Skralanie gazów metodą Joule-omsona. Wyznaczenie odstawowyc arametrów rocesu. Podstawy Kriotecniki Laboratorium Instytut ecniki Cielnej i Mecaniki Płynów Zakład Cłodnictwa i Kriotecniki
1. Skralarki (cłodziarki) Joule a-omsona. Skralarki Joule-omsona nie osiadają części rucomyc i łatwo dają się miniaturyzować. Są one rzede wszystkim używane do cłodzenia detektorów odczerwieni, elementów elektroniki oraz niewielkic róbek w badaniac materiałowyc.mogą być również stosowane w kriocirurgii. Ze względu na wysokie ciśnienie racy, które owinno być możliwie bliskie ciśnieniu inwersji, skralarki takie są rzede wszystkim używane w obiegac otwartyc. Scemat ideowy skralarki (cłodziarki) J- racującej w układzie otwartym okazano na rys. 1, natomiast na rys. 2 odwzorowano obieg skralarki we wsółrzędnyc: s. Zasada działania skralarki (cłodziarki) racującej w obiegu otwartym jest nastęująca: źródłem gazu o wysokim ciśnieniu jest butla z gazem I (najczęściej jest to azot lub argon - w Polsce butle naełnia się do ciśnienia 15 MPa), nastęnie orzez zawór II gaz trafia do rekueracyjnego wymiennika cieła III gdzie zostaje wstęnie oziębiony rzez owracający z arowacza V gaz będący od niskim ciśnieniem. Za wymiennikiem cieła strumień czynnika o wysokim ciśnieniu zostaje zdławiony izentalowo w zaworze Joule- omsona IV, gdzie nastęuje obniżenie jego temeratury i częściowe skrolenie (skroleniu ulega do kilku rocent gazu), Nastęnie strumień skrolonego gazu trafia do arowacza V, gdzie wrze rzy stałej temeraturze, a reszta nie skrolonego gazu trafia do wymiennika cieła III. Z wymiennika cieła gaz wydostaje się do atmosfery. Rys. 1. Skralarka Joule-omsona (scemat), I - butla, II - zawór regulacyjny, III - wymiennik cieła, IV - zawór dławiący, V arowacz, ciśnienie, temeratura, q strumień cieła.
Rys. 3. Odwzorowanie obiegu J- na wykresie -s, 1-2 srężanie (odbywające się oza układem), 2-3 obniżanie temeratury rze stałym ciśnieniu w wymienniku cieła, 3-4 dławienie w zaworze J-, 4-5 arowanie cieczy w arowaczu rzy stałym ciśnieniu i temeraturze, 5-1 ogrzewanie czynnika rzy stałym ciśnieniu w wymienniku cieła, 1-1 dogrzanie czynnika rzy ciśnieniu atmosferycznym. 2. Proces dławienia. Procesem, dzięki któremu uzyskuje się obniżenie temeratury czynnika w cłodziarce Joule a-omsona jest dławienie. Dławieniem nazywa się taki roces, który realizuje się w rzeływającym łynie wskutek nagłej zmiany rzekroju rzewodu. Zaburzenie jakie owstaje w łynie w miejscu rzewężenia rzekroju owoduje niestatyczność rocesu i tym samym nieokreśloność arametrów i funkcji stanu rzeływającego łynu. Jeśli rzewód, w którym zacodzi dławienie jest adiabatycznie izolowany wtedy roces jest izoenergetyczny.
