1. Czym się różni rekuperator od regeneratora? W rekuperatorze-(w chłodziarce Joule’a-Thomsona i Braytona)- dwa strumienie gazu: wysokociśnieniowy strumień pierwotny
–oziębia się (HP) i niskociśnieniowy strumień powrotny- ogrzewa się (BP). Rekuperatory pracują w sposób ciągły. W przypadku skraplarek, niskociśnieniowy strumień powrotny w
rekuperatorze jest mniejszy od wysokociśnieniowego strumienia pierwotnego o tę ilość gazu, która ulega skropleniu w końcowym stopniu skraplarki. Przez regenerator gaz przepływa
cyklicznie raz w jednym, raz w drugim kierunku. Do zimnego regeneratora wpływa ciepły gaz będący pod wysokim ciśnieniem oziębia się (proces izobaryczny), następnie przechodzi
przemianę, w której jego temperatura jeszcze bardziej obniża się i ponownie przepływając przez regenerator w przeciwnym kierunku ogrzewa się. Regeneratory pracują zawsze
w sposób niestacjonarny. Wypełnieniem regeneratora powinien być materiał porowaty o dużej pojemności cieplnej (np. kulki ołowiane, wióry, sitka). Kriogenika- stosuje się na
określenie metod uzyskiwania i wykorzystywania temperatur niższych od 120 K, a dokładnie 111,1 K, tj. temperatury wrzenia metanu pod ciśnieniem normalnym. Obecnie dostępne
technologie pozwalają osiągnąć niskie temperatury rzędu 10-8 K (adiabatyczne rozmagnesowanie jąder miedzi) czy nawet 10-9 (chłodzenie laserowe prowadzące do powstania
kondensatu Bosego-Einsteina) oraz tak wysokie jak 108K, panujące w reaktorach wysokotemperaturowego połączenia. Obniżanie temperatury ciał towarzyszy zmniejszanie ich entropii
i w konsekwencji zanik wewnętrznych szumów. W praktyce prowadzi to do wykorzystania kriogeniki w takich dziedzinach jak radiokomunikacja, detektory podczerwieni i lasery.
2. Kriogeniczne chłodziarki gazowe. a) chłodziarka- wytwarzają moc chłodniczą bez możliwości odprowadzania skroplin (nawet gdy zaistnieje kondensacja czynnika roboczego).
Mogą być użyte do skraplania gazów poprzez wykorzystanie przeponowego wymiennika ciepła. W chłodziarkach wykorzystuje się przeróżne procesy oziębiania wewnętrznego gazów.
Rozprężanie następuje w chłodziarkach: Stirlinga, Solvaya, Braytona. Chłodziarki osiągające niskie temp.dzięki wykorzystaniu swobodnego wypływu: Gifforda-McMahona, rury
pulsacyjne. Chłodziarki z dławieniem izentropowym: Joule’a-Thomsona; b) chł, Stirlinga- stosowany jest lewobieżny obieg termodynamiczny(2 izochory i 2 izotermy). Cykl pracy
chłodziarki ( 4 FAZY):-izotermiczne sprężenie gazu w komorze; -izochoryczne oziębienie gazu w regeneratorze; izotermiczne rozprężanie gazu (+praca zewnętrzna); -izochoryczne
ogrzewanie w regeneratorze. Wykorzystanie w : labolatorium,zamrażanie żywności, urządzenia elektroniczne,technika wojakowa i kosmiczna; c)chł. Gifforda-MacMahona-(1959)
-chłodziarka gazowa, w której procesem oziębiania wew. był proces swobodnego wypływu gazu. Chłodziarki G-M są prostsze konstrukcyjnie od chłodziarek Stirlinga, natomiast
charakteryzują się niższą efektywnością termodynamiczną (swobodny wypływ jest procesem nieodwracalnym). Cykl pracy chłodziarki składa się z czterech etapów: -napełnianie
gazem(wzrost ciśnienia); -przetłaczanie gazu; -wypływ swobodny gazu; -opróżnianie komory zimnej(wydech). Jednostopniowe chłodziarki G-M osiągają temperatury tak niskie jak
35 K. Najniższa temperatu osiagnięta w chłodziarce dwustopniowej wynosi 6,7 K. Chłodziarki G-M stosowane najczęściej w lab.niskotemperaturowych, kriogenicznych pompach
próżniowych oraz do kriostatowania (magnesu).Są urządzeniami niezawodnymi ze względu na stosunkowo prosta konstrukcję.
