Гелий, как благородный газ, занимает незаменимое и ключевое положение в промышленном производстве и научных исследованиях. Чтобы понять особые требования к проектированию гелиевых компрессоров, необходимо прежде всего глубоко понять уникальные физические свойства гелия. Гелий относится к семейству инертных газов, находится в 18-й группе второго периода периодической таблицы. Его атомная структура характеризуется полностью заполненными электронными оболочками, что определяет его химическую инертность и характерное физическое поведение.
Гелий — самый трудный для сжижения газ среди всех известных газов, с критической температурой всего -267.96°C и критическим давлением лишь 0.227 МПа. Эта чрезвычайно низкая температура сжижения гарантирует, что гелий остается в газообразном состоянии при сжатии при ambient температурах и не претерпевает фазового перехода. Примечательно, что гелий — единственное вещество, которое не затвердевает при атмосферном давлении, даже когда температура снижается до абсолютного нуля, что обусловлено квантовомеханическими эффектами и существованием энергии нулевых колебаний. Диаметр молекулы гелия составляет всего 0.26 нанометров, что делает его самой маленькой газовой молекулой после водорода. Это свойство приводит к его чрезвычайно высокой проницаемости и сильной тенденции к утечкам. Экспериментальные данные показывают, что в идентичных условиях скорость утечки гелия в 2.7 раза выше, чем у азота, и в 3.1 раза выше, чем у воздуха.
При стандартных условиях плотность гелия составляет 0.1786 кг/м³, что примерно в семь раз меньше плотности воздуха. Эта низкая плотность создает серьезные проблемы для конструкции уплотнений традиционных компрессоров. Одновременно низкая плотность также означает, что при том же объемном расходе массовый расход гелия меньше, что напрямую влияет на расчет мощности компрессора и термодинамическое проектирование. Динамическая вязкость гелия при 20°C составляет 1.87×10⁻⁵ Па·с, что немного ниже, чем у воздуха; это свойство влияет на его сопротивление течению и характеристики теплопередачи в проточных каналах компрессора.
Теплофизические свойства гелия уникальны. Его удельная теплоемкость (γ) достигает 1.66, что выше, чем у большинства обычных газов, а это означает, что он генерирует большее повышение температуры при сжатии. В частности, при адиабатическом сжатии повышение температуры гелия примерно на 18% выше, чем у воздуха. Скорость звука в гелии при 0°C достигает 965 м/с, что примерно в три раза превышает скорость звука в воздухе; эта характеристика накладывает особые требования на проектирование воздушных каналов и анализ вибраций компрессоров. Кроме того, температура инверсии Джоуля-Томсона для гелия составляет approximately -238°C; он проявляет эффект нагрева при сжатии при комнатной температуре, что напрямую влияет на контроль повышения температуры в процессе сжатия. Теплопроводность гелия в стандартных условиях составляет 0.142 Вт/(м·К), что в шесть раз выше, чем у воздуха; хотя это свойство и благоприятствует теплообмену, оно также увеличивает сложность проектирования межступенчатых систем охлаждения.
С точки зрения молекулярно-кинетической теории, средняя длина свободного пробега молекул гелия относительно велика и достигает 0.18 мкм при стандартных условиях. Это приводит к значительным различиям в его характеристиках течения в микроскопических зазорах по сравнению с обычными газами. Когда размер канала потока сравним со средней длиной свободного пробега молекул, гелий проявляет заметный эффект разреженного газа, который необходимо учитывать при проектировании зазоров уплотнений и подшипников. Число Прандтля для гелия составляет approximately 0.68, что указывает на то, что его способность к диффузии импульса превосходит способность к тепловой диффузии; эта характеристика существенно влияет на проектирование теплообменников. В практическом проектировании теплообменников это свойство гелия требует особого внимания, что обуславливает необходимость принятия мер по интенсификации теплопередачи.
Что касается термодинамических свойств, коэффициент сжимаемости гелия близок к 1 при стандартных температуре и давлении, и его можно рассматривать как идеальный газ. Однако при повышении давления, особенно выше 5 МПа, его коэффициент сжимаемости значительно отклоняется от 1, что требует использования уравнений состояния реального газа для расчетов. Вириальные коэффициенты гелия малы, что указывает на слабые межмолекулярные силы; это свойство также влияет на выбор уравнения состояния при высоком давлении.
В практических инженерных приложениях эти свойства гелия накладывают строгие требования на проектирование компрессоров. Чрезвычайно малый молекулярный диаметр требует специальных систем уплотнения, обычно выбирают сухие газовые уплотнения или технологию магнитожидкостных уплотнений. Низкая плотность требует большей работы сжатия, что предъявляет повышенные требования к мощностной конфигурации приводной системы. Высокая теплопроводность, хотя и благоприятствует теплообмену, увеличивает сложность проектирования межступенчатых систем охлаждения. Кроме того, высокая скорость звука требует более тщательного динамического анализа ротора компрессора во избежание явлений акустического резонанса.
Особенно важно отметить, что квантовые эффекты гелия при высоком давлении нельзя игнорировать. Когда температура опускается ниже 10 K, гелий проявляет свойства сверхтекучести; эти квантовые эффекты могут косвенно влиять на проектирование компрессора даже при комнатной температуре и высоком давлении. При проектировании клапанов компрессора и систем уплотнения необходимо учитывать потенциальное влияние этих квантовых эффектов.
Понимание этих уникальных физических свойств гелия является основой для правильного выбора и проектирования гелиевых компрессоров. Только полностью учитывая эти характеристики, можно обеспечить надежную работу и высокую эффективность компрессорной системы в течение длительного срока службы. В практическом инженерном проектировании рекомендуется использовать специализированные базы данных свойств гелия, такие как база данных NIST REFPROP, для получения точных thermophysical параметров и обеспечения надежной поддержки данных для проектирования компрессоров.
