1. Cel ćwiczenia - zapoznanie się z budową i zasadą działania skraplarki Joule'a - Thomsona. Wyznaczenie wydajności skraplania.

2. Przebieg ćwiczenia i schemat stanowiska pomiarowego

Gaz do obiegu dostarczano z butli, przy czym przepływa on przez zawór regulujący do wymiennika ciepła gdzie jest wstępnie schładzany płynącym z parowacza gazem, który znajduje się pod niskim ciśnieniem. W zaworze dławiącym temperatura czynnika jest obniżana, po czym czynnik trafia do parowacza w którym zachodzi wrzenie i skraplanie. Nieskroplona pozostałość wraca do wymiennika ciepła, gdzie znowu ochładza nową porcję czynnika, a następnie wylatuje do atmosfery.

Zmierzono ciśnienie przed rozpoczęciem pomiarów. Otwarto zawór regulacyjny
i uruchomiono skraplarkę. Zmierzono czas po którym zaczęło się skraplanie oraz czas samego skraplania założonej wcześniej ilości 4 ml cieczy. Zmierzone zostały również zmieniające się
w czasie temperatury w punktach charakterystycznych.

A - butla z gazem

B - zawór regulacyjny

C - wymiennik ciepła

D - zawór dławiący

E - parowacz (zbiornik z cieczą)

Rysunek . Schemat stanowiska pomiarowego - skraplarki Joule'a - Thomsona z naniesionymi punktami charakterystycznymi

1. Tabele pomiarowe
   

Tabela . Zestawienie zmierzonych temperatur w danym czasie

τ	T4	T1	T4	T1	T4	T1	UWAGI
s	mV	mV	°C	°C	K	K	-
0	108,6	0,860	20	20	293,15	293,15
20	90,8	0,761	-25	19	248,15	292,15
40	79,2	0,746	-55	19	218,15	292,15
60	68,2	0,726	-80	18	193,15	291,15
80	51,8	0,702	-120	17	153,15	290,15
100	39,9	0,667	-150	17	123,15	290,15
120	28,3	0,624	-180	16	93,15	289,15	Początek skraplania w 135 sekundzie
140	24,8	0,606	-185	15	88,15	288,15
160	24,6	0,590	-185	15	88,15	288,15	Koniec skraplania

Tabela . Zestawienie zmierzonych oraz odczytanych z tablic danych

τs	V N2	V	p ot	p0	p1	p1'	RN2	t ot
s	ml	dm^3	hPa	bar	kG/cm^2	bar	J/(kg∙K)	°C
25	3,2	40	1013,25	220	190	-	296,95	22

T₄ - temperatura w punkcie 4 (Rys.1)

T₅ - temperatura w punkcie 5 (Rys.1)

τ_s - czas skraplania

V _N2 - objętość skroplonej cieczy

V - objętość butli

p_ot - ciśnienie otoczenia (założone)

p₀- ciśnienie pełnej butli

p₁ - ciśnienie przed skropleniem

P_1' - ciśnienie po skropleniu (nie zmierzono)

R_N2 - stała gazowa dla azotu

t _ot - temperatura otoczenia

1. Przykładowe obliczenia

• spadek ciśnienia w butli : p₁ =  p₁ − p_1′

Nie zmierzono ciśnienia p₁' ale wyznaczono je w oparciu o założenie, że przed pomiarami naszej grupy , jeszcze 3 inne wykonywały to ćwiczenie, a pełna butla miała ciśnienie 220 bar (22MPa). Zakładamy, że wykorzystanie azotu było równomierne we wszystkich grupach
i wynosiło w takim razie ok. 1,12 MPa na grupę (22MPa - 18,63MPa = 3,37 MPa - tyle zużyły 3 wcześniejsze grupy).

p₁ = 18, 63 MPa − 17, 51 MPa = 1, 12 MPa

• strumień gazu płynącego z butli:

z równania Clapeyrona: p₁V = MR_N2T_ot

Stąd masa gazu: $M = \frac{p_{1} \bullet V}{R_{N2} T_{\text{ot}}} = \frac{1,12 10^{6} 0,04}{296,95 295,15} = 0,51\ \text{kg}$

