POLITECHNIKA GDAŃSKA Wydział Mechaniczny. KONSPEKT do przedmiotu:

Transkrypt

1 POLITECHNIKA GDAŃSKA Wydział Mechaniczny KONSPEKT do przedmiotu: TECHNIKI NISKOTEMPERATUROWE W MEDYCYNIE p/t: Skraplarka Claude a i skraplarka Heylandta Prowadzący: dr inż. Zenon Bonca, doc. PG Wykonał: Łukasz Ścibek, IMM, grupa II Gdańsk 2011/2012

2 Pomysł skraplania tzw. trwałych gazów i potrzeba uzyskiwania w związku z tym bardzo niskich temperatur zrodziły się w nielicznych pracowniach w Krakowie, Paryżu, Londynie i Lejdzie, gdzie udało się uzyskać bardzo małe ilości skroplin tlenu, azotu i tlenku węgla rzędu kilku centymetrów sześciennych [2]. Stosowane tu metody przeszły z czasem do zakładów przemysłowych, tam zostały uogólnione i przystosowane do szerokiego technicznego użytku [7]. Wśród najważniejszych należy wymienić otrzymywanie skroplonego gazu w obiegach Claude a i Heylandta SKRAPLARKA CLAUDE A Zrealizowany przez G. Claude a w 1902 roku [8] proces skraplania powietrza opiera się na zastosowaniu rozprężarki tłokowej wykonującej pracę zewnętrzną. Przy użyciu rozprężarki uzyskuje się znacznie większe oziębienie powietrza niż przy przepływie przez zawór dławiący. Wychodząc np. z poziomu temperatury -100 C i ciśnieniu 40 ata można przy teoretycznym doskonałym rozprężeniu w rozprężarce tłokowej do ciśnienia atmosferycznego uzyskać temperaturę -193 C i otrzymać przy tym do 15% skroplin, natomiast przy rozprężaniu powietrza w zaworze dławiącym temperatura gazu obniża się tylko o 29 C. Rys.1. Schemat skraplarki Claude a Rys.2. Wykres T,s pracy skraplarki Claude a Według schematu Claude a (rys. 1) powietrze atmosferyczne sprężone w sprężarce 1-2 przedostaje się do wymiennika I, gdzie zostaje w pośrednim zetknięciu się z rozprężonym powietrzem ochładzane do około -100 C. Część sprężonego powietrza 3-4, która została rozprężona w rozprężarce do ciśnienia atmosferycznego, zostaje wprowadzona do drugiego wymiennika II,

3 zwanego przez Claude a skraplaczem, gdzie ostudza dalej sprężone powietrze płynące w tym wymienniku, wskutek czego następuje już częściowe jego skroplenie, po czym sprężone powietrze przepuszcza się przez zawór dławiący 5, by je ostatecznie skroplić i zebrać w zbiorniku 6. Proces ten na wykresie T,s przedstawiono na rys. 2. Mianowicie sprężone powietrze atmosferyczne 1-2, zostaje ostudzone w wymienniku I w przeciwprądzie z rozprężonym już, a więc zimnym powietrzem oraz dodatkowo w wymienniku II powietrzem dopływającym z rozprężarki w ilości (1-x) tak, że do zaworu dławiącego 5 na 1 kg zassanego powietrza dopływa tylko część (x). W naczyniu zbiorczym otrzymuje się ciecz w stanie 0 i parę w stanie 7. Wzdłuż izobary 7-1 ma miejsce studzenie nieskroplonego powietrza w wymiennikach II i I. W celu dalszego polepszania procesu Claude zastosował nie jednostopniową rozprężarkę, ale dwustopniową, a przy skraplaniu tlenu, zaproponował wprowadzenie bezpośrednio powietrza o niższym ciśnieniu do wymiennika II, nie zmniejszając go przy doprowadzeniu do rozprężarki. W swym systemie skraplania powietrza, jak wynika z omówionego wyżej schematu, Claude wykorzystał nie tylko efekt Joule a-thomsona, ale i adiabatyczne dwustopniowe rozprężanie w rozprężarce, stąd i podwójne ochładzanie powietrza, co podniosło sprawność urządzenia. Wobec złożonej postaci procesu dwustopniowe rozprężanie powietrza w rozprężarce nie znalazło praktycznego zastosowania. gdzie: q- straty cieplne wynikłe wskutek niedoskonałego wykorzystania różnicy temperatur w przeciwprądowym wymienniku oraz wskutek niedoskonałości otulin zimnochronnych. W celu otrzymania możliwie niskiej temperatury w układzie swym Claude kierował możliwie dużą ilość gazu do rozprężarki. Uzyskana tu ilość zimna powinna być możliwie całkowicie pochłonięta przez resztę pozostałego sprężonego gazu (1-x), by niewyzyskana w wymienniku II różnica temperatur na ciepłym wylocie z wymiennika nie była wyższa niż 3 do 5 C. Przy obliczaniu optymalnej wartości x i temperatury przed rozprężarką, przy których można otrzymać maksimum y i minimum potrzebnej pracy, korzysta się z wykresów (rys. 3 i 4) [5]. Przy użyciu tych wykresów przebieg obliczania dla procesu Claude a byłby następujący: dla przyjętego ciśnienia sprężania odczytujemy z wykresu na rys. 4 optymalną wartość x, a z wykresu na rys. 3 temperaturę przed rozprężarką, i z podanych wyżej równań oznacza się y=(1-x).

