Kaskadowe urządzenia do skraplania gazów

Transkrypt

1 Kaskadowe urządzenia do skraplania gazów Techniki niskotemperaturowe w medycynie Aleksandra Jankowska IMM, 2012/2013

2 Spis treści 1. Definicja i historia kaskadowej metody skraplania 2. Zasada działania skraplarek kaskadowych 3. Budowa 4. Charakterystyka 5. Czynniki chłodzące 6. Przykłady i zastosowanie 7. Bibliografia

3 1. Definicja i historia kaskadowej metody skraplania Kaskadowa metoda skraplania metoda skraplania, wykorzystująca coraz niższe temperatury skraplania kolejnych gazów. Metodę tę stosuje się pod zmniejszonym ciśnieniem, kolejne skroplone i wrzące gazy obniżają temperaturę dla kolejnych skropleń w niższych temperaturach. Historia zaczyna się już w 1790r., gdy Nartinus van Marum sprawdzał słuszność prawa Boyle'a - Mariotte'a dla amoniaku i przypadkiem skroplił ten gaz. Następnymi badaczami byli Jean-Francois Clouet ( ) i Gaspard Monge ( ), otrzymali oni ciekły dwutlenek siarki SO 2. W 1822r. Charles Cagniard de la Tour ( ) odkrył istnienie stanu krytycznego. W 1823r. skraplaniem gazów zajął się Michael Faraday. Stosował bardzo prosta metodę: w jednym końcu grubościennej rurki w kształcie litery U podgrzewał substancję z której wydzielał się gaz, a w drugim końcu ten wydzielony gaz oziębiał. Wydzielanie gazu powodowało bardzo duży wzrost ciśnienia, w wyniku czego skraplał się on w końcu rurki umieszczonej w mieszaninie oziębiającej. Tą metodą Faraday skroplił m.in.chlor, siarkowodór, dwutlenek węgla. W 1845r. powrócił do tego zagadnienia i stosując metodę polegającą na odpompowywaniu pary zestalonego dwutlenku węgla skroplił większość pozostałych gazów poza sześcioma, nie udało mu się skroplić: wodoru, azotu, tlenu, tlenku węgla, tlenku azotu i metanu. Udało mu się uzyskać temperaturę -110 o C Johann Augustus Natterer (natrer) ( ) próbował skroplić te gazy, nie udało mu się to jednak, mimo stosowania ciśnień do około 2800 atmosfer. Tych kilka "opornych" gazów zaczęto nawet uważać za gazy trwałe. Wielkim sukcesem fizyki było osiągnięcie temperatury poniżej punktu krytycznego nie skroplonych jeszcze gazów i wreszcie skroplenie ich. Dokonali tego Karol Olszewski i Zygmunt Wróblewski, którzy 5 kwietnia 1883 jako pierwsi w historii skroplili tlen, a kilka dni później 13 kwietnia, azot. W tym celu musieli oziębić gazy poniżej temperatury -164 C.

4 Rysunek powyżej przedstawia schemat aparatury użytej przez Wróblewskiego i Olszewskiego do skroplenia składników powietrza. W 1882 roku francuski fizyk L. P. Cailletet osiągnął temperaturę -105 o C w kapilarze otoczonej wrzącym etylenem. Wróblewski i Olszewski przebudowali aparaturę Cailleteta. Sprawa skroplenia tzw. trwałych gazów miała olbrzymie znaczenie dla potwierdzenia budowanej wówczas teorii kinetyczno-molekularnej materii. Walkę o skroplenie He prowadzono w wiodących laboratoriach kriogenicznych Europy wygrał r. Heinke Kamerling Onnes w laboratorium

5 kriogenicznym, które stworzył w Leidzie uzyskał T=4 K, i po raz pierwszy zobaczył hel w stanie ciekłym. 2. Zasada działania skraplarek kaskadowych Skraplamy gaz, który da się skroplić w temperaturze pokojowej przy zastosowaniu wysokiego ciśnienia. Skroplony gaz zmuszamy do gwałtownego wrzenia pod obniżonym ciśnieniem - jego temperatura spada Oziębionej cieczy używamy do skroplenia kolejnego gazu, który może być skroplony w uzyskanej temperaturze. 3. Budowa Skraplarki kaskadowe składają się z kilku części-kaskad. Pierwsza składa się z: a) Wentylatora-urządzenia wstępnie chłodzącego gaz b) Zawór dławiący lub rozprężarka c) Wymiennik ciepła d) Kompresor e) Skraplacz Kolejne kaskady a) Wymiennik ciepła, gdzie zachodzi skraplanie b) Zawór dławiący lub rozprężarka c) Parownik d) Kompresor Rys. budowa i działanie skraplarki kaskadowej

6 4. Charakterystyka Skraplarka kaskadowa realizuje lewo bieżny obieg Lindego Lewobieżny obieg Lindego 1-2 sprężanie izentropowe,2-3 ochładzanie pary przegrzanej przy stałym ciśnieniu, 3-4 skraplanie pary, 4-5 izentalpowe dławienie Wykres t-s dla skraplarki dwustopniowej:

7 Bilans cieplny dla jednego stopnia kaskady przedstawia się następująco: 5. Czynniki chłodzące Można je podzielić w następujący sposób: syntetyczne a. jednorodne i. freony b. niejednorodne i. mieszaniny azeotropowe ii. mieszaniny zeotropowe (nieazeotropowe) naturalne c. organiczne i. węglowodory (lub ich mieszaniny) d. nieorganiczne i. amoniak (R-717) ii. dwutlenek węgla (R-744) iii. powietrze (R-729) iv. woda lodowa Według polskiej normy PN-90/M oraz ISO 817 stosowane są następujące oznaczenia: -seria dwucyfrowa - chlorowcowe pochodne metanu (CH4) - np. R11, R22; -seria chlorowcowe pochodne etanu (C2H6) - np. R115, R124; -seria chlorowce pochodne propanu (C3H8); -seria mieszanina i roztwory;

8 -seria czynniki chłodnicze azeotropowe (roztwory o identycznym składzie masowym cieczy i pary, będących w równowadze termodynamicznej); -seria związki organiczne - niesklasyfikowane; -seria związki nieorganiczne, np. amoniak oznaczony R717; -seria chlorowce pochodne węglowodorów nienasyconych; Oznaczenia cyfrowe czynnika chłodniczego poprzedza się literą R. 6. Przykłady i zastosowanie Do skraplania gazu ziemnego: Kaskadowa instalacja z jedną sprężarką:

9 1 sprężarka, 2 skraplacz R 290, chłodnica R 23, 3 wentylator, 4 oddzielacz ciecz R 290/ para R 23, filtr odwadniacz, 5 parowaczo-skraplacz, 6 wymiennik ciepła, 7 kapilara, 8 parowacz R 23, 9 zawór upustowy, Dodatkowo skraplarki kaskadowe są używane: W celach naukowych w laboratoriach Jako kaskadowe systemy chłodnicze Urządzenia kaskadowe charakteryzują się wysoką ceną wykonania ze względu na skomplikowaną budowę, dlatego też nie cieszą się zbyt wielką popularnością. 7. Bibliografia koncepcja-kaskadowej-instalacji-niskotemperaturowej-z-jedn%c4%85- spr%c4%99%c5%bcark%c4% html