CHŁODNICTWO I KRIOGENIKA

LABORATORIUM

Temat ćwiczenia: Badanie pracy skraplarki Joule’a-Thompsona.

Skład grupy:

Krzysztof Kozioł

Paweł Łukmin

Michał Miliński

Prowadzący: dr inż. Agnieszka Piotrowska

Termin zajęć: wtorek, 13:15

Pomiary przeprowadzono: 05.01.2015 r.

Data oddania sprawozdania: 12.01.2015 r.

Cel ćwiczenia, wstęp teoretyczny, przebieg pomiarów.

Celem doświadczenia było zapoznanie się z zasadą działania skraplarki Joule'a-Thomsona oraz przedstawienie zachodzących w niej przemian na wykresie T-S. Wykorzystanym w ćwiczeniu czynnikiem roboczym był azot.

Zasada działania skraplarki Joule’a- Thompsona jest następująca: źródłem gazu jest butla z gazem o wysokim ciśnieniu, z której po odkręceniu zaworu regulacyjnego czynnik przepływa do rekuperacyjnego wymiennika ciepła, gdzie jest oziębiany przez powracający gaz przy stałym ciśnieniu. Następnie trafia na zawór Joule’a-Thompsona, gdzie zachodzi proces dławienia izentalpowego (poprzez nagłe zwężenie przekroju przepływu obniżane jest ciśnienie i temperatura oraz zachodzi częściowe skroplenie). Za ten proces odpowiadają siły międzycząsteczkowe, a więc czynnikiem roboczym nie może być gaz doskonały (ze stałości entalpii wynika stałość temperatury, a więc efekt Joule'a-Thomsona byłby zerowy). Następnie skroplona część gazu trafia do parowacza, gdzie wrze przy stałej temperaturze, a nieskroplona reszta trafia do wymiennika ciepła, gdzie pobiera ciepło przy stałym ciśnieniu, a stamtąd trafia to atmosfery.

Pomiary polegały na zmierzeniu ciśnienia w butli- na początku pomiarów i na końcu. Zmierzyliśmy również temperaturę na wylocie do atmosfery przy użyciu termopary typu K. Na koniec przyjęliśmy temperaturę otoczenia, która była równa temperaturze gazu w butli. Entalpie w poszczególnych punktach odczytałem z wykresu T-S azotu, lub wyznaczyłem z bilansów.

Skraplarki Joule'a-Thomsona są jednymi z najpowszechniej stosowanych w kriogenice. Spowodowane to jest ich zaletami, wśród których są: proces łatwy technicznie, charakteryzujący się dużą niezawodnością (brak części ruchomych), łatwa możliwość zminiaturyzowania, co nie wpłynie na zmianę ich efektywności. Posiadają też niestety wady, takie jak niska efektywność, która jest wynikiem nieodwracalności procesu dławienia. Pracują przy bardzo wysokich ciśnieniach, więc są używane w obiegach otwartych

Wyniki pomiarów i obliczenia

Tabela1. Przeliczenie zmierzonych wartości elektrycznych na temperatury

Tot,^oC	Pot,Pa
20	100000
	Cu-Konst		PT-100
czas(s)	napięcie(mv)	T6	opór	T3
0
30	0,711	17,8	92	-20
60	0,68	17	81,5	-43
90	0,666	16,7	65	-84
120	0,634	15,5	59	-103
150	0,6	15	46	-138
180	0,555	13,9	33	-161
210	0,528	13,3	24	-181
240	0,52	13	24	-181
270	0,519	13	24	-181

Tabela 3. Przeliczenie zmierzonych ciśnień na jednostki układu SI

	kG/cm^2	Pa
P1	150
P2	140
P	10	980665,2

`temperatura otoczenia (temperatura gazu w butli): T_ot = 20 = 293K

ciśnienie otoczenia: p_ot= 1 bar= 10⁵ Pa

ciśnienie w butli na początku pomiarów: $p_{2} = 150\frac{\text{kG}}{\text{cm}^{2}} = 14,71\ MPa$

ciśnienie w butli na końcu pomiarów: $p_{3} = 140\frac{\text{kG}}{\text{cm}^{2}} = 13,73MPa$

objętość butli: V = 40l = 40 • 10⁻³m³

objętość skroplonego azotu: V_N2 = 4cm³ = 4 • 10⁻⁶m³

gęstość ciekłego azotu: $\rho_{N2} = 0,809\frac{\text{kg}}{m^{3}}$

spadek ciśnienia w butli: p = p₂ − p₃ = 14, 71 − 13, 73 = 0, 98MPa

masa gazu płynącego z butli (z równania Clapeyrona):

