Skraplarka Claude`a i skraplarka Heylandta - budowa, działanie ...

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