Ćw 4 Skraplanie gazow metoda Joule Thomsona


Skraplanie gazów metodą Joule-Thomsona. Wyznaczenie podstawowych
parametrów procesu.
Podstawy Kriotechniki
Laboratorium
Instytut Techniki Cieplnej i Mechaniki Płynów
Zakład Chłodnictwa i Kriotechniki
1. Skraplarki (chłodziarki) Joule a-Thomsona.
Skraplarki Joule-Thomsona nie posiadają części ruchomych i łatwo dają się
miniaturyzować. Są one przede wszystkim używane do chłodzenia detektorów podczerwieni,
elementów elektroniki oraz niewielkich próbek w badaniach materiałowych.Mogą być
również stosowane w kriochirurgii. Ze względu na wysokie ciśnienie pracy, które powinno
być możliwie bliskie ciśnieniu inwersji, skraplarki takie są przede wszystkim używane w
obiegach otwartych. Schemat ideowy skraplarki (chłodziarki) J-T pracującej w układzie
otwartym pokazano na rys. 1, natomiast na rys. 2 odwzorowano obieg skraplarki we
współrzędnych: T s. Zasada działania
skraplarki (chłodziarki) pracującej w obiegu
otwartym jest następująca: zródłem gazu o
wysokim ciśnieniu jest butla z gazem I
(najczęściej jest to azot lub argon - w Polsce
butle napełnia się do ciśnienia 15 MPa),
następnie poprzez zawór II gaz trafia do
rekuperacyjnego wymiennika ciepła III gdzie
zostaje wstępnie oziębiony przez powracający
z parowacza V gaz będący pod niskim
ciśnieniem. Za wymiennikiem ciepła strumień
czynnika o wysokim ciśnieniu zostaje
zdławiony izentalpowo w zaworze Joule-
Thomsona IV, gdzie następuje obniżenie jego
temperatury i częściowe skroplenie
(skropleniu ulega do kilku procent gazu),
Następnie strumień skroplonego gazu trafia do
parowacza V, gdzie wrze przy stałej
temperaturze, a reszta nie skroplonego gazu
trafia do wymiennika ciepła III. Z wymiennika
ciepła gaz wydostaje się do atmosfery.
Rys. 1. Skraplarka Joule-Thomsona (schemat), I - butla, II - zawór regulacyjny, III -
wymiennik ciepła, IV - zawór dławiący, V  parowacz, p  ciśnienie, T  temperatura, q 
strumień ciepła.
Rys. 3. Odwzorowanie obiegu J-T na wykresie T-s, 1-2 sprężanie (odbywające się poza
układem), 2-3 obniżanie temperatury prze stałym ciśnieniu w wymienniku ciepła, 3-4
dławienie w zaworze J-T, 4-5 parowanie cieczy w parowaczu przy stałym ciśnieniu i
temperaturze, 5-1 ogrzewanie czynnika przy stałym ciśnieniu w wymienniku ciepła, 1 -1
dogrzanie czynnika przy ciśnieniu atmosferycznym.
2. Proces dławienia.
Procesem, dzięki któremu uzyskuje się obniżenie temperatury czynnika w chłodziarce
Joule a-Thomsona jest dławienie.
Dławieniem nazywa się taki proces, który realizuje się w przepływającym płynie
wskutek nagłej zmiany przekroju przewodu. Zaburzenie jakie powstaje w płynie w miejscu
przewężenia przekroju powoduje niestatyczność procesu i tym samym nieokreśloność
parametrów i funkcji stanu przepływającego płynu. Jeśli przewód, w którym zachodzi
dławienie jest adiabatycznie izolowany wtedy proces jest izoenergetyczny.
Å" Å" Å"
Rys. 3. Realizacja procesu dławienia, n,V , m odpowiednio strumień czynnika
wyrażony w kmol/s, m3/s i kg/s, u  energia wewnętrzna, p  ciśnienie.