d) chł.Solvaya-różnią się od chłodz.G-M zastosowaniem rozprężarki zamiast tłoka wyporowego. W ciepłej strefie chłodziarki zachodzi odbiór mocy od rozprężarki. Cykl (4 procesy)
:-wzrost ciśnienia;-napełnienie cylindra przy otwartym zaworze wlotowym;-ekspansja izentropowa;-wydech gazu z komory zimnej. Efektywność S. jest wyższa od G-M. Są słabiej
rozpowszechnione niż G-M. Stosowane tylko w technice kosmicznej i militarnej. e) rury pulsacyjne-(1964) Gifford i R. Longsworth zaproponowali chłodziarkę, której zasada
działania opierają się na wykorzystaniu nierównowagowego procesu wypływu swobodnego z zamkniętej rury na wylocie z której znajduje się regenerator. Ze względu na cykliczny
charakter zachodzących w niej procesów rurę taka nazwano rurą pulsacyjną. Przepływ powinien być mocno turbulentny, aby w rurze nie nastąpiło mieszanie się gazu. Rury pulsacyjne
rozwijają się najintensywniej wśród gazowych chłodziarek. Ze względu na brak części ruchomych pracujących w niskich temperaturach są wolne od wibracji i szumów. Zastosowanie:
filtry nadprzewodzące, elementy elektroniki. f) chł. Vuilleumiera-Taconisa-(1918)- Istota chłodziarki wykorzystującej trzy różnotemperaturowe źródła ciepła polega na tym, że
pomiędzy górnym i pośrednim źródłem ciepła zostaje zrealizowany obieg silnika cieplnego, a wytworzona w nim praca zostaje następnie zużyta do realizacji lewobieżnego obiegu
chłodniczego realizowanego pomiędzy źródłem pośrednim i dolnym. Zaletą chłodziarek Vuilleumiera-Taconisa jest ich niezawodność wynikająca z niewielkich obciążeń
mechanicznych działających na mechanizm napędowy, łożyska i uszczelnienia. Jednak o wykorzystaniu tych chłodziarek np. w programach kosmicznych zadecydowała możliwość
wykorzystania źródła ciepła, a nie energii elektrycznej lub mechanicznej, do wytwarzania mocy chłodniczej. Energia cieplna może być np. zogniskowaną energią słoneczną(NASA,
w systemach klimatyzacyjnych), energią radioizotopów, ciepłem spalania paliw i odpadów. Gaz roboczy: hel.
g) chł. Z rekuperacyjnymi wymiennikami ciepła: -Chłodziarki wykorzystujące rekuperator do dławienia izentalpowego gazu na zaworze (efekt Joule’a-Thomsona) lub rozprężanie
izentropowe w rozprężarce (Braytona). W J-T polega na tym, że skroplony gaz jest odparowywany w parowaczu (wytworzenie mocy chłodniczej wykorzystanej w układach
izotermicznych). W Braytona nie zachodzi kondensacja gazu (wytwarzana moc chłodnicza przy zmiennym poziomie temperatur). Gazy robocze: azot, neon, hel. Niski stosunek
ciśnień, pozwala na miniaturyzację (sprężarki i rozprężarki). 3. Skraplanie gazów kriogenicznych: a) skraplarka- przeważnie wszystkie urządzenia i instalacje kriogeniczne służą
do skraplania gazów (bądź wykorzystują skroplone gazy). b) skr. Z rekuperacyjnymi wymiennikami ciepła- w skraplarkach, których gaz skraplany jest czynnikiem roboczym,
stosowane są rekuperacyjne wymienniki ciepła. Procesem dążącym do zmniejszenia temp. jest wymiana ciepła z zewnętrznym źródłem oziębienia, rozprężania z pracą zewnętrzną,
dławienie izentalpowe.; c) skr. Joule’a Thomsona-celem pracy skraplarki jest uzyskanie gazu w postaci ciekłej i odprowadzenie go na zewnątrz urządzenia. Skraplarka nie wytwarza
mocy chłodniczej, ale nie można uniknąć dopływów ciepła z otoczenia przez izolację. Wydajności skraplania skraplarek Joule-Thomsona są niewielkie i nie przekraczają kilku procent.
Stąd skraplarki Joule-Thomasona nie są stosowane tam, gdzie istotne jest skraplanie dużych ilości gazu oraz rozwijanie dużych mocy chłodniczych, a więc np. w procesach skraplania
gazów na skalę przemysłową. d) skr. Claude’a- (1902) proces skraplania powietrza opiera się na zastosowaniu rozprężarki tłokowej wykonującej pracę zewnętrzną. Przy użyciu
rozprężarki uzyskuje się znacznie większe oziębienie powietrza niż przy przepływie przez zawór dławiący. Stopień z rozprężarką może zawierać jeden lub dwa wymienniki ciepła.
Obecnie cykle Claude'a i ich modyfikacje są podstawowymi cyklami skraplarek i chłodziarek kriogenicznych o dużych wydajnościach (rzędu setek lub tysięcy watów).
3. Metody uzyskiwania niskich temperatur. Jeżeli czynnikiem roboczym chłodziarki jest gaz, to najważniejszymi procesami prowadzącymi do obniżenia temperatury są: ekspansja
(rozprężanie) izentropowa z wykonaniem pracy zewnętrznej, ekspansja izentalpowa (dławienie) oraz wypływ swobodny gazu. Rozprężanie izentropowe z wykonaniem pracy
zewnętrznej Adiabatyczne i izentropowe rozprężenie gazu jest możliwe pod warunkiem, że w gazie nie mają miejsca zjawiska nieodwracalne, np. wewnętrznego tarcia. Aby spełnić
warunek s = const należy całą osiągalną energię sprężonego gazu odebrać w postaci pracy zewnętrznej. Praca musi zostać w całości wykonana nad obiektem odizolowanym termo
dynamicznie od rozprężanego gazu. W efekcie następują największe z możliwych spadki energii wewnętrznej gazu oraz jego entalpii. Również spadek temperatury jest maksymalny i
większy niż obserwowany w innych procesach. Rzeczywistym procesom rozprężania adiabatycznego towarzyszy zawsze zjawisko tarcia w efekcie następuje wzrost entropii czynnika.
