Skraplarka Claude`a i skraplarka Heylandta.

Anna Jaskólska,
IM-M, stopień II
Techniki Niskotemperaturowe w Medycynie
Skraplarka Claude’a i skraplarka Heylandta
1. SKRAPLANIE GAZÓW TRWAŁYCH – EFEKT JOULE’A - THOMPSONA
W procesie skraplania gazów trwałych, tzn. takich, które w zwyczajnych warunkach
się nie skraplają (powietrze i jego składniki) wielką rolę odgrywa efekt Joule’aThompsona, nazywany inaczej temperaturowym efektem dławienia.
Efekt zachodzi dla gazów rzeczywistych oraz cieczy i polega na obniżeniu ciśnienia
gazu bez wykonania pracy zewnętrznej – entalpia gazu przed i po zdławieniu jest taka
sama. Dławienia można zrealizować poprzez zwężenie np. otwór gniazda zaworowego
lub szczelina cylindryczna między gniazdem a grzybkiem zaworu. W efekcie Joule’aThompsona, czyli w obszarze po prawej stronie krzywej inwersji na wykresie T-s,
zmniejszenie ciśnienia gazu powoduje spadek temperatury tego gazu.
Rysunek 1. Dławienie płynu w zaworze
Rysunek 2. Izentalpy na wykresie T-s dla substancji prostej.
Efekt Joule’a Thompsona został wykorzystany w skraplarce Lindego, złożonej w najprostszej
wersji ze sprężarki, chłodnicy wodnej, wymiennika przeciwprądowego i zaworu dławiącego.
Dla zwiększenia wydajności procesu, w 1902r. George Claude opracował metodę
wykorzystującą efekt Joule’a-Thompsona a ponadto rozprężarkę tłokową, która wykonuje
pracę zewnętrzną. Użycie rozprężarki powoduje znacznie skuteczniejsze oziębienie powietrza
niż podczas przepływu przez zawór dławiący.
2. BUDOWA SKRAPLARKI CLAUDE’A
Rysunek 3. Schemat skraplarki Claude’a
Skraplarka Claude’a składa się ze sprężarki, w której powietrze atmosferyczne o
ciśnieniu Po zostaje sprężone 1-2 do ciśnienia P, a następnie przedostaje się do
wymiennika I, gdzie w pośrednim kontakcie z rozprężonym powietrzem zostaje
ochłodzone do około -100°C. Część tego ochłodzonego powietrza zostaje rozprężona
3-4 w rozprężarce do ciśnienia atmosferycznego, zostaje wprowadzona do drugiego
wymiennika II, zwanego skraplaczem i chłodzi dalej sprężone powietrze. W skutek
tego chłodzenia następuje częściowe skroplenie sprężonego powietrza. Pozostałe
powietrze przepuszcza się przez zawór by je ostatecznie skroplić i zebrać zbiorniku 6.
Rysunek 4. Wykres T-s pracy skraplarki Claude'a
Na wykresie T-s (Rysunek nr 4.) przedstawiono izotermiczne sprężanie powietrza
atmosferycznego w masie 1kg (1-2). Sprężone powietrze zostaje ochłodzone w
wymienniku przeciwprądowym (2-3), w którym płynie rozprężone już, a więc zimne
powietrze. Cześć sprężonego powietrza po opuszczeniu wymiennika I zostaje
dodatkowo ochłodzona w wymienniku II powietrzem pochodzącym z rozprężarki w
ilości (1-x) kg. Ta część w ilości x dopływa do zaworu dławiącego 5 i zostaje
skroplona w zbiorniku (5-6). Wzdłuż izobary 7-1 ma miejsce studzenie
nieskroplonego powietrza w wymiennikach I i II.
3. BILANS CIEPLNY SPRĘŻARKI CLAUDE’A
Wydajność chłodniczą tego procesu można przedstawić następująco:
Ilość skroplonego powietrza na 1 kg powietrza sprężonego można wyrazić:
Gdzie:
- entalpia w kolejnych etapach procesu
- straty ciepła w procesie
X – stosunek ilości powietrza zdławionego do ogólnej ilości sprężonego powietrza
Przy obliczaniu optymalnej wartości x i temperatury przed rozprężarką, przy których
można otrzymać maksimum y i minimum potrzebnej pracy, korzysta się z wykresów
przedstawionych poniżej:
1. Dla przyjętego ciśnienia sprężenia odczytujemy z wykresu nr 1. optymalną
wartość x.
2. Dla przyjętej wartości x z wykresy nr 2 możemy odczytać najkorzystniejszą
temperaturę przy wlocie do sprężarki.
Wykres nr 1. Zapotrzebowanie energii do skraplania powietrza w zależności od ciśnienia
Wykres nr 2. Najkorzystniejsza temperatura przy wlocie do rozprężarki
4. SKRAPLARKA HEYLANDTA – BUDOWA I DZIAŁANIE
Skraplarka Heylandta stanowi odmianę skraplarki Claude’a. Schematyczną budowę
przedstawia rysunek nr 4.
Rysunek 4. Proces skraplania wg Heylandta oraz wykres T-s procesu
W procesie Heylandta powietrze zostaje sprężone do ciśnienia 150-200 ata. Następnie
powietrze w ilości x jest kierowane do rozprężarki, gdzie jego ciśnienie spada do 10
ata a następnie po dodatkowym zdławieniu w zaworze 4 ciśnienie to spada do 1 ata.
Tak schłodzone powietrze wchodzi do wymiennika gdzie służy za chłodziwo dla
pozostałej ilości powietrza ze sprężarki. Ochłodzone powietrze zostaje ostatecznie
zdławione w zaworze 5 i skrapla się.
Bilans cieplny obu sprężarek można przedstawić następująco:
H1+P1+Qzew=H2+P2+Hcieczy
Gdzie:
H1 – entalpia gazu w stanie 1
P1 – moc generowana przez sprężarkę
Qzew – strumień ciepła pobranego z otoczenia
H2 – straty entalpi gazu doprowadzonego do skraplacza
P2 – moc generowana przez rozprężarkę
Hcieczy – straty entalpi gazu, który uległ skropleniu
5. PODSUMOWANIE
Skraplarki Claude’a i Heylandta mają sprawność większą niż zwykła skraplarka
Lindego, natomiast porównywalną do wysokoprężnego obiegu Lindego z wstępnym
dochładzaniem. Na korzyść omówionych skraplarek przemawia jednak mniejszy
konieczny nakład pracy niż w skraplarce Lindego.