Procesu dławienia nie można przedstawić graficznie w żadnym układzie
współrzędnych, gdyż nie jest on ciągłym zbiorem stanów równowagi. W pewnym
przybliżeniu można jedynie ustalić stan początkowy i końcowy procesu. Zgodnie z bilansem
energetycznym dla adiabatycznego przepływu ustalonego można napisać:
Å" Å"
ëÅ‚
2 2
Å" Å" Å" Å"
mÅ" w2 mÅ" w1 öÅ‚
ëÅ‚nÅ"u - nÅ"u1 öÅ‚ ëÅ‚ öÅ‚ ìÅ‚ ÷Å‚
+ p2 Å"V - p1 Å"V + - = 0 (1)
2 1
ìÅ‚ ÷Å‚ ìÅ‚ ÷Å‚
2
ìÅ‚ ÷Å‚
2 2
íÅ‚ Å‚Å‚ íÅ‚ Å‚Å‚ ìÅ‚ ÷Å‚
íÅ‚ Å‚Å‚
Å" Å" Å"
gdzie n,V , m odpowiednio strumień czynnika wyrażony w kmol/s, m3/s i kg/s, u  energia
wewnętrzna. Pomijając zaniedbywalnie mały przyrost strumienia energii kinetycznej można
napisać:
Å" Å"
H - H = 0 (2)
2 1
lub
Å" Å"
h = h (3)
2 1
Równości (2) i (3) wykazują, że przy powyższych założeniach, proces dławienia
charakteryzuje się takimi samymi wartościami początkowymi i końcowymi entalpii. W
przypadku gazu doskonałego, którego entalpia jest funkcją tylko temperatury otrzymuje się:
T2 = T1 (4)
Traktując w ogólnym przypadku entalpię jako funkcję T i p równanie izentalpy ma postać:
"h "h
ëÅ‚ öÅ‚ ëÅ‚ öÅ‚
dh = dT + dP = 0 . (5)
ìÅ‚ ÷Å‚ ìÅ‚ ÷Å‚
"T "T
íÅ‚ Å‚Å‚ íÅ‚ Å‚Å‚T
p
Z równania (5) można wyznaczyć różniczkowy izentalpowy efekt Joule-Thomsona µh :
("h "p)
ëÅ‚ öÅ‚
"T
T
µh = ìÅ‚ ÷Å‚ - (7)
=
ìÅ‚ ÷Å‚
"p
("h"T)
íÅ‚ Å‚Å‚h
P
ëÅ‚ öÅ‚
"h
Dla gazu doskonaÅ‚ego ìÅ‚ ÷Å‚ = 0 , stÄ…d µh = 0 .
ìÅ‚ ÷Å‚
"p
íÅ‚ Å‚Å‚T
Dla gazu rzeczywistego µh może przyjmować wartoÅ›ci zarówno ujemne jak i dodatnie.
Po podstawieniu do równania (7) znanych z termodynamiki zależności:
"h ëÅ‚ öÅ‚ "v
"h
ëÅ‚ öÅ‚
ìÅ‚ ÷Å‚
= c oraz ìÅ‚ ÷Å‚ = v -TëÅ‚ öÅ‚ p (8)
ìÅ‚ ÷Å‚ ìÅ‚ ÷Å‚
p
"T "p "T
íÅ‚ Å‚Å‚ íÅ‚ Å‚Å‚
p íÅ‚ Å‚Å‚T
można przedstawić różniczkowy izentalpowy efekt Joule a-Thomsona jako funkcję jedynie
temperatury i objętości.
ëÅ‚ öÅ‚
"T 1 "v
ëÅ‚ öÅ‚ ëÅ‚ öÅ‚
ìÅ‚ ÷Å‚
µh = = (8)
ìÅ‚ ÷Å‚ ÷Å‚ - v÷Å‚
"P
íÅ‚ Å‚Å‚h c p ìÅ‚TìÅ‚ "T Å‚Å‚P Å‚Å‚
íÅ‚
íÅ‚
Równanie (8) zostało wyprowadzone przez W. Thomsona i nazywane jest jego imieniem.
Z równania (8) wynika, że
"v
TëÅ‚ öÅ‚ > v to µ > 0 ,
ìÅ‚ ÷Å‚
h
"T
íÅ‚ Å‚Å‚P
"v
TëÅ‚ öÅ‚ = v to µ = 0 , (9)
ìÅ‚ ÷Å‚
h
"T
íÅ‚ Å‚Å‚P
"v
TëÅ‚ öÅ‚ < v to µ < 0 .
ìÅ‚ ÷Å‚
h
"T
íÅ‚ Å‚Å‚P
Dodatni efekt Joule a-Thomsona oznacza oziębianie się płynu w czasie dławienia, ujemny
ogrzewanie się, zaś zerowy niezmienność temperatury. Który z tych trzech przypadków
występuje, rozstrzyga równanie stanu dla danego stanu początkowego. Zbiór punktów
speÅ‚niajÄ…cych równanie µh = 0 tworzy krzywÄ… w przestrzeni stanów zwanÄ… krzywÄ… inwersji.
Ponieważ gazy rzeczywiste podczas dławienia oziębiają się lub ogrzewają, zatem zbiory tych
stanów podzielone są krzywą inwersji o równaniu:
"V
V = TëÅ‚ öÅ‚ (10)
ìÅ‚ ÷Å‚
"T
íÅ‚ Å‚Å‚P
Miarą całkowitego efektu dławienia jest przyrost entalpii "hT , który następuje
podczas dławienia gazu przy stałej temperaturze. Dla utrzymania stałej temperatury należy
dopuścić do przekazywania ciepła pomiędzy elementem dławiącym a otoczeniem. Ciepło
gazu dławionego spowoduje przyrost entalpii "hT ,który jest uwarunkowany spadkiem
ciśnienia "p .