Rys. 3. Realizacja rocesu dławienia, n, V, m odowiednio strumień czynnika wyrażony w kmol/s, m 3 /s i kg/s, u energia wewnętrzna, ciśnienie. Procesu dławienia nie można rzedstawić graficznie w żadnym układzie wsółrzędnyc, gdyż nie jest on ciągłym zbiorem stanów równowagi. W ewnym rzybliżeniu można jedynie ustalić stan oczątkowy i końcowy rocesu. Zgodnie z bilansem energetycznym dla adiabatycznego rzeływu ustalonego można naisać: 2 2 m w2 m w1 n u 2 nu1 + 2 V 2 1 V 1 + = 0 2 2 (1) gdzie n, V, m odowiednio strumień czynnika wyrażony w kmol/s, m 3 /s i kg/s, u energia wewnętrzna. Pomijając zaniedbywalnie mały rzyrost strumienia energii kinetycznej można naisać: lub H 2 H 1 = 0 (2) 2 = 1 (3) Równości (2) i (3) wykazują, że rzy owyższyc założeniac, roces dławienia carakteryzuje się takimi samymi wartościami oczątkowymi i końcowymi entalii. W rzyadku gazu doskonałego, którego entalia jest funkcją tylko temeratury otrzymuje się: 2 = 1 (4) raktując w ogólnym rzyadku entalię jako funkcję i równanie izentaly ma ostać: d = d + dp = 0. (5) Z równania (5) można wyznaczyć różniczkowy izentalowy efekt Joule-omsona µ :
( ) µ = = (7) ( )P Dla gazu doskonałego = 0, stąd µ = 0. Dla gazu rzeczywistego może rzyjmować wartości zarówno ujemne jak i dodatnie. µ Po odstawieniu do równania (7) znanyc z termodynamiki zależności: = c oraz = v (8) można rzedstawić różniczkowy izentalowy efekt Joule a-omsona jako funkcję jedynie temeratury i objętości. 1 µ = = v (8) P c P Równanie (8) zostało wyrowadzone rzez W. omsona i nazywane jest jego imieniem. Z równania (8) wynika, że > v to µ > 0, P = v to µ = 0, (9) P < v to µ < 0. P Dodatni efekt Joule a-omsona oznacza oziębianie się łynu w czasie dławienia, ujemny ogrzewanie się, zaś zerowy niezmienność temeratury. Który z tyc trzec rzyadków wystęuje, rozstrzyga równanie stanu dla danego stanu oczątkowego. Zbiór unktów sełniającyc równanie = 0 tworzy krzywą w rzestrzeni stanów zwaną krzywą inwersji. µ Ponieważ gazy rzeczywiste odczas dławienia oziębiają się lub ogrzewają, zatem zbiory tyc stanów odzielone są krzywą inwersji o równaniu: V V = (10) P Miarą całkowitego efektu dławienia jest rzyrost entalii, który nastęuje odczas dławienia gazu rzy stałej temeraturze. Dla utrzymania stałej temeratury należy
douścić do rzekazywania cieła omiędzy elementem dławiącym a otoczeniem. Cieło gazu dławionego sowoduje rzyrost entalii,który jest uwarunkowany sadkiem ciśnienia. Stosunek daje w granicy ocodną wynoszącym: będącą izotermicznym efektem dławienia i = µ c (11) Przyrost entalii jest równy: = 2 1 µ c d (12) Równanie (12) określa różnicę entalii gazu omiędzy unktami 1 i 2 (rys. 3) i określa jednocześnie jednostkową ilość cieła, jaką można uzyskać odczas dławienia gazu. W tecnice niskic temeratur jest ważną wielkością, umożliwiającą obliczenie wydajności cłodniczej rocesu dławienia. 3. Bilans skralarki Joule-omsona Ogólny bilans urządzenia kriogenicznego będącego w stanie stacjonarnym ma ostać: W i + M i + Q i = 0, (13) i gdzie: W moc, M strumień masy, Q strumień cieła. W rzyadku skralarki Joule-omsona ogólne równanie (13) rzyjmie ostać: Gdzie M entalia właściwa skrolonego gazu, 2 0 ( 1' M m M m) + Q = 0 (14) - strumień gazu doływajacego do skralarki, m - strumień gazu skrolonego, o Q - całkowite doływy cieła do skralarki. Wrowadzając ojęcie względnej wydajności skralania x = m/ M (otocznie zwanej wydajnością skralania) o rzekształceniu równania (14) otrzymuje się: x( = q (15) 1 ' 0 ) 1' 2
gdzie q = Q/ M i oznacza doływy cieła rzyadające na jednostkowy strumień gazu doływającego do skralarki. Po wrowadzeniu 1 ' = 1 c c, c = 1 1' oraz = 1 2 otrzymuje się: c c q x = (16) c 1 0 4. Wykonanie ćwiczenia. Urucomić skralarkę rzez odkręcenie zaworu II (rys. 1). Rejestrować ciśnienie oraz temeraturę w unktac 1, 1, 4 w odstęac 30 sekundowyc aż do zaobserwowania skrolenia. Określić czas otrzebny do zgromadzenia się 1 cm3 cieczy. Odwzorować obieg skralarki na wykresie -s. Wyznaczyć wydajność skralania i moc cłodniczą badanej skralarki (cłodziarki). 5. Pytania kontrolne. 1. Omówić budowę i zasadę działania skralarki (cłodziarki) Joule-omsona. 2. Podać rzykładowe zastosowania skralarek J-. Dlaczego te skralarki można miniaturyzować. 3. Odwzorować obieg skralarki Joule-omsona na wykresie -s, oisac oszczególne rocesy. 4. Omówić roces dławienia. 5. Czy czynnikiem roboczym cłodziarki Joule-omsona może być gaz doskonały? Odowiedź uzasadnić. 6. Naisać bilans skralarki (cłodziarki) Joule-omsona. Określić wydajność skralania.