1. Wymienniki rekuperacyjne i regeneracyjne.

W skraplarkach, w których gaz skraplany jest czynnikiem roboczym, stosowane są rekuperacyjne

wymienniki ciepła, a procesami prowadzącymi do obniżenia temperatury jest wymiana

ciepła z zewnętrznym źródłem oziębienia, rozprężanie z wykonaniem pracy zewnętrznej

i dławienie izentalpowe. Stopnie skraplarek z rekuperacyjnymi wymiennikami ciepła można

podzielić na:

- stopnie z zewnętrznym źrodłem oziębiania,

- stopnie z rozprężarką,

- stopnie z zaworem dławiącym.

W rekuperatorze przedstawionym schematycznie na rysunku 5.7 zachodzi przepływ ciepła od

strumienia wysokociśnieniowego gazu do strumienia niskociśnieniowego. Stosunek ciśnień w obu kanałach rekuperatora może wynosić od kilku do kilkuset w zależności od wykorzystywanych

w urządzeniu procesów oziębiania wewnętrznego. Ze strumienia wysokociśnieniowego cześć gazu

może być kierowana na zewnątrz stopnia (np. do rozprężarki) i nie wpływać do wymiennika ciepła,

podobnie strumień niskociśnieniowy może być zasilany np. gazem powracającym z rozprężarki.

Każdy stopień może być traktowany jako otwarty system termodynamiczny. Bilans stopnia w stanie

stacjonarnym ma postać:

W bilansach energetycznych poszczegolnych stopni skraplarek i chłodziarek kriogenicznych pomija

się energię potencjalną i kinetyczną strumieni gazu.

Regeneratory

W wymiennikach tych nie ma przepony oddzielającej oba gazy, a ich przepływ odbywa się w tych samych kanałach na zmianę. Gaz grzewczy oddaje swe ciepło wypełnieniu, ogrzewając je, a gaz ogrzewany odbiera ciepło zmagazynowane w tym wypełnieniu. Wypełnienia regeneratora mogą być ceramiczne (ceglane) lub metalowe (z blach falistych lub folii karbowanej). Aparaty te są przełączane okresowo, wobec czego procesy wymiany ciepła i temperatur są nieustalone, czyli zmienne w czasie

W regeneratorze ciepło pochodzące z czynnika pierwotnego jest najpierw akumulowane w masie termicznej, a następnie (w kolejnym cyklu) jest odbierane z tej masy przez czynnik wtórny. Masą termiczną może być materiał ścianek kanałów powietrznych lub czynnik porowaty, przez który naprzemiennie przepuszczany jest czynnik pierwotny, a następnie wtórny.
W rekuperatorze oba te czynniki są oddzielone od siebie ściankami, przez które ciepło jest przekazywane w sposób bezpośredni.
Stosowane są również systemy z czynnikiem pośrednim, w których czynnik pośredni pobiera ciepło od czynnika pierwotnego w pierwszym wymienniku ciepła i przekazuje je do drugiego czynnika, znajdującego się w drugim wymienniku ciepła.

Regenerator ma poważną wadę, ponieważ ciepło musi być rozpraszane na drodze do materiału akumulującego ciepło, a następnie na drodze od tego materiału, w tym przypadku poprzez utratę energii cieplnej spowodowanej spłaszczeniem czoła strumienia cieplnego w kierunku przepływu, co oznacza, że nie całe ciepło może zostać odebrane. Ponadto, aby pośredni materiał akumulujący (głównie ścianki kanałów powietrznych) mógł pełnić funkcję akumulacyjną, musi mieć dobre właściwości przewodnictwa termicznego, co powoduje, że wysokie przewodnictwo cieplne w kierunku przepływu pociąga za sobą znaczne straty sprawności energetycznej (<<90%).

W rekuperatorze jedyną podstawową stratą jest przewodnictwo cieplne przez ścianki w kierunku przepływu, co poprzez zastosowanie materiałów o niskim przewodnictwie cieplnym, takich jak tworzywa sztuczne, może zostać jednakże zredukowane do ilości mniejszej niż 1 promil.

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

2. 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.

