Kaskadowe urządzenia do skraplania gazów. Justyna Jaskółowska IMM. Techniki niskotemperaturowe w medycynie Gdańsk

Transkrypt

1 Kaskadowe urządzenia do skraplania gazów Techniki niskotemperaturowe w medycynie Justyna Jaskółowska IMM Gdańsk

2 Spis treści 1. Kto pierwszy? Budowa i zasada działania Wady i zalety Zastosowanie Bibliografia... 9

3 1. Kto pierwszy? W XIX w. trwał wyścig naukowców dążących do skroplenia składników powietrza. W wyścigu tym brali udział także Polscy uczeni- profesorowie Uniwersytetu Jagiellońskiego, Zygmunt Wróblewski i Karol Olszewski. Panowie wykorzystali obniżenie temperatury przy znacznym podwyższeniu ciśnienia, po czym gdy otrzymali punkt wrzenia gazu, gwałtownie obniżali ciśnienie, tym samym doprowadzając do równie gwałtownego spadku temperatury. Wykorzystali oni także metodę kaskadową-zauważyli, że można chłodzić gazy o niższej temperaturze skraplania gazem skroplonym wcześniej i całą operację wymienioną wyżej powtarzać tak długo i tyle razy aż uzyska się wymaganą, odpowiednio niską temperaturę. Rysunek 1 Schemat aparatury Olszewskiego i Wróblewskiego

4 a) Butla z ciekłym etylenem b) Zbiornik z mieszaniną Thiloriera c) Termometr wodorowy d) Zbiornik z ciekłym etylenem e) Grubościenna ampuła, gdzie skrapla się gaz f) Butla stalowa z gazowym tlenem Rysunek 2 Zasada działania aparatury Olszewskiego-Wróblewskiego Za pomocą metody kaskadowej, Wróblewski i Olszewski, 5 kwietnia 1883 jako pierwsi w historii skroplili tlen, a kilka dni później 13 kwietnia, azot. Metoda kaskadowa została wykorzystana także przez innego naukowca. W 1908 r. Kammerling Onnes skroplił dzięki niej Hel. Wykorzystał 5 stopniową kaskadę, gdzie 1. CH 3 Cl -temperatura skroplenia 200K 2. C 2 H 4 - temperatura skroplenia 125K temperatura skroplenia 90,2K 4. N 2 - temperatura skroplenia 77,5K 5. H 2 Chłodząc kolejne gazy udało się otrzymać temperaturę 4,2K i skroplić hel

5 Rysunek 3 schemat kaskady Kammerlinga Onnesa Kammerling Onnes wykorzystał Efekt Joule,a-Thompsona. 2. Budowa i zasada działania 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

6 Rysunek 4 Skraplarka z zaworami dławiącymi (po lewej), skraplarka z rozprężarkami (po prawej) Rysunek 5 przykładowa skraplarka kaskadowa Uproszczona procedura skraplania metodą kaskadową a) najpierw skraplamy gaz, który da się skroplić w temperaturze pokojowej i podnosimy jego ciśnienie b) skroplony gaz doprowadzamy do wrzenia, obniżamy ciśnienie, co wywołuje spadek temperatury skroplonego gazu

7 c) oziębionej cieczy używamy do schłodzenia kolejnego gazu, który w tej niższej temperaturze może być skroplony. Kolejne operacje powtarza się tak długo i tyle razy, aż uzyska się temperaturę odpowiednią do schłodzenia gazu docelowego. Skraplarka kaskadowa realizuje lewo bieżny obieg Lindego. Rysunek 6 Lewobieżny obieg Lindego, 1-2 sprężanie izentropowe,2-3 ochładzanie pary przegrzanej przy stałym ciśnieniu, 3-4 skraplanie pary, 4-5 izentalpowe dławienie, Rysunek 7Lewobieżny obieg Lindego- 2 wrysowane kaskady

8 3. Wady i zalety Zalety: Metoda ekonomiczna- wysoka wydajność instalacji Wady: Do skraplania np. metanu, raczej nie powietrza Jest skomplikowana technicznie, co zwiększa ryzyko awarii Wysoki koszt instalacji 4. Zastosowanie a) Do transportu gazu ziemnego na gazowcach Klasyczny cykl kaskadowy- oczyszczony z CO 2 i H 2 O gaz pod ciśnieniem przepływa przez instalację w trzech cyklach chłodniczych, kolejne kaskady tworzą propan, etan i metan Cykl z mieszanym czynnikiem chłodzącym- modyfikacja klasycznego cyklu kaskadowego z zastosowaniem tylko jednej sprężarki i jednego czynnika chłodzącego, którym jest mieszanina węglowodorów. b) w laboratoriach Rysunek 8 gazowiec- zastosowanie metody kaskadowej

9 c) Kaskada R717/R744 ( NH 3 / CO 2 )-kaskadowe systemy chłodnicze Rysunek 9 Kaskada R717/R744 ( NH 3 / CO 2) 5. Bibliografia Dariusz Butrymowicz, Termodynamika, Obiegi termodynamiczne Piotr Baj, Dariusz Butrymowicz, Ocena efektywności energetycznej obiegu kaskadowego w układzie dwutlenek węgla/amoniak