Techniki Niskotemperaturowe w Medycynie. Skraplarka Claude a i skraplarka Heylandta (budowa, działanie, bilans cieplny, charakterystyka techniczna). Inżynieria Mechaniczno-Medyczna st. II Joanna Katarzyńska Prowadzący: dr inż. Zenon Bońca, doc. PG 2012/2013
Wstęp Omawiane skraplarki to urządzenia służące do skraplania gazów trwałych (permanentnych) takich jak: powietrze i jego składniki: azot, tlen, argon i inne szlachetne oraz wodór, metan i inne składniki gazów palnych. Obie skraplarki przeprowadzają proces skraplania dzięki szybkiemu odprowadzania ciepła ze strumienia gazów za pomocą mediów chłodzących wymiennikach ciepła. Efekt Joule a Thomsona Zjawiskiem wykorzystywanym w skraplaniu gazów trwałych jeszcze przed wynalezieniem skraplarek Claude a i Heylandta jest temperaturowy efekt dławienia (efekt Joule a Thomsona). Występuje on w gazach rzeczywistych, i cieczach gazy doskonałe nie doznają zmiany temperatury w wyniku dławienia. Dławienie polega na obniżeniu ciśnienia gazu bez wykonania pracy zewnętrznej. W zjawisku tym, entalpia gazu przed i po dławieniu jest taka sama. Dławienie występuje podczas przepływu płynu przez zwężenie. Tym zwężeniem jest w praktyce najczęściej otwór gniazda zaworowego lub szczelina cylindryczna między gniazdem a przymykającym je grzybkiem zaworu (rys.1)[1]. Rys.1. Skraplarka Lindego Podstawą działania skraplarki Claude a jest skraplarka Lindego. Która jako pierwsza wykorzystała efekt JT do dławienia skroplin dla uzyskania pary mokrej o niskiej temperaturze. Na podstawie schematu budowy skraplarki Lindego (rys.2) i wykresu (rys.3) można omówić poszczególne procesy skraplania gazu. Proces zaczyna się w momencie kiedy sprężarka wtłacza gaz do części wysokoprężnej wymiennika ciepła, aż osiągnięte zostanie ciśnienie P2 20 MPa przy temperaturze T2 = T1 wtedy otwarty zostaje zawór dławiący i pierwsza porcja gazu jest dławiona obniżając swą temperaturę do Tb. Ta porcja przepływa następnie częścią niskoprężną wymiennika do wylotu, w tym samym czasie pobierając ciepło od gazu sprężonego, który oziębia się do stanu a przed zaworem dławiącym. Dławienie tej porcji gazu daje stan niskoprężny b' o jeszcze niższej temperaturze Tb', dzięki czemu może on oziębiać płynącą za nim porcję wysokoprężną do temperatury Ta' itd. aż do osiągnięcia i przekroczenia przez gaz wysokoprężny temperatury krytycznej TK wtedy przed zaworem dławiącym znajdować się będzie ciecz pod wysokim ciśnieniem, np. w stanie 3, a po zdławieniu uzyskamy parę mokrą w stanie 4. Wchodząca w jej skład para sucha nasycona (4") odpłynie przez wymiennik ciepła, a ciecz (4') będzie się gromadzić pod zaworem dławiącym[1].
