El helio, como gas noble, ocupa una posición crucial e insustituible en la producción industrial y la investigación científica. Para comprender los requisitos de diseño especiales de los compresores de helio, es esencial primero adquirir una comprensión profunda de las propiedades físicas únicas del helio. El helio pertenece a la familia de los gases inertes, ubicado en el Grupo 18 del segundo período en la tabla periódica. Su estructura atómica presenta capas de electrones completamente llenas, una característica que determina su inercia química y su comportamiento físico distintivo.
El helio es el gas más difícil de licuar entre todos los gases conocidos, con una temperatura crítica tan baja como -267.96°C y una presión crítica de solo 0.227 MPa. Esta temperatura de licuefacción extremadamente baja asegura que el helio permanezca en estado gaseoso durante la compresión a temperaturas ambientales y no sufre un cambio de fase. Es notable que el helio es la única sustancia que no se solidifica bajo presión atmosférica incluso cuando la temperatura se reduce al cero absoluto, una característica que se origina por sus efectos de mecánica cuántica y la existencia de energía del punto cero. El diámetro molecular del helio es de apenas 0.26 nanómetros, lo que lo convierte en la molécula de gas más pequeña besides del hidrógeno. Esta propiedad resulta en una permeabilidad extremadamente alta y una fuerte tendencia a fugarse. Los datos experimentales indican que en condiciones idénticas, la tasa de fuga del helio es 2.7 veces la del nitrógeno y 3.1 veces la del aire.
Bajo condiciones estándar, la densidad del helio es de 0.1786 kg/m³, aproximadamente una séptima parte de la densidad del aire. Esta baja densidad plantea severos desafíos para el diseño de sellos de los compresores tradicionales. Concurrentemente, la baja densidad también implica que para la misma tasa de flujo volumétrico, la tasa de flujo másico del helio es menor, lo que impacta directamente el cálculo de potencia del compresor y el diseño termodinámico. La viscosidad dinámica del helio a 20°C es de 1.87×10⁻⁵ Pa·s, ligeramente inferior a la del aire; esta propiedad influye en su resistencia al flujo y las características de transferencia de calor dentro de los pasajes de flujo del compresor.
Las propiedades termofísicas del helio son igualmente únicas. Su relación de calor específico (γ) alcanza 1.66, mayor que la de la mayoría de los gases comunes, lo que significa que genera un mayor aumento de temperatura durante la compresión. Específicamente, durante la compresión adiabática, el aumento de temperatura del helio es aproximadamente un 18% mayor que el del aire. La velocidad del sonido en el helio a 0°C alcanza 965 m/s, aproximadamente tres veces la velocidad del sonido en el aire; esta característica impone requisitos especiales en el diseño de los pasajes de flujo de aire y el análisis de vibraciones de los compresores. Además, la temperatura de inversión de Joule-Thomson del helio es de aproximadamente -238°C; exhibe un efecto de calentamiento cuando se comprime a temperatura ambiente, una propiedad que afecta directamente el control del aumento de temperatura durante el proceso de compresión. La conductividad térmica del helio bajo condiciones estándar es de 0.142 W/(m·K), seis veces la del aire; si bien esta propiedad es ventajosa para el intercambio de calor, también aumenta la complejidad de diseño de los sistemas de enfriamiento entre etapas.
Desde la perspectiva de la teoría cinética, el camino libre medio de las moléculas de helio es relativamente grande, alcanzando 0.18 μm bajo condiciones estándar. Esto conduce a diferencias significativas en sus características de flujo dentro de espacios microscópicos en comparación con los gases convencionales. Cuando el tamaño del canal de flujo es comparable al camino libre medio molecular, el helio exhibe un efecto de gas enrarecido notable, que debe considerarse en el diseño de los espacios de sellado y de los cojinetes. El número de Prandtl del helio es de aproximadamente 0.68, lo que indica que su difusividad de momento supera su difusividad térmica; esta característica impacta significativamente el diseño de los intercambiadores de calor. En el diseño práctico de intercambiadores de calor, esta propiedad del helio requiere una consideración especial, lo que obliga a la adopción de medidas para mejorar la transferencia de calor.
Con respecto a las propiedades termodinámicas, el factor de compresibilidad del helio es cercano a 1 a temperatura y presión estándar, y puede tratarse como un gas ideal. Sin embargo, a medida que la presión aumenta, particularmente más allá de 5 MPa, su factor de compresibilidad se desvía significativamente de 1, lo que requiere el uso de ecuaciones de estado de gas real para los cálculos. Los coeficientes del virial del helio son pequeños, lo que indica fuerzas intermoleculares débiles; esta propiedad también influye en la selección de la ecuación de estado bajo alta presión.
En aplicaciones de ingeniería práctica, estas propiedades del helio imponen requisitos rigurosos en el diseño de compresores. El diámetro molecular extremadamente pequeño requiere sistemas de sellado especiales, normalmente seleccionando sellos de gas seco o tecnología de sellado de fluido magnético. La característica de baja densidad requiere un mayor trabajo de compresión, lo que impone mayores demandas en la configuración de potencia del sistema de accionamiento. La alta conductividad térmica, si bien es ventajosa para el intercambio de calor, aumenta la dificultad de diseño de los sistemas de enfriamiento entre etapas. Además, la característica de alta velocidad del sonido exige un análisis dinámico más riguroso del rotor del compresor para evitar fenómenos de resonancia acústica.
Es particularmente importante señalar que los efectos cuánticos del helio bajo alta presión no pueden ignorarse. Cuando la temperatura cae por debajo de 10 K, el helio exhibe propiedades de superfluidez; estos efectos cuánticos pueden influir indirectamente en el diseño del compresor incluso a temperatura ambiente y alta presión. En el diseño de las válvulas del compresor y los sistemas de sellado, se deben considerar los impactos potenciales de estos efectos cuánticos.
Comprender estas propiedades físicas únicas del helio es la base para seleccionar y diseñar correctamente los compresores de helio. Solo considerando plenamente estas características se puede garantizar un rendimiento confiable y una alta eficiencia del sistema de compresores durante su operación a largo plazo. En el diseño de ingeniería práctico, se recomienda utilizar bases de datos de propiedades del helio especializadas, como la base de datos NIST REFPROP, para obtener parámetros de propiedades termofísicas precisos y proporcionar un apoyo de datos confiable para el diseño de compresores.