Strumień tego gazu: $\dot{M} = \frac{M}{\tau} = \frac{0,51}{25} = 0,020\ \frac{\text{kg}}{s} = 73,6\frac{\text{kg}}{h}$

• strumień wykroplonego azotu:

$$\dot{m} = \frac{\rho V_{N2}}{\tau} = \frac{0,809\ \frac{\text{kg}}{\text{dm}^{3}} 0,0032\ \text{dm}^{3}}{25\ s} = 10,4\ 10^{- 5}\ \frac{\text{kg}}{s} = 0,37\frac{\text{kg}}{h}$$

• doświadczalna wydajność skraplania

$$y_{d} = \frac{\dot{m}}{\dot{M}} = \frac{10,4 10^{- 5}}{0,020} = 0,51\ \%$$

• teoretyczna wydajność skraplania:

= $\frac{508 - 470}{502 - 85} = 9,11\ \%$

h_1’ – entalpia czynnika przy wyjściu z układu

h₁ – entalpia czynnika przy wyjściu z układu po dogrzaniu przy ciśnieniu atmosferycznym

h₂ – entalpia czynnika przy wyjściu ze sprężarki

q – strumień ciepła dochodzący do układu – zakładamy q=0

h_4' - entalpia czynnika w punkcie przecięcia się linii x=0 oraz izotermy T=77K

Z wykresu T-s dla N₂ odczytuje następujące wartości entalp:

h_1­­’ = 502 J/g – dla T₁śr=290,5K i p_ot =1013,25 hPa

h_1­’ = 508 J/g – dla T_ot=295,15K i p_ot =1013,25 hPa

h₂ = 470J/g – dla T_ot=295,15 i p_śr=18,07MPa

h_4' = 85 J/g

• Strumień ciepła wymieniany w wymienniku ciepła.

h₅ - entalpia czynnika w na przecięciu się linii nasyceni x=1 i izotermy (odczytane z wykresu T-s dla N₂)

1. Wykresy

Rysunek 2. Zależność temperatur w punktach charakterystycznych od czasu

1. Uwagi i wnioski

Strumień gazu wypływającego z butli wyniósł aż 73,6 kg/h, natomiast strumień wykroplonej cieczy tylko 0,37 kg/h. Wykroplona ciecz stanowi zaledwie 0,5% gazu wypływającego, jest to zarazem doświadczalna wydajność procesu. Teoretyczna wydajność skraplania obliczona po wyznaczeniu poszczególnych entalpii wyniosła 9,11%. Wydajność tego procesu jest zatem dosyć niska zarówna w teorii jak i w rzeczywistości.

Sporządzony wykres dla zmian temperatury T₄ od czasu ma kształt krzywej inercji 1 rzędu. Łagodnie maleje do zadanej wartości (dla nas 77K - temperatura wrzenia azotu).

Pomiary temperatur zostały wykonane dosyć niedokładnie, o czym świadczy fakt, że wg zanotowanych danych skraplanie rozpoczęło się nim azot osiągnął temperaturę wrzenia - zaobserwowano skraplanie dla odczytu 24,8 mV (możliwie, że błędnego) co po odniesieniu do charakterystyki Pt100 daje -185°C czyli 88,15 K, jest to różnica ponad 10K, a więc dosyć duża.

Temperatura T₁ na wylocie do otoczenia (z wymiennika ciepła) osiągała zbliżone wartości, po odczytaniu temperatur z tablic dla termoelementu miedź-konstantan przyjęto dla każdego pomiaru temperatury, których różnica między najwyższą temperaturą z rozpoczęcia doświadczenia, a najniższą na końcu wyniosła 5^oC.

Skraplarka Joule'a - Thomsona jest urządzeniem, które pracuje w układzie otwartym. Dzięki braku części ruchomych jest często wykorzystywana w formie zminiaturyzowanej.