании Demaco.
Компания Demaco является экспертом в проектировании и производстве линий передачи криогенных жидкостей и поэтому оказалась идеальным партнером для участия в этом проекте. В таких проектах, как проект ESS, мы проводим мозговой штурм с нашими клиентами по сложным вопросам, включая вопросы, связанные со сжижением водорода. Ни одна задача не является для нас слишком сложной, и мы гордимся своим опытом в реализации различных водородных проектов.
Вы хотели бы узнать больше о проекте ESS? В статье в журнале Physics Procedia Клаус и его коллеги подробно рассказывают об усовершенствованном сжижающем устройстве.
Хочешь узнать больше?
У вас есть вопросы о нашей работе? Не стесняйтесь обращаться к нам или ознакомьтесь с нашей продукцией и проектами для получения дополнительной информации.
Вы хотите узнать больше о нашей работе с жидким водородом? Тогда загляните на эту страницу или в наши недавние блоги, посвященные трубопроводам для отходящего газа и водорода. В этих статьях вы можете прочитать все о характеристиках жидкого водорода и участии компании Demaco в разработке лучших криогенных инфраструктур.