2. Kriogeniczny rozdział mieszanin gazowych

Istotą kriogenicznych metod rozdziału mieszanin gazowych jest skroplenie mieszaniny, a następnie

jej rozdział na składniki w kolumnie rektyfikacyjnej. W kolumnie takiej możliwe jest rozdzielenie

mieszaniny na dwa składniki, a jej działanie opiera się na wynikającym z reguły faz

Gibbsa wniosku, że w układzie dwuskładnikowym i dwufazowym ilość stopni swobody wynosi

dwa. Oznacza to, że jeżeli znane są temperatura i ciśnienie mieszaniny, to udziały molowe

składnikow w obu fazach są zdeterminowane. Dla każdej temperatury i ciśnienia, przy ktorych

mieszanina dwuskładnikowa występuje w postaci dwufazowej, mogą zostać określone rownowagi

fazowe ciecz-para. Przykładowe równowagi fazowe dwuskładnikowych mieszanin gazow

w układzie temperatura - udział molowy jednego ze składników pokazano na rysunku 7.2. Górne

krzywe nazywane są liniami rosy, gdyż po oziębieniu mieszaniny do temperatury wyznaczającej

położenie tych krzywych pojawiają się pierwsze krople cieczy, natomiast dolne krzywe nazywane są liniami pęcherzyków (po ogrzaniu cieczy do temperatury określonej tą krzywą pojawiają się

pierwsze pęcherzyki pary).

2. Pojedyncza kolumna rektyfikacyjna

W kolumnie rektyfikacyjnej

Lindego proces skraplania gazu zachodzi analogicznie jak w skraplarkach Joule’a-Thomsona

Sprężone powietrze kierowane jest przez rekuperacyjny wymiennik ciepła, następnie przez wężownicę

znajdującą się w z zbiorniku cieczy (parowaczu) do zaworu z,, w ktorym zostaje zdławione

do ciśnienia atmosferycznego. Ponieważ w trakcie procesu izobarycznego oziębiania najpierw

w rekuperacyjnym wymienniku ciepła, a następnie w wężownicy znajdującej się w parowaczu

temperatura powietrza uległa znacznemu obniżeniu, w wyniku dławienia następuje jego częściowe

skroplenie. Uzyskana w ten sposob mieszanina cieczowo-parowa zostaje dostarczona do

gornej części kolumny, skąd ciecz spływa poprzez połki w doł kolumny i wzbogaca się w tlen,

natomiast unosząca się para wzbogaca się w azot.

2. Podwójna kolumna rektyfikacyjna

W instalacji z podwojną kolumną Lindego sprężone powietrze po schłodzeniu w rekuperacyjnym

wymienniku ciepła, wężownicy znajdującej się w parowaczu dolnej kolumny i zdławieniu w zaworze

Zj do ciśnienia panującego w dolnej kolumnie, doprowadzone jest do pośredniego punktu

B. Gromadzący się w punkcie E kolumny dolnej ciekły azot z domieszką tlenu zostaje zdławiony

w zaworze z3 do ciśnienia panującego w gornej kolumnie i podany do gornego punktu kolumny

gornej. Gromadząca się w kondensatorze D kolumny dolnej ciecz z dużą zawartością tlenu (ok.

40%) po zdławieniu do niskiego ciśnienia w zaworze z2 zostaje doprowadzona do kolumny gornej

na wysokości punktu C. W ten sposob zasilanie kolumny gornej odbywa się częściowo rozdzieloną

mieszaniną i w kolumnie tej następuje osiągnięcie dużej czystości obu gazow. Stosując instalacje

z podwojną kolumną Lindego można wytwarzać tlen o czystości 95 - 99,8 %. Wydajność

takich instalacji wynosi od kilku do kilku tysięcy ton tlenu na dobę.

2. Niekriogeniczne metody rozdziału mieszanin gazowych

Niekriogeniczne metody rozdziału powietrza stają się konkurencyjne w przypadku instalacji o

stosunkowo niewielkich wydajnościach oraz wszędzie tam, gdzie nie jest istotne uzyskanie gazow

o bardzo dużej czystości. Instalacje takie wykorzystują fizyczne procesy adsorpcji oraz separacji

na membranach. Budowane są rownież instalacje wykorzystujące w procesach separacji reakcje

chemiczne. Nie są one jednak konkurencyjne w porownaniu do metod fizycznych. We wczesnej

fazie rozwoju znajdują się metody magnetyczne wykorzystujące słaby paramagnetyzm tlenu pozwalający

na oddzielenie tego gazu w polu magnetycznym od diamagnetycznego azotu. Schemat

adsorpcyjnej instalacji rozdziału powietrza przedstawia rysunek 7.18.

Sprężone powietrze po ochłodzeniu do temperatury otoczenia jest doprowadzane do pracujących

naprzemiennie adsorberow, w ktorych w zależności od zastosowanego wypełnienia, zachodzi

pochłanianie tlenu lub azotu oraz pary wodnej i dwutlenku węgla. W trakcie pracy instalacji aktywny

jest jeden z adsorberow, natomiast drugi podlega regeneracji polegającej na otwarciu wylotu z adsorbera bezpośrednio do atmosfery lub wytworzeniu w nim podciśnienia przez pompę prożniową. Nie jest możliwa pełna selektywność wypełnień adsorberow na jeden ze składnikow powietrza. Wypełnienia pochłaniające tlen wychwytują rownież pewne ilości azotu i odwrotnie,w instalacjach adsorpcyjnych nie stosuje się odzysku argonu.