ëÅ‚ öÅ‚ ëÅ‚ öÅ‚
"h "h
Stosunek ìÅ‚ ÷Å‚ daje w granicy pochodnÄ… ìÅ‚ ÷Å‚ bÄ™dÄ…cÄ… izotermicznym efektem dÅ‚awienia i
ìÅ‚ ÷Å‚ ìÅ‚ ÷Å‚
"p "p
íÅ‚ Å‚Å‚T íÅ‚ Å‚Å‚T
wynoszÄ…cym:
ëÅ‚ öÅ‚
"h
ìÅ‚ ÷Å‚ -µhc (11)
=
p
ìÅ‚ ÷Å‚
"p
íÅ‚ Å‚Å‚T
Przyrost entalpii "hT jest równy:
p2
"hT = µhcpdp (12)
+"
p1
Równanie (12) określa różnicę entalpii gazu pomiędzy punktami 1 i 2 (rys. 3) i określa
jednocześnie jednostkową ilość ciepła, jaką można uzyskać podczas dławienia gazu. W
technice niskich temperatur "hT jest ważną wielkością, umożliwiającą obliczenie wydajności
chłodniczej procesu dławienia.
3. Bilans skraplarki Joule-Thomsona
Ogólny bilans urządzenia kriogenicznego będącego w stanie stacjonarnym ma postać:
" " "
(13)
i
"W +"M hi +"Q = 0 ,
i
i
" " "
gdzie: W  moc, M  strumień masy, Q  strumień ciepła.
W przypadku skraplarki Joule-Thomsona ogólne równanie (13) przyjmie postać:
" " " " "
M h2 - m h0 - (M - m)h1' + Q = 0 (14)
" "
Gdzie M - strumień gazu dopływajacego do skraplarki, m - strumień gazu skroplonego, ho 
"
entalpia właściwa skroplonego gazu, Q - całkowite dopływy ciepła do skraplarki.
" "
Wprowadzając pojęcie względnej wydajności skraplania x = m/ M (potocznie zwanej
wydajnością skraplania) po przekształceniu równania (14) otrzymuje się:
x(h1' - h0 ) = h1' - h2 - q (15)
" "
gdzie q = Q/ M i oznacza dopływy ciepła przypadające na jednostkowy strumień gazu
dopływającego do skraplarki.
Po wprowadzeniu h1' = h1 - cp"Tc , "Tc = T1 - T1' oraz "hT = h1 - h2 otrzymuje siÄ™:
"hT - c "Tc - q
p
x = (16)
h1 - c "T - h0
p
4. Wykonanie ćwiczenia.
Uruchomić skraplarkę przez odkręcenie zaworu II (rys. 1).
Rejestrować ciśnienie oraz temperaturę w punktach 1, 1 , 4 w odstępach 30  sekundowych
aż do zaobserwowania skroplenia.
Określić czas potrzebny do zgromadzenia się 1 cm3 cieczy.
Odwzorować obieg skraplarki na wykresie T-s.
Wyznaczyć wydajność skraplania i moc chłodniczą badanej skraplarki (chłodziarki).
5. Pytania kontrolne.
1. Omówić budowę i zasadę działania skraplarki (chłodziarki) Joule-Thomsona.
2. Podać przykładowe zastosowania skraplarek J-T. Dlaczego te skraplarki można
miniaturyzować.
3. Odwzorować obieg skraplarki Joule-Thomsona na wykresie T-s, opisac poszczególne
procesy.
4. Omówić proces dławienia.
5. Czy czynnikiem roboczym chłodziarki Joule-Thomsona może być gaz doskonały?
Odpowiedz uzasadnić.
6. Napisać bilans skraplarki (chłodziarki) Joule-Thomsona. Określić wydajność skraplania.


Wyszukiwarka

Podobne podstrony:
Zasady doboru drutów i gazów w metodach MIG MAG i TIG
Przeplyw gazów metodą zwężkową i kalorymetryczną
Spawanie łukowe elektrodą topliwą w osłonie gazów metodą MAG
Ćw 5 Pomiary rezystancji metodami technicznymi oraz bezpośrednią
cw metoda algebraiczna
ćw 17 Metoda Rungego Kutty
Cw 5 Metoda Zapasu jednookresowego
ćw 08 Metoda Gaussa Seidla
cw metoda rownan polowkowych
ćw 17 Układ zasilania aparatu Epsteina do rozdziału strat metodą częstotliwościową
Analiza gazów energetycznych metodą chromatografii gazowej
32 Wyznaczanie modułu piezoelektrycznego d metodą statyczną
całkowanie num metoda trapezów
MATLAB cw Skrypty

więcej podobnych podstron