Rys.2 Rys.3
Skraplarka Claude a Różnica pomiędzy skraplarką Lindego a skraplarką Claude a bądź Heylandta pojawia się w momencie wbudowania do skraplarki Lindego rozprężarki, która odprowadza energię z systemu na sposób pracy. Dzieję się to w ten sposób, że powietrze wysokoprężne kierowane jest do rozprężarki (silnika), w której odbywa przemianę adiabatyczną i oziębia się do znacznie niższych temperatur niż przy dławieniu. Rozprężanie rozpoczyna się od t -100 C i p 4MPa, co przy teoretycznym doskonałym rozprężeniu w rozprężarce tłokowej pozwala uzyskać temperaturę -193 C i otrzymać przy tym do 15% skroplin, natomiast przy rozprężaniu powietrza w zaworze dławiącym temperaturę gazu można obniżyć o 29 C. Na rys.4 przedstawiony jest schemat budowy skraplarki Claude a. Widać na nim, że gaz wprowadzony jest sprężany w sprężarce, a następnie wprowadzany do pierwszego wymiennika, gdzie przy wyjściu część gazu prowadzona jest do drugiego wymiennika, a część do rozprężarki. Rozprężony gaz wprowadzany jest do końcowej części wymiennika nr 2, gdzie już z niższą temperaturą ochładza drugą część gazu, która przechodzi do wymiennika trzeciego, następnie do zaworu dławiącego. Ostatecznie ochłodzony gaz wprowadzony jest do oddzielacza, gdzie skroplona ciecz użytkowa zostaje oddzielona od gazu. Gaz powraca do wymienników i służy jako medium odbierające ciepło od gazu skraplanego. Rys.4 Skraplarka Heylandta Jak widać na rys.5 skraplarka Heylandta różni się w niewielkim stopniu od skraplarki Claude a. Jedyna różnica polega na umiejscowieniu rozprężarki i na zlikwidowaniu jednego wymiennika ciepła (jednak rezygnację z jednego wymiennika wprowadzono wiele lat przed Heylandtem).
W poprzednim urządzeniu smarowanie tłoka w sprężarce sprawiało problemy ze względu na niską temperaturę gazu wprowadzanego do rozprężarki. Utrudniało to sprężenie całego gazu. Heylandt inaczej umiejscowił rozprężarkę dzięki czemu gaz przed rozprężaniem miał temperaturę otoczenia (i ciśnienie ok. 20 MPa). Osiąga się w ten sposób nieco większą wydajność niż w innych cyklach a dodatkowo unika się wcześniej wspomnianych problemów technicznych dot. zamarzania substancji smarującej tłok. Rys.5 Bilans cieplny Ponieważ obie skraplarki różnią się od siebie jedynie umiejscowieniem rozprężarki i wstępnym chłodzeniem, bilans cieplny dla każdej z nich będzie taki sam. W ocenie strat i zysków ciepła pomogą bardziej ogólne schematy (rys.6 i rys.7) Rys.6 Rys.7
Bilans cieplny: Qzewn.+H1+P1=H2+Hcieczy+P2 H1-straty entalpii w pktcie 1 P1-moc generowana przez sprężarkę Qzewn-strumień ciepła pobranego H2-straty entalpii gazu wyprowadzanego, w pktcie 2 Hcieczy-straty gazu, który nie uległ skropleniu P2-moc generowana przez rozprężarke Podsumowanie Oba urządzenia są do siebie bardzo podobne cel i bilans cieplny są takie same Obieg Heylandta różni się od obiegu Claude a tylko tym, że sprężarka jest inaczej umiejscowiona. Sprężone powietrze kierowane do rozprężarki nie jest wstępnie chłodzone, dzięki czemu można zastosować tańszą rozprężarkę i zwykłe smarowanie olejowe. Wszystkie metody wykorzystują efekt Joule a-tomsona do uzyskania efektu chłodniczego Pierwowzorem jest skraplarka Lindego, której modyfikacje prowadzą do powstania nowych urządzeń Zastosowanie rozprężarki obok wymienników ciepła i zaworu dławiącego, pozwala na zwiększenie wydajności i szersze zastosowanie urządzeń Bibliografia Termodynamika. W. Pudlik Kriogenika. A. Bąk; materiały do wykładów Politechnika Wrocławska http://quanthomme.free.fr/energieencore/carnet13.htm Fundamentals of Cryogenic Engineering. M. Mukhopadhyay Rys.1, Rys.2, Rys.3 - Termodynamika. W. Pudlik Rys.4, Rys.5 - Fundamentals of Cryogenic Engineering. M. Mukhopadhyay Rys.6, Rys. 7 - Kriogenika. A. Bąk; materiały do wykładów Politechnika Wrocławska