Промышленная криогенная техника все чаще использует диоксид углерода в качестве рабочего тела. Однако новый хладагент тредъявляет высокие требования к насосам и агрегатам, посколько в установках используются высокие давления, а жидкий газ имеет ряд особенностей.
Скриншот: hermetic-pumpen.com Насосы серии CNF используются для перекачки жидких газов, кипящих сред и конденсатов
Елена Иванова
Применение спирально-герметичных насосов в системах с жидким CO₂ (LCO₂) для криогенных и исследовательских установок
В условиях усиления требований к энергоэффективности и снижению выбросов парниковых газов промышленная криогенная техника всё чаще опирается на использование диоксида углерода в качестве рабочего тела. Особенно активно CO₂ применяется в виде жидкой фазы (LCO₂) в современных холодильных установках, исследовательских стендах и системах термического аккумулирования энергии. Наряду с экологическими преимуществами хладагент предъявляет крайне высокие требования к насосному оборудованию из-за высоких рабочих давлений, низкой вязкости и близости к критической точке.
В исследовательских и пилотных установках, в частности в проектах по изучению фазопереходных систем хранения тепловой энергии (phase change materials, PCM), CO₂ используется в широком диапазоне температур, доходящем до -50 градусов Цельсия, при давлениях, достигающих порядка 50 бар. Для таких условий нужны насосы, сохраняющие абсолютную герметичность и высокую надёжность.
Немецкая компания Hermetic стала поставщиком оборудования для норвежских исследовательских центров, которые изучают проблемы термического аккумулирования холода в промышленных системах, использующих СО2. В рамках этого проекта использовались герметические насосы с экранированным двигателем, специально адаптированные для работы с CO₂ под высоким давлением. Насос обеспечивал циркуляцию хладагента в условиях переменной нагрузки, демонстрируя стабильную работу без утечек и с высокой надёжностью в течение всего периода испытаний.
Особое значение в подобных установках имеет конструкция насосов без традиционных динамических уплотнений. Отсутствие механических уплотнений и применение гидродинамических подшипников позволяют исключить износ в зоне вращения и обеспечить длительный ресурс эксплуатации даже при частых пусках и остановках. Кроме того, полностью герметичная конструкция минимизирует риск утечки CO₂, что критически важно как с точки зрения безопасности, так и с точки зрения сохранения стабильности термодинамического цикла.
Скриншот: Hermetic-pumpen.de Насос серии CNF
LCO₂ создает сложные условия для оборудования и агрегатов
CO₂ как рабочая среда обладает высокой теплопередающей способностью и низкой вязкостью, что делает его привлекательным для применения в холодильных системах супермаркетов, промышленных холодильных установках и технологиях улавливания и хранения углерода (CCS). Однако эксплуатация вблизи критической точки требует насосного оборудования, способного выдерживать значительные перепады давления и обеспечивать стабильный поток в условиях фазовых переходов.
CO₂ как рабочее тело сочетает в себе ряд преимуществ: высокий коэффициент теплопередачи, низкую вязкость и минимальное воздействие на окружающую среду. Вместе с тем именно эти свойства создают сложные условия для гидравлического оборудования. Работа при давлениях до 50 бар и температурах вплоть до −50 °C требует точного соблюдения параметров, поскольку даже незначительные отклонения могут привести к фазовым переходам и нарушению стабильности потока. В таких условиях особое значение приобретает конструкция насосов и их способность работать в широком диапазоне нагрузок без потери надёжности.
Практический опыт применения герметичных насосов в LCO₂-системах демонстрирует эффективность решений, основанных на принципе полного герметичного исполнения. В пилотных установках, разработанных для исследования систем термического аккумулирования холода, насосное оборудование должно обеспечивать стабильную циркуляцию CO₂ при переменных режимах работы. Эксплуатация в таких условиях выявляет ключевую проблему традиционных насосов — наличие динамических уплотнений, подверженных износу и потенциальным утечкам.
Экспериментальные проекты в области аккумулирования энергии на основе фазопереходных материалов показывают, что стабильная циркуляция LCO₂ является одним из ключевых факторов эффективности всей системы. Насосы должны не только обеспечивать заданный расход, но и сохранять устойчивость гидравлического режима при изменении температуры и давления. В этих условиях герметичные конструкции демонстрируют высокую устойчивость к кавитационным явлениям и динамическим колебаниям параметров.
Переход к герметичным решениям является не просто технологическим трендом, а необходимым условием для развития криогенных и холодильных технологий нового поколения. В условиях роста давления на экологические показатели и повышения требований к безопасности именно такие решения формируют основу для дальнейшего развития отрасли, включая применение CO₂ в энергетике, промышленности и инфраструктурных проектах.
Скриншот: Hermetic-pumpen.de Типы насосов для холодильных установок
Как герметичные насосы используются в промышленных холодильных и морозильных складах
В условиях глобализации наблюдается устойчивый рост спроса на промышленные холодильные склады и центры глубокой заморозки. Это связано с необходимостью хранения как продуктов питания, так и фармацевтической продукции, требующих строгого температурного режима и высокой надёжности систем охлаждения.
Температурные условия в таких объектах варьируются от глубокой заморозки порядка −25 °C до зон хранения свежей продукции с температурами до +15 °C. В холодильных камерах хранятся как сырьевые продукты (мясо, рыба), так и готовая продукция — мороженое, хлебобулочные изделия, кондитерские товары и даже цветы.
Эксплуатация подобных объектов связана с повышенными требованиями к безопасности и надёжности. В связи с этим в крупных холодильных установках широко применяются герметичные системы циркуляции хладагентов, в частности насосы с герметичным исполнением.
Хладагенты и особенности применения
В качестве основного хладагента в промышленных холодильных установках традиционно используется аммиак, обладающий высокой удельной теплотой испарения, экологической безопасностью и длительной историей применения.
В последние годы всё более распространёнными становятся каскадные системы, в которых аммиак используется совместно с CO₂. Такая комбинация позволяет повысить эффективность установки и уменьшить габариты оборудования.
CO₂, в свою очередь, характеризуется высоким коэффициентом теплопередачи, низкой вязкостью и экологической безопасностью, что делает его перспективным рабочим телом для современных холодильных систем.
В одном из проектов — морозильном центре на севере Германии — используется аммиачная каскадная установка с двумя холодильными контурами. Объект включает 25 холодильных камер, две установки шоковой заморозки и помещение для размораживания продукции.
Рабочие температуры в системе составляют −40 °C и −10 °C, при этом аммиак используется в качестве теплоносителя в обоих контурах. Главное требование заказчика заключалось в том, чтобы агрегаты работали надежно, а интервал между сервисами был длительным.
Поставщик агрегатов предложил три герметичных насоса серии САМ. Два из них работают параллельно, обеспечивая рабочий режим, а третий используется как резервный для аварийных ситуаций.
Многоступенчатая конструкция насосов позволяет достигать высоких напоров, а использование частотного регулирования обеспечивает гибкую настройку рабочих параметров в зависимости от загрузки холодильных камер.
Очень тяжелая промышленность: какие компании выпускают герметичные насосы в России
В России ряд компаний выпускают герметичные насосы. Это и «Завод герметичных насосов», ООО «Герметичные насосы», АО ЦКБМ, ОКТБ «Кристалл», НПТ НТЭ и другие.
Большинство российских агрегатов разработаны для тяжелой промышленности для нефтегаза и нефтехимии, атомной промышленности, перекачки сжиженных газов и агрессивных жидкостей.
На российском рынке также широко представлены герметичные насосы с магнитной муфтой, которые решают похожую задачу герметичности, но имеют другую конструкцию привода.