$$p \bullet V = M \bullet \frac{R}{M_{molN2}} \bullet T_{\text{ot}}$$

$$M = \frac{p \bullet V \bullet M_{molN2}}{R \bullet T_{\text{ot}}} = \frac{0,98 \bullet 10^{6} \bullet 40 \bullet 10^{- 3} \bullet 28}{8314,7 \bullet 293} = 0,451kg$$

czas wypływania gazu z butli i skraplania azotu: τ= 219 s

czas wykraplania się 4 ml azotu: τ′=30s Przyjąłem, że początek skraplania azotu miał miejsce, gdy temperatury T₃oraz T₆ ustabilizowała się na poziomie T₃=-181^oC, T₆ = 13^oC

strumień masy gazu płynącego z butli: $\dot{M} = \frac{M}{\tau} = \frac{0,451kg}{219s} = 0,00206\frac{\text{kg}}{s}$

strumień masy wykroplonego azotu: $\dot{m} = \frac{\rho_{N2} \bullet V_{N2}}{\tau'} = \frac{0,809 \bullet 4 \bullet 10^{- 6}}{30} = 1,07 \bullet 10^{- 5}\frac{\text{kg}}{s}$

entalpie w poszczególnych punktach pomiarowych:

$$h_{2} = h\left( p_{2},T_{\text{ot}} \right) = 436\frac{\text{kJ}}{\text{kg}}$$

$$h_{5} = h\left( x = 1,p_{\text{atm}} \right) = 280\frac{\text{kJ}}{\text{kg}}$$

$$h_{1} = h\left( p_{\text{atm}},T_{\text{ot}} \right) = 508\frac{\text{kJ}}{\text{kg}}$$

$$h_{4f} = h\left( x = 0,T_{\text{skr}} = 77K \right) = 83\frac{\text{kJ}}{\text{kg}}$$

bilans skraplarki (przyjmujemy całkowite dopływy ciepła do skraplarki $\dot{Q} = 0$, ponieważ wartość jest pomijalnie mała):

$$\dot{M} \bullet h_{2} = \dot{m} \bullet h_{4f} + \left( \dot{M} - \dot{m} \right) \bullet h_{1}$$

teoretyczna wydajność skraplania:

$$x_{t} = \frac{h_{1} - h_{2} - \dot{Q}}{h_{1} - h_{4f}} = \frac{508 - 436}{508 - 115} = 0,18 = 18\%$$

doświadczalna wydajność skraplania:

$$x_{d} = \frac{\dot{m}}{\dot{M}} = \frac{1,07 \bullet 10^{- 5}}{0,00206} = 0,0052 = 0,52\%$$

bilans wymiennika ciepła:

$$\dot{M} \bullet h_{2} + \left( \dot{M} - \dot{m} \right) \bullet h_{5} = \dot{M} \bullet h_{3} + \left( \dot{M} - \dot{m} \right) \bullet h_{1}$$

,gdzie $\frac{\dot{m}}{\dot{M}} = x_{d}$

h₃ = h₂ + h₅ − h₁ + x_d • (h₁−h₅)

$$h_{3} = 436 + 280 - 508 + 0,0052 \bullet \left( 508 - 280 \right) = 209\frac{\text{kJ}}{\text{kg}}$$

Zakładając, że przemiana 3-4 to dławienie izentalpowe:

$$h_{3} = h_{4} = 209\frac{\text{kJ}}{\text{kg}}$$

5. Wnioski

Na podstawie przeprowadzonych obliczeń uzyskałem strumień masy gazu płynącego z butli $\dot{M} = 0,00206\frac{\text{kg}}{s}$, oraz strumień masy wykroplonego azotu $\dot{m} = 1,07 \bullet 10^{- 5}\frac{\text{kg}}{s}$, tak więc widać że zaledwie jedna dwu setna czynnika zostały skroplone. Ich stosunek jest zarazem doświadczalną wydajnością procesu. Mimo tego obie wartości są niskie- z tego względu skraplarek Joule’a-Thompsona nie stosuje się na skalę przemysłową. Otrzymane wyniki można uznać za poprawne- wartość teoretyczna jest większa niż doświadczalna, co świadczy o występowaniu różnych strat, np. nieszczelności instalacji, czy przewodzenia ciepła przez elementy). Niską wydajność rekompensuje to jednak fakt, iż skraplanie gazów w skraplarkach Joule’a-Thompsona jest niezwykle łatwe, ze względu na nieskomplikowaną budowę urządzenia, niezawodne- brak części ruchomych oraz posiada niewątpliwie tą zaletę, że skraplarki tego typu maja niewielkie gabaryty (nie tracąc przy tym na wydajności) i można je stosować na przykład w systemach chłodzenia naprowadzania pocisków lub elementów elektronicznych. Innym ich zastosowaniem jest skraplanie gazów przed ich transportem.