4 Dla procesu Claude a najkorzystniejszą przeciętną wartość ułamka x, zależną od warunków rozprężania, w funkcji ciśnienia sprężania przedstawia wykres na rys. 5. SKRAPLARKA HEYLANDTA Pewną odmianę procesu Claude a przedstawia proces Heylandta. W procesie tym powietrze o ciśnieniu od 150 do 200 ata i temperaturze otoczenia zostaje częściowo w ilości x wprowadzone do rozprężarki, gdzie przy rozprężaniu do 10 ata zostaje wykonana praca techniczna oddana na zewnątrz, zaś reszta powietrza w ilości (1-x) dostaje się do wymiennika ciepła, chłodzonego gazem o niskiej temperaturze z rozprężarki po zdławieniu do 1 ata w zaworze 4. Sprężone powietrze chłodzone w wymienniku po zdławieniu w zaworze 5 skrapla się i zostaje odprowadzone z procesu na zewnątrz (rys. 6).

5 Proces ten na wykresie T, s zilustrowano na rys. 7. Powietrze sprężone izotermicznie do 200 ata (1-2) przechodzi w ilości x do rozprężarki, gdzie ciśnienie jego spada do 10 ata, przy wykonywaniu użytecznej pracy. Powietrze to po zdławieniu w zaworze 4 wchodzi do wymiennika. Reszta powietrza w ilości (1-x) zostaje skierowana do wymiennika, gdzie jest ochładzana przez zimne powietrze z rozprężarki oraz przez pary tworzące się przy skraplaniu po zdławieniu powietrza (4-5). Skroplone powietrze zostaje odprowadzone na zewnątrz jako produkt ostateczny. Wydajność chłodnicza tego procesu: Q 0 =(i 1 -i 2 )+x(i 2 -i 3 )- q gdzie jak poprzednio q przedstawia straty ciepła występujące przy tym procesie o czym była mowa wyżej. Właściwości i charakterystykę procesu Heylandta zilustrowano wykresem na rys. 8 podanym w funkcji ciśnienia sprężania, gdzie y oznacza ilość skroplin na 1 kg sprężonego powietrza, odprowadzaną na zewnątrz jako gotowy produkt, zaś x - optymalną ilość sprężonego powietrza

6 dopływającego do rozprężarki, dobraną dla warunków w wymienniku ciepła przy różnicy temperatur 5 C, wreszcie N oznacza zapotrzebowanie energii w KM na 1 kg skroplonego powietrza. Podsumowując: 1. Obieg Heylandta różni się od obiegu Claude a tylko tym, że sprężone powietrze płynące do rozprężarki nie jest wstępnie ochłodzone. Umożliwia to zastosowanie tańszej rozprężarki i zwykłego smarowania olejowego. 2. Systemy skraplania powietrza Claude a i Heylandta charakteryzują się sprawnością i wielkością pracy włożonej w otrzymanie 1 kg skroplonego powietrza na takim samym poziomie. W porównaniu z przykładowymi obiegami Lindego charakteryzują się wyższą sprawnością i niższym nakładem pracy.

7 LITERATURA: 1. Bodio E. Skraplarki i chłodziarki kriogeniczne, Politechnika Wrocławska, Wrocław 1987r. 2. Stefanowski B. Technika bardzo niskich temperatur w zastosowaniu do skraplania gazów. WNT, Warszawa 1964r Claude G.: Comptes Rend. Acad. Scien. 137 (1903), str Markow M., Pawłow K.: Sprawocznik po głubokomu ochażdieniu. Moskwa Russell B. Scott: Technika niskich temperatur, Wydawnictwa Naukowo- Techniczne, Warszawa 1963r. 7. Hausen H.: Handbuch der Kaltetechnik. T. 8 (1957), str Claude G.: Comptes Rend. Acad. Scien. 137 (1903), str