Skraplarka Claude`a i skraplarka Heylandta

Techniki Niskotemperaturowe w Medycynie.
Skraplarka Claude’a i skraplarka Heylandta (budowa,
działanie, bilans cieplny, charakterystyka techniczna).
Inżynieria Mechaniczno-Medyczna st. II
Joanna Sadowska
Aby móc mówić o skraplarkach, należy wpierw wyjaśnić czym one są. Mianowicie są
one urządzeniami które umożliwiają przeprowadzenie zmiany gazów w ciecze, czyli tak
zwanego skraplania. Omawiane skraplarki służą do skraplania gazów trwałych
(permanentnych) tj. takich, które w zwyczajnych warunkach się nie skraplają: powietrza i
jego składników: azotu, tlenu, argonu i innych szlachetnych oraz wodoru, metanu i innych
składników gazów palnych. Proces ten przeprowadza się poprzez szybkie odbieranie ciepła ze
strumienia gazów za pomocą mediów chłodzących krążących w obiegu odwrotnym do
przepływu strumienia skraplanego gazu. Ma to miejsce w wymiennikach ciepła,
podstawowych elementach budowy całego urządzenia.
Dodatkowym elementem budowy tych urządzeń są tzw. zawory dławiące, które
działają w oparciu o efekt Joule’a-Thomsona. Jest to, inaczej mówiąc temperaturowy efekt
dławienia. Występuje on w gazach rzeczywistych, i cieczach — gazy doskonałe nie
doznają zmiany temperatury w wyniku dławienia. Dławieniem izentalpowym ( czyli
takie kiedy entalpia układu nie ulega zmianie) nazywamy proces w którym gaz rozpręża się
adiabatycznie w układzie otwartym, bez wykonania pracy zewnętrznej oraz bez zmiany
prędkości ani istotnej zmiany wysokości. Dławienie gazu może odbywać się w trakcie jego
przepływu przez porowatą zatyczkę, dyszą, kapilarę czy zawór dławiący.
Jak wcześniej wspomniano, w gazie doskonałym nie występują oddziaływania
międzycząsteczkowe, dlatego zwiększenie średniej odległości pomiędzy nimi (efekt
rozprężenia), nie wymaga wykonania pracy kosztem energii cieplnej cząstek. Jednak w
gazach rzeczywistych, występują oddziaływania międzycząsteczkowe, których energia
potencjalna opisana jest równaniem Lennarda Jonesa. Jeżeli dominującymi siłami są siły
przyciągania i energia potencjalna cząstek przyjmuje wartości ujemne, oznacza to, że aby
zwiększyć odległość pomiędzy cząstkami należy zwiększyć ich energię potencjalną. Czyli w
procesie dławienia zostanie obniżona energia cieplna gazu, a więc jego temperatura obniży
się.
Podstawą działania skraplarki Clauda jest skraplarka Lindego. Która jako pierwsza
wykorzystała efekt LT. Gaz sprężony i ochłodzony do temperatury otoczenia przepływa przez
przeciwprądowy wymiennik ciepła , w którym przekazuje ciepło do gazu rozprężonego. Po
oziębieniu sprężonego gazu następuje izentalpowe dławienie, przy którym powstaje para
mokra. Uzyskaną ciecz odprowadza się jako produkt użyteczny, para zaś nasycona sucha
płynie przez wymiennik ciepła, oziębiając sprężony gaz.
Różnica w budowie pojawia się w momencie wbudowania do skraplarki Lindego
rozprężarki, która odprowadza energię z systemu na sposób pracy. Dzieję się to w ten
sposób, że powietrze wysokoprężne kierowane jest do rozprężarki (silnika), w której odbywa
przemianę adiabtyczną i oziębia się znacznie bardziej niż przy dławieniu. Rozprężanie
rozpoczyna się od t ≤ -100oC i p≤4MPa.
Na rysunku poniżej, zaprezentowana jest schemat skraplarki Claude. Ten model
posiada 3 wymienniki ciepła. Gaz wprowadzony jest wpierw sprężany w sprężarce, następnie
wprowadzany jest do pierwszego wymiennika, gdzie przy wyjściu część gazu prowadzona
jest do drugiego wymiennika, a część do wcześniej wspomnianej rozprężarki. Następnie
wprowadzony on jest do końcowej części wymiennika nr 2, gdzie już z niższą temperaturą
ochładza drugą część gazu, która przechodzi do wymiennika trzeciego, następnie do zaworu
dławiącego. Po wyjściu wprowadzony jest do oddzielacza, gdzie skroplona ciecz użytkowa
zostaje oddzielona od gazu. Gaz powraca do wymienników i służy jako medium odbierające
ciepło od gazu skraplanego.
Budowa skraplarki Heylandta jest prawie identyczna ze skraplarką Claude’a. Jedyna
różnica polega na umiejscowieniu rozprężarki ( i w wypadku podanych schematów,
eliminacji jednego z wymienników). Skraplarka ta eliminuje trudności techniczne , jakie w
poprzednim urządzeniu sprawiało smarowanie w niskiej temperaturze co utrudniało
rozprężanie całego gazu i to w wyższej temperaturze niż w tej w której można przeprowadzić
to w skraplarce Heylandta.
Różnica polega na wprowadzeniu gazu po wyjściu z rozprężarki, nie do dolnej ale do
jego środkowej części. Osiąga się w ten sposób nieco większą wydajność niż w innych
cyklach a dodatkowo unika się wcześniej wspomnianych problemów technicznych dot.
zamarzania substancji smarującej tłok.
Niezmienne pozostaje rozdzielenie gazu. Część wprowadzana jest do rozprężarki,
część do wymiennika ciepła.
Z bardziej ogólnych schematów urządzeń można wywnioskować, że bilanse cieplne
obydwu skraplarek są jednakowe. Ponieważ różnią się one tylko umiejscowieniem
rozprężarki.
Gdzie:
H1: straty entalpii gazu „na początku:
H2: straty entalpii gazu wyprowadzonego
Hcieczy: straty entalpii gazu który się nie skroplił
P1: moc rozprężarki 1
P2: moc rozprężarki 2
Qzewn: strumień ciepła zewnętrznego
Podsumowując, obydwa urządzenia są do siebie bardzo podobne. Cel i bilans cieplny
są identyczne. Pierwowzorem jest skraplarka Lindego, której to modyfikacje prowadzą do
powstawania nowych urządzeń. Zastosowanie obok wymienników ciepła i zaworu
dławiącego rozprężarki, pozwala na zwiększenie wydajności i szersze zastosowanie urządzeń.
1.
2.
3.
4.
Literatura:
Fundamentals of Cryogenic Engineering. M. Mukhopadhyay
Termodynamika. W. Pudlik
Kriogenika. A. Bąk; materiały do wykładów Politechnika Wrocławska
Inżynieria chemiczna. Inżynieria procesowa. J. Ciborowski