Kriogenika- egzamin 03.02.2014, godz. 9-11 (A-4/263)

1.

Wymienniki rekuperacyjne i regeneracyjne

W regeneratorze ciepło pochodzące z czynnika pierwotnego jest najpierw akumulowane w ściankach
kanałów powietrznych lub w czynniku porowatym, a następnie (w kolejnym cyklu) jest z nich odbierane.
W rekuperatorze oba te czynniki są oddzielone od siebie ściankami, przez które ciepło jest przekazywane
w sposób bezpośredni.

Rekuperator to urządzenie stosowane w systemach wentylacyjnych, które umożliwia rekuperację
(odzyskiwanie) ciepła z powietrza wywiewanego z budynku lub instalacji przemysłowej. Konstrukcje
rekuperatorów:

a) z czynnikiem pośrednim (np. glikol albo freon):

-z obiegiem samoczynnym w tym rurka ciepła,

-z obiegiem wymuszonym także pompy ciepła

b) z ruchomym wypełnieniem zmieniającym styczność z powietrzem wydmuchiwanym i wdmuchiwanym
(np. wymienniki obrotowe),

c) rekuperatory przekazujące ciepło przez przegrodę płytową:

-krzyżowe - powietrze przepływa przez ustawione do siebie prostopadle kanały. W jednym przepływa
ciepłe powietrze wywiewane z zew. ogrzewając rząd kanałów z powietrzem z zewnętrza. Sprawność 50-
70% odzysku ciepła, stosując dwa wymienniki-szeregowo osiągnąć można sprawność do 90%

-przeciwprądowe - kanały powietrza ustawione są równolegle, przez co strumień powietrza zimnego
skierowany jest w przeciwnym kierunku do ciepłego. Sprawność tego typu rekuperatorów sięga nawet do
95% odzysku ciepła

2.

Podział chłodziarek kriogenicznych ze względu na typ wymiennika ciepła i zastosowany proces
obniżania temperatury.

SKRAPLARKI I CHŁODZIARKI KRIOGENICZNE

REKUPERATOR

REGENERATOR

JEDNOSTOPNIOWA

WIELOSTOPNIOWA

WYPŁYW

SWOBODNY

INNE

Chłodziarka
Gifforda - McMahona

Rura pulsacyjna

Chłodziarka Stirlinga

Chłodziarka
Vuilleumiera - Taconisa
(ze spr

ęż

ark

ą

termiczn

ą

)

Chłodziarka hybrydowa
(np. chłodziarka Gifforda
McMahona z p

ę

tl

ą

J-T)

DŁAWIENIE

IZENTALPOWE

Skraplarka J-T

Chłodziarka J-T

ROZPR

ĘŻ

ANIE

IZENTROPOWE

Chłodziarka Braytona

DŁAWIENIE

IZENTALPOWE

Skraplarka J-T

Chłodziarka J-T

DŁAWIENIE

IZENTALPOWE /

ROZPR

ĘŻ

ANIE

IZENTROPOWE

Chłodziarka Claude'a

ROZPR

ĘŻ

ANIE

IZENTROPOWE

Chłodziarka Solvaya

3.

Minimalna praca rozdziału mieszanin gazowych

Praca minimalna niezbędna do rozdzielenia n moli mieszaniny gazów równa jest sumie prac sprężania
izotermicznego każdego składnika od jego ciśnienia cząstkowego do ciśnienia mieszaniny.

=

A

W

( )

x

nRT

−

−

1

ln

=

B

W

x

nRT ln

−

4.

Kriogeniczny rozdział mieszanin gazowych

-wykorzystywanie różnic w temperaturach wrzenia składników mieszaniny
-rektyfikacja w pojedynczej kolumnie rektyfikacyjnej
-rektyfikacja w podwójnej kolumnie rektyfikacyjnej
-rektyfikacja w podwójnej kolumnie rektyfikacyjnej z odzyskiem argonu

5.

Pojedyncza kolumna rektyfikacyjna (poniżej po lewej)

6.