Z tego powodu zarówno spadek entalpii gazu jak i spadek temperatury są niższe od maksymalnych. Proces izentropowej ekspansji gazu jest realizowany w rozprężarkach tłokowych
lub turbinowych. W procesie izentropowego rozprężania gazu zewnętrzna praca użyteczna równa jest różnicy entalpii gazy na wlocie i na wylocie z rozprężarki: Czynnik o objętości
V1 wpływa do rozprężarki z energią wewnętrzną U1, jednocześnie wykonuje pracę napełniania układu równą p1V1. Wypływając z rozprężarki energia zewnętrzna czynnika wynosi
U2, a praca opróżniania układu jest równa p2V2. Dławienie izentalpowe Jeżeli gaz rozpręża się adiabatycznie w układzie otwartym, bez wykonania pracy zewnętrznej oraz bez
zmiany prędkości ani istotnej zmiany wysokości, to proces taki określa się dławieniem. Warunek zachowania stałej prędkości nie wyklucza lokalnej zmiany prędkości, szczególnie w
obrębie samego elementu dławiącego. Dławienie gazu może odbywać się w trakcie jego przepływu przez zawór dławiący. W przypadku gazów rzeczywistych między cząstkami
występują oddziaływania. Oddziaływania te zależą od indywidualnych cech gazu oraz jego temperatury i ciśnienia. W efekcie oddziaływań pojawia się wewnętrzna potencjalna
energia cząstek.
W przypadku wysokich ciśnień, a więc dużej gęstości gazu, energia ta zależy od rozmiarów molekuł- rzędu 0,2 - 0,5 nm, przy czym średnice jąder atomów są rzędu 10-5 nm. Powłoki
elektronowe oscylują powodując powstawanie pól elektrycznych, które z kolei wytwarzają przyciągające siły van der Waalsa o charakterze elektrostatycznym. Jeżeli cząstki gazu
zostaną na tyle do siebie zbliżone, że ich powłoki elektronowe zaczynają się wzajemnie przenikać (odległości między cząstkami są rzędu efektywnej średnicy molekuł), to zaczynają
się pojawiać siły odpychania, które szybko przezwyciężają siły przyciągania. Wypływ swobodny ze stałej objętości Jeżeli gaz wypływa do otoczenia, w którym panuje stałe
ciśnienie, to proces taki nazywa się wypływem swobodnym. Proces ten prowadzi do obniżenia temperatury gazu, który pozostał w naczyniu i jest obecnie stosowany w wielu
chłodziarkach pracujących cyklicznie. Sprężony gaz znajduje się w naczyniu wyposażonym w zawór, po otwarciu zaworu gaz wypływa do otoczenia przedstawionego symbolicznie
w postaci cylindra, w którym panuje stałe ciśnienie. Wypływ swobodny jest procesem, w którym następuje wykonanie pracy zewnętrznej przeciwko sile pochodzącej od stałego
ciśnienia . Praca ta nie jest pracą użyteczną i w przeciwieństwie do procesu izentropowego (s=const) nie może być wykorzystana, jest ona przekazywana do otoczenia i tam
rozpraszana. W warunkach adiabatycznych nie ma wymiany ciepła pomiędzy gazem i ściankami naczynia. Ekspansja gazu przy stałej energii wewnętrznej Proces ten zachodzi jeżeli
ekspansja gazu następuje bez wymiany ciepła z otoczeniem i bez wykonania zewnętrznej pracy użytecznej, natomiast w przeciwieństwie do procesu dławienia gaz nie rozpręża się w
sposób stacjonarny, tzn. ciśnienie przed i za zaworem dławiącym nie jest stałe. W procesie u = const gaz znajduje się w zamkniętym systemie termodynamicznym, W przypadku gazu
doskonałego energia wewnętrzna nie zależy ani od ciśnienia ani od objętości, więc również temperatura gazu po ustaleniu się warunków w obu naczyniach pozostanie niezmieniona.
2c.
Rysunek 7.4. Chłodziarka Gifforda-McMahona, a - schemat, b - odwzorowanie procesów w
układzie p-v, c - odwzorowanie procesów w układzie T-s, 1, 2 - zbiorniki wyrównujace
ciśnienie gazu, 3 - regenerator, 4 - cylinder roboczy z tłokiem, 5 - sprężarka, 6, 7 - zawory
wlotowy i wylotowy, A - część wysokotemperaturowa cylindra, B - część
niskotemperaturowa cylindra.
2g
Rysunek 6.1. Jednostopniowa chłodziarka Joule-Thomsona, C - sprężarka, HE - wymiennik
ciepła, TV - zawór dławiacy (zawór Joule-Thomsona), V - parowacz.