Sprężone powietrze jest oczyszczane w filtrach wykonanych z cząstek stałych mogących zablokować

membrany i następnie doprowadzane do wnętrza rurek wykonanych z membran połprzepuszczalnych

wykonanych z polimerow. Tlen i para wodna przenikają przez membrany z intensywnością

około 5 razy większą od azotu. Pozostały w rurkach sprężony azot kierowany jest do

wylotu. Największe z obecnie eksploatowanych systemow membranowych osiągają wydajności

do 600 ton azotu o czystości 90-99% na dobę. W zależności od wymaganej czystości azotu uzyskuje

się wydajność separacji tego gazu z powietrza. Przy czystości 99% ilość azotu wydzielonego

z powietrza wynosi około 50%.

2. Porównanie technologii rozdziału mieszanin gazowych

3. Kriogenika w energetyce – wytwarzanie tlenu na potrzeby spalania tlenowego

• Metody chemiczne wytwarzania tlenu wykorzystują zdolność pewnych materiałów do chemicznego wiązania tlenu w określonych warunkach temperatury i ciśnienia oraz jego desorpcji przy zmianie tych parametrów. Absorbentami mogą być stopione sole (np. azotany i azotyny metali alkalicznych) które wiążą tlen z powietrza oczyszczonego z wody i ditlenku węgla oraz sprężonego do 0,15 - 1 MPa.

• Membrany z transportem jonów - Membrany te są wytwarzane z materiałów ceramicznych i działają przy temperaturach wyższych od 600 ^oC. Cząsteczki tlenu są jonizowane na powierzchni membran i następnie przechodzą przez ich ścianki dzięki przyłożonej różnicy napięć lub różnicy ciśnień parcjalnych tlenu. Jony tlenu są transportowane z dużymi wydajnościami i tworzą za membraną praktycznie czysty tlen. Możliwe jest również wytworzenie gazu syntezowego bezpośrednio za membraną poprzez podanie tam metanu.

• Metody magnetyczne separacji tlenu od azotu lub argony wykorzystują fakt, że tlen jest słabym paramagnetykiem, natomiast azot i argon są diamagnetykami. Wykorzystanie paramagnetyzmu tlenu do jego separacji wymaga wytworzenia silnych pól magnetycznych możliwych do uzyskania dzięki magnesom nadprzewodzącym. Obecnie metody magnetyczne znajdują się we wczesnej fazie badań i nie mają znaczenia technicznego.

2. Kriogeniczne chłodziarki sorpcyjne

3. Własności helu – wykres fazowy

2. Własności helu nadciekłego

Nadciekłość – (także nadpłynność) stan materii charakteryzujący się całkowitym zanikiem lepkości

Materia w stanie nadciekłym, puszczona w ruch w dowolnym obiegu zamkniętym, może w nim krążyć bez końca, bez żadnego dodatkowego nakładu energii

W ciągu ostatnich 20 lat nadciekły hel II stał się czynnikiem ziębniczym służącym do kriostatowania

nadprzewodnikow dla bardzo dużych urządzeń badawczych.

Pierwszą dużą instalacją, w ktorej wykorzystano nadciekły hel II jest Continuous Electron

Beam Accelerator Facility CEBAF w USA. Największym obiektem wykorzystującym nadciekły

hel jest akcelerator protonow LHC w CERN, w ktorym na długości 28 km zostanie zainstalowanych

ponad 1200 nadprzewodzących magnesow dipolowych o długości 15 m każdy i kriostatowanych

sprężonym helem II.

Celowość zastosowania nadciekłego helu II jako czynnika ziębniczego wynika przede wszystkim

z jego następujących specyficznych własności:

- niskiej temperatury parowania (niższej od 2,2 K),

- doskonałej przewodności cieplnej, większej o około 1000 razy od przewodności cieplnej miedzi

beztlenowej w tej samej temperaturze,

- bardzo dobrej wymiany ciepła na granicy ciecz-ciało stałe, ograniczonej jedynie oporem Kapicy.

• W trakcie wymiany ciepła pomiędzy nadciekłym helem i ciałem stałym pojawia się opór cieplny Kapicy powodujący skokową różnicę temperatur. Opór Kapicy wynika z przekazywania energii od cieczy o doskonałej przewodności cieplnej do sieci krystalicznej ciała stałego i jest odwrotnie proporcjonalny do temperatury ciała podniesionej do trzeciej potęgi.