Chłodnictwo i kriogenika Laboratorium
Skraplanie gazów metodą Joule-Thomsona Łukasz Majchrzak
Mateusz Szymczak
Paweł Wojcieszak
Data wykonania ćwiczenia
03.01.2012
Data oddania sprawozdania
10.01.2012
1. Cel ćwiczenia
Celem tego ćwiczenia było zapoznanie się z zasadą działania skraplarki Joule-Thomsona. W tym ćwiczeniu możliwe było także wyznaczenie wydajności skraplania oraz charakterystyki rozruchowej tej skraplarki.
2. Przebieg ćwiczenia
Rys. 1. Skraplarka Joule-Thomsona. I-butla ze sprężonym czynnikiem, II-zawór regulacyjny, III-rekuperacyjny wymiennik ciepła, IV-zawór Joule-Thomsona, V-zbiornik na skropliny Na początku został otwarty zawór regulacyjny i wykonano pomiar ciśnienia za tym zaworem. Następnie były dokonywane pomiary temperatur w punktach 3 i 5. Były one wykonywane od momentu otwarcia zaworu regulacyjnego, co 30 sekund, aż do momentu skroplenia się 2 ml czynnika, którym był azot. Po skropleniu zostało zmierzone ciśnienie za zaworem regulacyjnym.
3. Tabela pomiarowa Tab. 1. Tabela pokazująca wyniki pomiarów temperatury i ciśnienia Lp.
T3
T5
t
pp
pk
-
K
K
s
bar
bar
1
192
292
0
2
178
289
30
3
172
289
60
4
161
290
90
5
151
290
120
6
142
289
150
7
134
289
180
8
126
289
210
9
119
288
240
10
112
288
270
107,9
100,0
11
106
288
300
12
99
288
330
13
93
287
360
14
85
287
390
15
76
287
420
16
70
287
450
17
66
286
480
18
65
286
510
19
65
286
540
20
65
286
570
21
65
286
600
22
65
286
630
23
65
286
645
Wielkości dane i odczytane z tablic: MR=8314,7 J/kmolK MN2=28 kg/kmol V=0,4 m3 ρN2=808 kg/m3 VN2=2 ml h1=484 kJ/kg h4=280 kJ/kg h5=505 kJ/kg
200
150
,KT
100
50
0
0
90
180
270
360
450
540
630
t,s
Rys. 2. Charakterystyka rozruchowa skraplarki Joule-Thomsona 4. Przykładowe obliczenia
Indywidualna stała gazowa dla azotu ܯܴ
8314,7
ܬ
ܴ =
=
= 297
ܯ
݇݃ܭ
ேଶ
28
Całkowity strumień masy azotu ൫ − ൯ܸ
790000 ∗ 0,4
ܯ
ܴ ܶ
݇݃
ܯሶ
297 ∗ 292
=
=
=
= 0,0056
ݐ
ݐ
645
ݏ
Strumień masy skroplonego azotu ߩ ܸ
808 ∗ 0,000002
݇݃
݉ሶ
ேଶ ேଶ
=
=
= 0,000098
ݐ
165
ݏ
Wydajność skraplarki
݉ሶ
0,000098
ݕ =
= 1,8 %
ܯሶ = 0,0056
Wyznaczenie parametru w punkcie 2 z bilansu rekuperacyjnego wymiennika ciepła
ܯሶℎଵ + ൫ܯሶ − ݉ሶ൯ℎସ = ܯሶℎଶ + ൫ܯሶ − ݉ሶ൯ℎହ
ܯሶ − ݉ሶ
0,0056 − 0,000098
ℎ
ሻ
ሺ
ଶ = ℎଵ −
= 484 −
505 − 280ሻ
ܯሶ ሺℎହ − ℎସ
0,0056
݇ܬ
= 263
݇݃
5. Wnioski
Jak można zaobserwować na powyższym przykładzie skraplarka Joule-Thomsona charakteryzują się niską wydajnością, która nie przekracza kilku procent oraz krótkim czasem rozruchu. Koniec rozruchu można spostrzec, gdy temperatura przed zaworem dławiącym ustali się, co oznacza, że rozpoczęło się skraplanie. Przy obliczeniach przyjęto pewne uproszczenie, a mianowicie założono, że całkowity strumień masy azotu przez cały czas ma taką samą wartość. Tak nie jest, ponieważ wraz ze zmniejszaniem się ciśnienia w butli spada także wartość tego strumienia masy.