Skraplarka Claude`a i skraplarka Heylandta.
Transkrypt
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.