Skraplarki Claude`a oraz Heylandta – budowa, działanie, bilans

POLITECHNIKA GDAŃSKA
WYDZIAŁ MECHANICZNY
Skraplarki Claude’a oraz Heylandta – budowa,
działanie, bilans cieplny oraz charakterystyka
techniczna
Wykonała: Alicja Szkodo
Prowadzący: dr inż. W. Targański
2012/2013
Skraplanie jest to proces fizyczny prowadzący do otrzymania substancji w stanie ciekłym z
substancji, która była wcześniej w stanie gazowym. Dla większości substancji odbywa się ten
proces w warunkach normalnych, natomas istnieją również pewne substancje tzw.
substancje trwałe (permanentne), które nie dają się efektywnie skroplić w warunkach
normalnych i do takich substancji zalicza się m.in gazy, będące składnikami powietrza jak np.
azot, tlen, argon czy też gazy palne takie jak metan lub wodór. W związku z tym faktem, iż
gazy te nie dają się efektywnie skroplić, powstały 2 rodzaje sprężarek, które to umożliwiają.
Sprężarki te swoją zasadę działania opierają o efekt Joula-Thomsona. Oznacza to, że oprócz
wymienników ciepła, w których następuje odbieranie ciepła ze strumienia gazów za pomocą
mediów chłodzących krążących w obiegu odwrotnym do przepływu strumienia skraplanego
gazu, wyposażone są również w zawory dławiące, w których następuje proces dławienia
izentalpowego, czyli proces adiabatycznego rozpężenia gazu w układzie otwartym, bez
wykonania pracy zewnętrznej.
Sprężarka Claude’a po raz pierwszy została użyta w 1902. Według schematu praca skraplarki
polega na sprężeniu powietrza atmosferycznego od ciśnienia p0 do p, następnie na przejściu
tego powietrza do wymiennika I gdzie następuje jego ochlodzenie do temp. -1000C podczas
pośredniego zetknięcia z powietrzem rozpężonym. Następnie część sprężonego powietrza,
zostaje rozprężona do p0 po czym zostaje wprowadzone do wymiennika nr II (zwanego
skraplaczem) gdzie następuje dalsze chłodzenie powietrza z wydzieleniem pierwszej części
skroplin. Ostatecznie sprężone powietrze zostaje przepuszczone przez zawór dlawiący,
całkowicie skroplone oraz zebrane w zbiorniku.
Ten sam proces można przedstawić na wykresie temperatura, entropia. Proces 1-2 jest to
sprężanie powietrza atmosferycznego, następnie mamy studzenie powietrza w wymienniku I
w przeciwprądzie z rozprężonym czyli zimnym powietrzem, następnie natępuje kolejne
chłodzenie w wymienniku II powietrzem dopływającym z rozprężarki w ilości (1-x) tak że do
zaworu dławiącego na 1 kg zassanego powietrza dopływa tylko część x. W naczyniu
zbiorczym otrzymuje się ciecz w stanie 0 oraz parę w stanie 7. Natomiast wzdłuż izobary 7-1
ma miejsce chłodzenie nieskroplonego powietrza w wymiennikach II oraz I.
Sprężarka Heylandt’a różni się tylko nieznacznie od skraplarki Claude’a. Mianowicie jej praca
polega na sprężeniu powietrza od p = atm do p = 150-200 atm, następnie część powietrza x
trafia do rozprężarki, natomiast druga część powietrz (1-x) dostaje się do wymiennika ciepła,
który chłodzony jest gazem pochodzącym z rozprężarki i po zdlawieniu do 1 atm w zaworze
(4). Następnie sprężone powietrze ochłodzone w wymienniku, ulega zdławieniu w zaworze
(5) i skrapla się, trafiając do zbiornika.
Ten sam proces można przedtawić na wykresie T,S. Powitrze sprężone izotermiczne do 200
atm (1-2) przechodzi w ilości x do rozprężarki, gdzie ciśnienie jego spada do 10 atm.
Następnie powietrze to jest dławione w zaworze 4 i dalej przechodzi do wymiennika.
Pozostała część powietrza w ilości (1-x) zostaje skierowana do wymiennika, gdzie następuje
jego ochłodzenie przez zimne powietrze z rozprężarki oraz przez pary utworzone podczas
skraplania, po zadławieniu powietrza w procesie 4-5. Skroplone powietrze zostaje
odprowadzone na zewnątrz jako produkt ostateczny.
Bilanse cieplne obu skraplarek są identyczne, z tego względu, że różnią się one jedynie
umiejscowieniem rozprężarki. Dodatkowo porównując schematy przedstawione powyżej
skraplarka Claude’a posiada 2 wymienniki ciepła, natomiast skraplarka Heylandta – jeden.
Bilsns cieplny obu skraplarek przedstawia następujące równanie:
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
Podsumowując, można powiedzieć, że zarówno skraplarka Claude’a oraz Heylandta są to
pewne modyfikacje skraplarki Lindego, działające w oparciu o wykorzystanie efektu Joule’a
Thomsona. W systemach skraplania powietrza Claude’a i Heylandta uzyskuje się porównywalne
sprawności oraz nakłady pracy natomiast porównaniu do obiegu Lindego (wydajność: 0,2 – 5 W)
cechują się one wyższą sprawnością (wydajność powiększona jest o składnik będący pracą
zewnętrzną wykonaną przez rozprężarkę) oraz niższym nakładem pracy.
Literatura:

W. Pudlik, Termodynamika, Wydawnictwo Politechniki Gdańskiej, Gdańsk 2007

E. Bodio, Skraplarki i chłodziarki kriogeniczne, Wydawnictwo Politechniki Wrocławskiej,
Wrocław 1987

B. Stefanowski , Technika bardzo niskich temperatur w zastosowaniu do skraplania gazów,
WNT, Warszawa 1964

A. Bąk, Kriogenika, Materiały do wykładów, Politechnika Wrocławska