TECHNIKI NISKOTEMPERATUROWE W MEDYCYNIE Skraplarka Claude a i skraplarka Heylandt a budowa, działanie, bilans cieplny, charakterystyka techniczna. Natalia Szczuka Inżynieria mechaniczno-medyczna St.II Prowadzący: dr inż. W. Targański
Podejmując temat skraplania gazów, należy wyjaśnić czym jest skraplanie. Mianowicie, skraplanie jest to proces fizyczny prowadzący do zmiany stanu skupienia substancji w stanie gazowym na substancję w stanie ciekłym. Dla większości substancji proces ten prowadzony jest w warunkach normalnych, jednak istnieją też takie, dla których warunki te są niedostateczne. Są to substancje trwałe (permanentne), do których można zaliczyć azot, tlen, argon oraz gazy palne metan lub wodór. Skroplenie tych gazów umożliwiają omawiane w pracy skraplarki, tj. skraplarka Claude a i Heylandt a. Proces ten przeprowadza się poprzez szybkie odbieranie ciepła ze strumienia gazów za pomocą mediów chłodzących krążących w obiegu odwrotnym do przepływu strumienia skraplanego gazu. Urządzenia te pracują w oparciu o wykorzystanie efektu Joula-Thomsona, który jest temperaturowym efektem dławienia. Skraplarka Claude a po raz pierwszy została użyta w 1902 roku. Schemat skraplarki oraz wykres T,s przedstawione poniżej przedstawiają jej budowę oraz zasadę działania. W budowie możemy wyróżnić następujące elementy: sprężarka, dwa wymienniki ciepła, rozprężarka, zawór dławiący oraz zbiornik skroplonej substancji. Działanie skraplarki Claude a rozpoczyna się od sprężenia powietrza od ciśnienia atmosferycznego p0 do określonego ciśnienia p. Następnie sprężone powietrze przechodzi do pierwszego wymiennika ciepła, gdzie następuje jego ochłodzenie do temperatury -100 C podczas pośredniego zetknięcia z powietrzem rozprężonym. W kolejnym etapie część sprężonego powietrza przechodzi bezpośrednio do drugiego wymiennika, zwanego skraplaczem, a pozostała część zostaje rozprężona do ciśnienia p0 i również przechodzi do tego wymiennika ciepła. W skraplaczu następuje dalsze chłodzenie gazu i wydzielenie pierwszych skroplin. Ostatecznie sprężone powietrze przechodzi przez zawór dławiący, dochodzi do jego całkowitego skroplenia i zebrania w zbiorniku.
Możliwe jest przedstawienie przebiegu tego procesu na wykresie T,s. Proces 1-2 to izotermiczne sprężanie powietrza atmosferycznego. Następnie zachodzi studzenie w wymienniku pierwszym w przeciwprądzie z rozprężonym, czyli zimnym powietrzem oraz dodatkowo w wymienniku drugim powietrzem dopływającym z rozprężarki w ilości 1-x, tak że do zaworu dławiącego 5 na 1kg zassanego powietrza dopływa tylko jego część w ilości x. W naczyniu zbiorczym otrzymuje się ciecz w stanie 0 i parę wodną w stanie 7. Wzdłuż izobary 7-1 ma miejsce ogrzewanie nieskroplonego powietrza z wymienników ciepła. 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.
Skraplarka Heylandt a różni się nieznacznie od skraplarki Claude a. Elementami jej budowy jest również sprężarka, jeden wymiennik ciepła, rozprężarka, dwa zawory dławiące oraz zbiornik skroplonej substancji. Jej praca polega na sprężaniu powietrza atmosferycznego p0 do ciśnienia p = 150-200 atm. Następnie część powietrza w ilości x trafia do rozprężarki a druga część w ilości 1-x przechodzi do wymiennika ciepła, w którym następuje chłodzenie gazem pochodzącym z rozprężania do 10 atm i zdławienia w zaworze 4. Powietrze w wymienniku jest chłodzone, ulga zdławieniu w zaworze 5 po czym następuje jego skroplenie i zgromadzenie w zbiorniku. Proces skraplania skraplarka Heylandt a można również przedstawić na wykresie T,s. W procesie 1-2 powietrze atmosferyczne jest izotermicznie sprężane do ciśnienia ok. 200 atm. Następnie w ilości x przechodzi do rozprężarki, gdzie jego ciśnienie spada do 10 atm. W kolejnym etapie powietrze to jest dławione w zaworze 4 i przechodzi do wymiennika ciepła, gdzie wcześniej zostało doprowadzone powietrze w ilości 1-x. Gaz w wymienniku ulega chłodzeniu przez zimne powietrze z rozprężarki oraz przez pary wytworzone po zdławieniu powietrza w procesie 4-5. Skroplone powietrze wyprowadzone na zewnątrz jest produktem ostatecznym.
Z tego względu, że omawiane urządzenia są do siebie podobne, bilanse cieplne omówionych skraplarek są identyczne. Ten bilans cieplny przedstawia poniższe równanie: H1- straty entalpii w punkcie 1 P1- moc generowana przez sprężarkę Qzewn - strumień ciepła pobranego H2- straty entalpii gazu wyprowadzanego, w punkcie 2 Hcieczy - straty gazu, który nie uległ skropleniu P2 - moc generowana przez rozprężarkę Podsumowując widzimy, że skraplarka Claude a i skraplarka Heylandt a niewiele się od siebie różnią. Cel ich działania oraz bilans cieplny są identyczne, obie wykorzystują również efekt Joula-Thomsona. Omawiane urządzenia różnią się od siebie umiejscowieniem rozprężarek, ilością wymienników ciepła i zaworów dławiących. Systemy skraplania charakteryzują się sprawnością i wielkością pracy włożonej w otrzymanie 1kg skroplonego powietrza na takim samym poziomie. Natomiast w porównaniu do przykładowych obiegów Lindego cechują się one wyższą sprawnością oraz niższym nakładem pracy.
Literatura: E. Bodio, Skraplarki i chłodziarki kriogeniczne, Wydawnictwo Politechniki Wrocławskiej, Wrocław 1987 Kriogenika. A. Bąk; materiały do wykładów Politechnika Wrocławska W. Pudlik, Termodynamika, Wydawnictwo Politechniki Gdańskiej, Gdańsk 2007 B. Stefanowski, Technika bardzo niskich temperatur w zastosowaniu do skraplania gazów, WNT, Warszawa 1964 Russell B. Scott: Technika niskich temperatur, Wydawnictwa Naukowo -Techniczne, Warszawa 1963