Podwójna kolumna rektyfikacyjna (powyżej po prawej)

7.

Niekriogeniczne metody rozdziału mieszanin gazowych

-membrany przepuszczalne dla niektórych składników mieszaniny
-metody sorpcyjne

8.

Porównanie technologii rozdziału mieszanin gazowych

W przypadku instalacji o małych wydajnościach stosowanie membran i metod sorpcyjnych przynosi efekty
podobno do tych uzyskanych za pomocą metod kriogenicznych. Jednak w
przypadku instalacji o dużych wydajnościach, przekraczających około 200 ton produktów
gazowych na dobę, stosuje się niemal wyłącznie metody kriogeniczne.

9.

Kriogenika w energetyce – wytwarzanie tlenu na potrzeby spalania tlenowego

Wydajność pojedynczych instalacji osiąga 5000 ton tlenu na dobę, co odpowiada potrzebom elektrowni o
mocy około 300 MWe

10.

Kriogeniczne chłodziarki sorpcyjne

11.

Własności helu – wykres fazowy

12.

Własności helu nadciekłego

-całkowity zanik lepkości
-bardzo niska przewodność cieplna (około 10 przewodności miedzi)
-ciepło właściwe bardzo duże w stosunku do metali
-wrzenie wraz z sinym bulgotaniem

13.

Chłodziarka rozcieńczalnikowa

14.

Metody uzyskiwania temperatur poniżej 1 K.

-pompowanie par znad helu
-nadciekłość helu
-rozcieńczanie 3He w 4He, chłodziarki rozcieńczalnikowe
-adiabatyczne zestalanie 3He (efekt Pomerańczuka)

15.

Własności skroplonego gazu ziemnego LNG

LNG to gaz ziemny, który został oczyszczony i osuszony, a następnie schłodzony i skroplony do postaci
ciekłej w celu zmniejszenia jego objętości.
LNG to z angielskiego liquified natural gas, czyli skroplony gaz ziemny.
LNG jest cieczą kriogeniczną - jego temperatura normalna to -162

°

C (111 K). LNG jest cieczą bezbarwną,

bezwonną, nie oddziałującą agresywnie na metale i nietoksyczną. Jednakże odparowujące LNG może
wypierać tlen i w ten sposób działać dusząco. Zakres palności mieści się w 5 do 15 % objętościowo.
Temperatura samozapłonu: 540

°

C.

16.

Metody skraplania gazu ziemnego

-z zastosowaniem wymiennika/ów ciepła z ciekłym azotem
-z zastosowaniem chłodziarki Joule'a-Thomsona
-proces Prico
-z zastosowaniem chłodziarki Stirlinga
-z zastosowaniem azotowej turbiny rozprężnej
-oparta na izentropowym rozprężaniu gazu ziemnego
-oparta na wykorzystaniu mieszaniny czynników DMR
-kaskadowy proces Conco-Phillipsa
-proces AP-X
-proces MFC

17.

Porównanie metod transportu gazu ziemnego

-rurociągowy - jest najbardziej rozpowszechnionym typem transportu gazu. Rozróżniamy rurociągi:
magistrale i dystrybucyjne

-w postaci skroplonej – skroplenie metanu umożliwia ok. 600-krotne zmniejszenie jego objętości. To
główny powód rozwoju takiej formy transportu. Transport tego typu wykorzystuje się w celu dostarczenia
surowca do miejsc oddzielonych od złoża wielkimi akwenami.

-w postaci przetworzonej – najczęściej dotycz przemiany metanu w metanol. Jest to więc sposób
przetwarzania niezbyt wygodnej do przewozu formy gazowej do postaci płynnej.

18.

System kriogeniczny Wielkiego Zderzacza Hadronów LHC w CERN

Each component of the machine like pipe, vessel, heat exchanger, and cryostat can been treated as separate
helium enclosure, characterised by the amount and thermodynamic parameters of helium.

cryogen

vacuum

superinsulation

(MLI)

cooled object

(e.g. magnet)

radiation shield

safety valve

rupture disk

vacuum vessel