POLITECHNIKA GDAŃSKA WYDZIAŁ MECHANICZNY Katedra Energetyki i Aparatury Przemysłowej Joanna Synak Nr albumu: 127634 Inżynieria Mechaniczno-Medyczna Semestr I (II st.) Rok akademicki: 2012/2013 PRACA SEMINARYJNA Z PRZEDMIOTU TECHNIKI NISKOTEMPERATUROWE W MEDYCYNIE Temat: Kaskadowe urządzenia do skraplania gazów Prowadzący: dr inż. Waldemar Targański Data oddania: 27.05.2013r.
Spis treści 1. Kaskadowe urządzenia do skraplania gazów... 3 1.1. Kaskadowe skraplanie gazów... 3 1.2. Budowa, zasada działania, charakterystyka... 5 1.3. Bilans cieplny... 8 1.4. Zalety i wady... 8 1.5. Efektywność... 9 1.6. Zastosowanie... 10 2. Układy autokaskadowe... 12 3. Układy kaskadowe w chłodziarko zamrażarkach... 13 4. Literatura... 14 2
1. Kaskadowe urządzenia do skraplania gazów 1.1. Kaskadowe skraplanie gazów Kaskadowa metoda skraplania wykorzystuje coraz niższe temperatury skraplania kolejnych gazów. Metodę tą stosuje się pod zmniejszonym ciśnieniem, a kolejne skroplone i wrzące gazy obniżają temperaturę dla następnych skropleń w niższych temperaturach. W urządzeniach wielostopniowych w nisko- i wysokociśnieniowej części krąży ten sam czynnik chłodniczy, natomiast w urządzeniach kaskadowych w wyżej wymienionych częściach mogą krążyć dowolne czynniki. Czynniki chłodzące dobiera się do poszczególnych stopni kaskady, tak aby ich własności termodynamiczne odpowiadały zakresom pracy poszczególnych stopni kaskady. Zastosowanie różnych czynników w poszczególnych stopniach urządzenia kaskadowego prowadzi do zmniejszenia strat nieodwracalności obiegu. Taki system może być zbudowany z dowolnej liczby stopni. Układy kaskadowe z reguły są stosowane w zakresie temperatury od -70 C do około - 120 C i poniżej. Zastosowanie w powyższym zakresie układów wielostopniowych jest z punktu widzenia ekonomicznego jak i sprawności systemu nieopłacalne. Wielkim sukcesem fizyki było osiągnięcie temperatury poniżej punktu krytycznego nie skroplonych jeszcze gazów i wreszcie skroplenie ich. Takiego wyczynu dokonali fizyk Zygmunt Wróblewski i chemik Karol Olszewski. 5 kwietnia 1883r. jako pierwsi w historii skroplili tlen, a kilka dni później 13 kwietnia, azot. W tym celu musieli oziębić gazy poniżej temperatury -164 C. Na rysunku 1 przedstawiony jest schemat aparatury Wróblewskiego i Olszewskiego, która składa się z: butli z ciekłym etylenem (a), zbiornika z mieszaniną Thiloriera (b), termometru wodorowego (c), zbiornika z ciekłym etylenem (d), grubościennej ampuły, gdzie skrapla się gaz (e), butli stalowej z gazowym tlenem (f). Natomiast na rysunku 2 widoczna jest bardzo uproszczona zasada działania danego urządzenia. 3
Rys. 1 Schemat aparatury Wróblewskiego i Olszewskiego. Rys. 2 Zasada działania aparatury Wróblewskiego i Olszewskiego. Metoda kaskadowa została wykorzystana także przez Kammerlinga Onnesa, który w 1908 roku skroplił dzięki niej hel. Wykorzystał on 5-stopniową kaskadę: CH3Cl -temperatura skroplenia 200K, C2H4- temperatura skroplenia 125K, 02- temperatura skroplenia 90,2K, N2- temperatura skroplenia 77,5K, H2. Kammerling Onnes wykorzystał efekt Joule`a-Thompsona. Chłodząc kolejne gazy udało mu się otrzymać temperaturę 4,2K. 4
