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

250

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.