Skraplarki Claude a oraz Heylandta budowa, działanie, bilans cieplny oraz charakterystyka techniczna

Transkrypt

1 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

2 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 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 C 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.

3 Sprężarka Heylandt a różni się tylko nieznacznie od skraplarki Claude a. Mianowicie jej praca polega na sprężeniu powietrza od p = atm do p = 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.

4 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: H 1 +P 1 +Q zew =H 2 +P 2 +H cieczy Gdzie: H 1 entalpia gazu w stanie 1 P 1 moc generowana przez sprężarkę Q zew strumień ciepła pobranego z otoczenia H 2 straty entalpi gazu doprowadzonego do skraplacza P 2 moc generowana przez rozprężarkę H cieczy 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.

5 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