Rys. 3 Schemat kaskady Kammerlinga Onnesa. 1.2. Budowa, zasada działania, charakterystyka Skraplarki kaskadowe składają się z kilku kaskad (co najmniej dwóch), przy czym w skład pierwszej wchodzą następujące elementy: wentylator-urządzenie wstępnie chłodzące gaz, zawór dławiący lub rozprężarka, wymiennik ciepła, kompresor, skraplacz. Kolejne kaskady składają się z: wymiennika ciepła, gdzie zachodzi skraplanie, zaworu dławiącego lub rozprężarki, parownika, kompresora. N rysunkach 4 i 5 przedstawione są schematy układów kaskadowych. Rys.4 Schemat typowego układu kaskadowego. 5
Rys. 5 Przykład układu chłodniczego dwustopniowego kaskadowego. Uproszczona zasada skraplania metodą kaskadową polega na tym, że: najpierw skroplony zostaje gaz, który da się skroplić w temperaturze pokojowej i zostaje podniesione jego ciśnienie, skroplony gaz doprowadzany jest do wrzenia, ciśnienie zostaje obniżone, co wywołuje spadek temperatury skroplonego gazu, oziębiona ciecz używana jest 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 lewobieżny obieg Lindego, gdzie: 1-2: sprężanie izentropowe pary, 2-3: ochładzanie pary przegrzanej (przy stałym ciśnieniu P k panującym w skraplaczu), 3-4: skraplanie pary (przy stałym ciśnieniu P k oraz stałej temperaturze) 4-5: izentalpowe dławienie, 5-1: wrzenie (przy stałym ciśnieniu parowania P o oraz stałej temperaturze T o ). Rys. 6 Lewobieżny obieg Lindego 6
Poszczególne stopnie, kaskady, można nazwać na dwa sposoby - pierwszy i drugi, albo wysoki i niski. Wysoki to klasyczny jednostopniowy układ, typem przypominający agregaty lodówkowe. Jedyna różnica to taka, że w celu obniżenia temperatury, absorbuje ciepło nie z wnętrza lodówki, ale ze skraplacza drugiego stopnia. Idea kaskadowego chłodzenia polega na tym, że pierwszy stopień chłodzi drugi. Gaz można skroplić na dwa sposoby: poprzez ochłodzenie lub sprężenie albo na oba sposoby naraz. Procesy te są ze sobą powiązane - jeśli ochłodzimy gaz, to ciśnienie potrzebne do skroplenia maleje, a jeśli sprężymy, to temperatura skroplenia wzrasta. Zatem im niższa temperatura wrzenia (czyli temperatura parującego gazu przy ciśnieniu atmosferycznym), tym większe są trudności ze skropleniem. Potrzeba do tego więc odpowiedniej temperatury lub ciśnienia. W związku z tym w drugim stopniu stosuje się gazy o niskiej temperaturze wrzenia. Pierwszy stopień ma za zadanie, poprzez ochłodzenie drugostopniowego gazu do niskiej temperatury, skroplić go. Rys. 7 Lewobieżny obieg Lindego z wrysowanymi dwoma kaskadami. Istotnym elementem systemu kaskadowego jest czynnik chłodniczy. Wybór czynnika zależy praktycznie od parametrów pracy urządzenia kaskadowego. Zatem w pierwszej kolejności jest to projektowana temperatura wewnętrzna urządzenia. Należy też pamiętać o warunkach otoczenia, w jakich urządzenie z układem kaskadowym będzie pracować. Warunki zewnętrzne są z reguły bardzo stabilne, gdyż urządzenie kaskadowe jest w zdecydowanej większości przypadków zainstalowane w pomieszczeniu o stabilnej temperaturze. Obecnie czynniki z grupy CFC i HCFC zostały wyeliminowane, pozostały do zastosowania czynniki z grupy HFC lub czynniki chłodnicze naturalne z grupy HC. Popularną parą czynników stosowanych w urządzeniach kaskadowych jest amoniak (NH 3 ) i dwutlenek węgla (CO 2 ). Oba czynniki wykorzystywane były w chłodnictwie już w XIX wieku. Amoniak używany jest do tej pory głównie w instalacjach przemysłowych, natomiast dwutlenek węgla 7
