بقلم المهندس والباحث الجامعي عامر الدرابسه 

يتم إجراء اختبارات تكنولوجيا الطيران والصواريخ الفضائية لزيادة الموثوقية. عند اختبار صمامات محرك الصواريخ ، يتم استخدام الهيليوم. حاليًا ، تتكون عملية الاختبار من حقيقة أن الهيليوم يبرد إلى درجة حرارة النيتروجين السائل من الوعاء يدخل إلى صمام الاختبار ، وبعد ذلك يتم إطلاقه في الغلاف الجوي من خلال خط الأنابيب. ولكن نظرًا لتكلفتها المرتفعة ، فهذا غير عملي. مع التركيب ، بعد الاختبار ، لن يتم تفريغ الهيليوم ، ولكنه سيدخل وعاء لجمع الهيليوم وسيتم استخدامه في المستقبل.

 تصميم جهاز تجميع غاز الهيليوم لاختبار الصمامات لتوفير غاز الهيليوم. إذن ما هو الهيليوم؟ الهليوم هو أحد العناصر الأكثر شيوعًا في الكون ، ويحتل المرتبة الثانية بعد الهيدروجين. ومع ذلك ، فمن الصعب للغاية تعدينه على الأرض. لوحظ أعلى تركيز من الهيليوم في المعادن التي تحتوي على اليورانيوم ، ثوريوم ساماريوم. عادة ما تحتوي الغازات الطبيعية الهليوية على ما يصل إلى 2٪ من الهيليوم من حيث الحجم. تراكم الغازات نادر للغاية ، حيث يصل محتوى الهيليوم إلى 8-16 ٪. يتم استخلاص الهليوم من الغاز الطبيعي من خلال عملية الفصل في درجات الحرارة المنخفضة - ما يسمى بالتقطير الجزئي. في روسيا ، يتم الحصول على غاز الهليوم من الغازات الطبيعية والبترولية.

في الوقت الحاضر ، يتم استخراج الهيليوم في مصنع غاز الهيليوم لشركة غازبروم دوبيشا أوليانوفسك LLC من غاز يحتوي على نسبة منخفضة من الهيليوم (تصل إلى 0.055٪.) ، وبالتالي فإن الهيليوم الروسي له تكلفة عالية. المشكلة الملحة هي تطوير ومعالجة متكاملة للغازات الطبيعية من الرواسب الكبيرة في سيبيريا الشرقية ذات المحتوى العالي من الهليوم (0.15-1 ٪ حجم) ، مما سيقلل من تكلفته بشكل كبير.

حاليًا ، تتكون عملية الاختبار من حقيقة أن الهيليوم يبرد إلى درجة حرارة النيتروجين السائل من الوعاء يدخل إلى صمام الاختبار ، وبعد ذلك يتم إطلاقه في الغلاف الجوي من خلال خط الأنابيب. ولكن نظرًا لتكلفتها المرتفعة - فهذا غير عملي. مع التركيب ، بعد الاختبار ، لن يتم تفريغ الهيليوم ، ولكنه سيدخل وعاء لجمع الهيليوم وسيتم استخدامه في المستقبل.

في التركيب المقترح ، يدخل الهيليوم من منحدر الهيليوم عن طريق ضاغط إلى الوعاء رقم 1 لتخزين الهيليوم ، ثم إلى الحاوية (الوعاء رقم 2) ، حيث يتم تبريد الهيليوم بالنيتروجين السائل ، وبعد ذلك يدخل عنصر الاختبار (الصمام). علاوة على ذلك ، لا يتم إطلاق الهيليوم في الغلاف الجوي ، ولكنه يمر عبر مبادل حراري مصمم لتسخين الهيليوم الذي يتم تصريفه من صمام الاختبار من -180 ..- 190 درجة مئوية إلى -40 درجة مئوية بالماء الساخن. يتم توفير الماء الساخن ، درجة الحرارة +60 .. + 80 درجة مئوية إلى المبادل الحراري من سخان مياه كهربائي. بعد ذلك ، يتم جمع الهيليوم في وعاء معدني يعمل تحت ضغط يصل إلى 12 كيلوجرام / سم 2 ، يليه توريد الهيليوم المجمع إلى مدخل إعداد الاختبار.

لضخ الهليوم من الوعاء إلى النظام الحالي ، الضاغط رقم 2 مخصص للاختبارات اللاحقة. تم تصميم مضخة التفريغ لإخلاء الوعاء مسبقًا لجمع الهيليوم أثناء الملء الأولي لضمان درجة نقاء عالية للهيليوم الذي تم جمعه. يتم تغذية المبادلات الحرارية رقم 2 ورقم 3 بالماء البارد ، مما يوفر درجات حرارة الهيليوم التي تدخل إلى الضواغط في النطاق 0 .. + 30 درجة مئوية مقبولة لتشغيلها

تحتوي الورقة على جميع الحسابات اللازمة. يتم حساب كتلة الهيليوم التي سيتم جمعها لدورة اختبار واحدة ، ويتم حساب سعة الوعاء لجمع الهيليوم ، وتدفق الماء من خلال المبادل الحراري ، والحرارة التي يتم نقلها إلى جرعة الهيليوم ، وما إلى ذلك.

يتم حساب كتلة الهيليوم التي سيتم جمعها لدورة اختبار واحدة باستخدام معادلة الغاز الحقيقي فان دير والز. يتم حساب القدرة على جمع الهليوم وفقًا لصيغة مندليف كلابيرون الأبسط ، لأن عند ضغوط منخفضة ودرجات حرارة موجبة ، لا يتجاوز التباين بين نتائج الحساب وصيغة فان دير فال 5٪. سيجمع نظام جمع الهيليوم 80٪ على الأقل من الهيليوم. نظرًا للتكلفة المرتفعة إلى حد ما للتركيب المقترح ، ستعتمد كفاءته الاقتصادية على عدد الاختبارات.