raczej rzadko. Oprócz wspomnianych czynników w kaskadach często wykorzystywany jest również propan. 1.3. Bilans cieplny Bilans cieplny pojedynczego stopnia kaskady danego układu opisany jest następującym równaniem: Powyższe równanie mówi, iż wydajność cieplna (strumień ciepła przekazywany do górnego źródła ciepła [W]) jest równy sumie wydajności chłodniczej (strumieniowi ciepła odbieranego z dolnego źródła ciepła [W]) i teoretycznej mocy napędowej urządzenia [W]. Rys. 8 Bilans cieplny pojedynczego stopnia kaskady. 1.4. Zalety i wady Stosując układy kaskadowe można spotkać się z wieloma korzyściami i problemami z tym związanymi. Do zalet takiego systemu należy: wysoka wydajność chłodnicza i sprawność (metoda ekonomiczna), w porównaniu do układów wielostopniowych zaletą jest to, iż posiadają dwa oddzielne systemy chłodnicze, które mają różne czynniki chłodnicze i różne sprężarki brak problemu wyrównania poziomu oleju w sprężarkach. Natomiast wady to: duży koszt urządzeń stosowanych w instalacji, 8
większa złożoność - większy nakład pracy podczas budowy skomplikowanego układu oraz zwiększenie ryzyka awarii, zużycie energii układów kaskadowych może być w niektórych przypadkach wyższe niż w układach wielostopniowych - niskotemperaturowy układ pracuje przy wyższej temperaturze skraplania od temperatury parowania części wysokotemperaturowej. 1.5. Efektywność Na efektywność działania układu kaskadowego wpływa wiele czynników, głównie: rodzaj czynnika chłodniczego, wydajność poszczególnych elementów układu, wskaźnik efektywności energetycznej chłodniczej (EER), temperatura międzystopniowa. Wskaźnik efektywności energetycznej chłodniczej EER (ang. Energy Efficiency Ratio) odnosi się do urządzeń klimatyzacyjnych pracujących tylko w trybie chłodzenia, w warunkach znamionowych przy pełnym obciążeniu. Jest to stosunek mocy chłodniczej wydzielanej przez urządzenie do mocy elektrycznej pobieranej z sieci potrzebnej do jej wytworzenia. Natomiast również trzeba zauważyć, że jednym z istotnych zagadnień wpływających na efektywność realizacji obiegu kaskadowego jest odpowiedni dobór parametrów spięcia międzystopniowego. W literaturze brak jest jednak ścisłych wytycznych dotyczących obliczenia temperatury międzystopniowej dla urządzeń kaskadowych działających na różnych czynnikach chłodniczych. W zakresie temperatury międzystopniowej t m = -24-6ºC, różnica pomiędzy maksymalną i minimalną wartością pracy dla całego urządzenia wynosi 10%. Zatem, można zauważyć, że optymalizacja wartości temperatury międzystopniowej jest zabiegiem celowym, gdyż w sposób istotny wpływa na efektywność urządzenia i koszty eksploatacyjne związane z jego użytkowaniem. Na rysunku 9. przedstawiony jest wykres zależności pracy od temperatury międzystopniowej dla różnych czynników. 9
Rys. 9 Wykres zależności pracy od temperatury międzystopniowej. 1.6. Zastosowanie Układy kaskadowe obecnie znajdują zastosowanie: jako kaskadowe systemy chłodnicze; Rys. 10 Kaskadowy system chłodniczy. do skraplania gazu ziemnego przeznaczonego do transportu; 10
` Rys. 11 Układ do skraplania gazu ziemnego (po lewej) i jego transport (po prawej). W powyższym układzie zastosowana jest jedna sprężarka, której czynnikiem roboczym jest np. mieszanina azotu, metanu, etanu, propanu i izopentanu, natomiast dzięki zastosowaniu separatorów cieczy unika się zamarzania wyżej wrzących czynników w niskich temperaturach. w laboratoriach. Rys. 12 Urządzenie chłodnicze kaskadowe w laboratorium. 11
2. Układy autokaskadowe Układy chłodnicze typu autokaskadowego zdecydowanie różnią się od układów kaskadowych. Zasadnicze różnice to: układ chłodniczy kaskadowy wyposażony jest w co najmniej dwie sprężarki, natomiast układ chłodniczy autokaskadowy wyposażony jest tylko w jedną sprężarkę, której stosunek ciśnień tłoczenia i ssania jest wyższy od stosunku ciśnień układów standardowych; w układzie kaskadowym, w każdej kaskadzie pracuje inny czynnik chłodniczy. Układ chłodniczy autokaskadowy jest naładowany tylko jednym czynnikiem chłodniczym. Jest to mieszanina kilku czynników chłodniczych, których temperatury wrzenia różnią się miedzy sobą w sposób znaczący. Główną zaletą układów autokaskadowych jest ich zwartość i możliwość osiągnięcia, przy użyciu jednej sprężarki i jednego czynnika chłodniczego (mieszaniny), temperatury skraplania gazów, np. tlenu czy azotu. Z reguły, układy autokaskadowe stosowane są do skraplania małych ilości gazów. Budowane są one dla specyficznych odbiorców i projektowane, bazując na bardzo specyficznych wymaganiach stawianych przez odbiorcę. Uproszczony schemat układu autokaskadowgo zilustrowany jest na rysunku 13. Rys. 13 Schemat układu autokaskadowgo. 12
3. Układy kaskadowe w chłodziarko zamrażarkach Urządzenia chłodnicze to urządzenia, które służą do obniżania temperatury poniżej temperatury otoczenia. Chłodziarka sprężarkowa jest to typ chłodziarki, w której obieg czynnika chłodniczego (freon bądź amoniak) spowodowany jest zasysaniem danego czynnika przez sprężarkę z parownika i sprężaniem go. W skraplaczu skroplony czynnik, następnie rozprężony, wędruje do parownika, gdzie pobiera ciepło od chłodzonych produktów. Taki typ chłodziarki używany jest w lodówkach i samochodach chłodniach. Rys. 14 Działania chłodziarki sprężarkowej. Rys. 15 Budowa lodówki Każda lodówka składa się z obudowy, najczęściej metalowej, parownika, skraplacza, żeber chłodzących, sprężarki i zaworu rozprężającego (rysunek 15). Czynnik chłodzący, który jest wykorzystywany w domowych lodówkach i zamrażarkach, to popularny freon. Jest to sztucznie wytworzony halogenowy związek węglowodorów nasyconych (chlorofluoroalkanów). Obecnie natomiast trwają próby zastosowania układów kaskadowych w chłodziarkozamrażarkach, jednak ze względu na koszt i brak potrzeby uzyskiwania bardzo niskich temperatur w tych urządzeniach gospodarstwa domowego nie zostały one jeszcze wprowadzone na rynek. 13
4. Literatura 1. Bodio E.: Skraplarki i chłodziarki kriogeniczne. Wrocław, Wydawnictwo Politechniki Wrocławskiej, 1987. 2. Czapp M., Charun H., Bohdal T.: Wielostopniowe sprężarkowe urządzenia chłodnicze. Podstawy teoretyczne i zasady obliczeń obiegów. Koszalin, Wydawnictwo Uczelniane Politechniki Koszalińskiej, 1997. 3. Karpiński W.: Termodynamiczne podstawy budowy urządzeń przemysłu spożywczego, chłodnictwa i klimatyzacji. Łódź, Wydawnictwo Politechniki Łódzkiej, 1993. 4. http://www.chlodnictwoiklimatyzacja.pl/artykuly/202-wydanie-082012/2331-sprarkoweukady-chodnicze--ukady-kaskadowe-i-autokaskadowe.html 5. http://www.specjalnoscchk.odt.pl/ 6. http://www.chlodnictwoiklimatyzacja.pl/artykuly/101-wydanie-42008/635-metodyobliczania-temperatury-miedzystopniowej-dla-urzadzen-kaskadowych.html 7. http://tonic-lab.com/kaskada-teoria 8. http://wwwnt.if.pwr.wroc.pl/kwazar/jaktopracuje/135449/budowa.html 14