Porównanie obiegów i konstrukcji chłodziarek Joule-Thomson’a, Claude’a, Stirlinga i McMahona.

Joule Thomson (Lind-Thomson).

W obiegu tym niskie temperatury uzyskuje się wykorzystując dodatni efekt Joule’a-Thomsona

.Zasada działania :gaz o ciśnieniu „p”i temp. T

0

przepływa przez wysokociśnieniowy kanał rekuperacyjnego

wymiennika ciepła ,a następnie przez zawór dławiący, w którym rozpręża się i oziębia .Zimny gaz
(rozprężony) o powraca przez wymiennik ciepła (kanałem niskociśnieniowym), ogrzewa się do temp T

1’

<T

0

i opuszcza skraplarkę uchodząc do np.:atmosfery. Na skutek oziębiania kolejne porcje sprężonego gazu ,
dopływające do zaworu ,będą miały coraz niższą temperaturę. Po osiągnięciu dostatecznie niskiej temp.i
po zdławieniu w zaworze gaz się skrapla .Ilość skroplonego gazu stanowi 5-6% ogólnej masy strumienia
dopływającego. Skroplony gaz gromadzi się w zbiorniku (naczyniu Dewara).W momencie rozpoczęcia
skraplania ustala się temperatura za zaworem dławiącym , która zależy tylko od ciśnienia p

0

.Następuje

stabilizacja pracy skraplarki. Procesem, dzięki któremu uzyskuje się obniżenie temperatury czynnika w
skraplarce jest dławienie.
Dławieniem nazywa się taki proces, który realizuje się w przepływającym płynie wskutek nagłej zmiany
przekroju przewodu. Zaburzenie jakie powstaje w płynie w miejscu przewężenia przekroju powoduje
niestatyczność procesu i tym samym nieokreśloność parametrów i funkcji stanu przepływającego płynu.
Jeśli przewód, w którym zachodzi dławienie jest adiabatycznie izolowany wtedy proces jest
izoenergetyczny.

Bilans skraplarki Joule-Thomsona
Ogólny bilans urządzenia kriogenicznego będącego w stanie stacjonarnym ma postać:

0



















i

i

i

i

Q

h

M

W

,

gdzie:



W – moc,



M – strumień masy,



Q – strumień ciepła.

W przypadku skraplarki Joule-Thomsona ogólne równanie przyjmie postać:

Rys. 2. Odwzorowanie obiegu J-T na wykresie
T-s, 1-2 sprężanie (odbywające się poza
układem), 2-3 obniżanie temperatury prze
stałym ciśnieniu w wymienniku ciepła, 3-4
dławienie w zaworze J-T, 4-5 parowanie
cieczy w parowaczu przy stałym ciśnieniu i
temperaturze, 5-1’ ogrzewanie czynnika przy
stałym ciśnieniu w wymienniku ciepła, 1’-1
dogrzanie czynnika przy ciśnieniu
atmosferycznym.

Rys. 1. Skraplarka Joule-Thomsona
(schemat), I - butla, II - zawór regulacyjny,
III - wymiennik ciepła, IV - zawór
dławiący, V – parowacz, p – ciśnienie, T –
temperatura, q – strumień ciepła

0

)

(

'

1

0

2





















Q

h

m

M

h

m

h

M

Gdzie



M - strumień gazu dopływajacego do skraplarki,



m - strumień gazu skroplonego, h

o

– entalpia

właściwa skroplonego gazu,



Q - całkowite dopływy ciepła do skraplarki.

Wprowadzając pojęcie względnej wydajności skraplania







M

m

x

/

(potocznie zwanej wydajnością

skraplania) po przekształceniu równania (14) otrzymuje się:

q

h

h

h

h

x









2

'

1

0

'

1

)

(

gdzie







M

Q

q

/

i oznacza dopływy ciepła przypadające na jednostkowy strumień gazu dopływającego do

skraplarki.

Po wprowadzeniu

c

p

T

c

h

h







1

'

1

,

'

1

1

T

T

T

c







oraz

2

1

h

h

h

T







otrzymuje się:

0

1

h

T

c

h

q

T

c

h

x

p

c

p

T

















Wydajność skraplania zależy od ciśnienia p

2

strumienia gazu tłoczonego przez kompresor do skraplarki.

Wzrost wydajności chłodniczej następuje tylko do ciśnienia p

2

=p

inv

.po przekroczeniu p

inv

wydajność

maleje.

Zużycie mocy w obiegu ,przypadające na 1 kg skroplonego gazu

x

p

p

RT

W



















1

2

0

0

ln

,gdzie



-sprawność

sprężarki, R- stała gazowa
Obieg ten odznacza się wielką prostota i niezawodnością ,ponieważ w skraplarce nie występują części
ruchome ,pracujące w niskich temp. Jest to obieg o niskiej sprawności termodynamicznej nie
przekraczającej kilku procent , spowodowana fizycznymi właściwościami gazów roboczych , a także
stratami mającymi swe źródło w nieodwracalności procesów dławienia i wymiany ciepła. Wykorzystywany
jest przedewszystkim do budowy mikroskraplarek przeznaczonych do chłodzenia np.: detektorów
podczerwieni ,laserów itp.mikroskraplarki te wytwarzają niewielki moce chłodnicze w objętościach
ograniczonych do kilku cm

3

.Podstawową zaletą tych urządzeń jest krótki czas rozruchu, który dla

niektórych mikroskraplarek wynosi kilka sekund. Rozmiary gabarytowe mikroskraplarek dławikowych leżą
w granicach :średnica 4-20 mm długość wymiennika ciepła 20-200mm.

Claude -cykl z izentropowym rozprężaniem.

T

4

1

1'

Tc

p

1

p

2

s

T 3

6'

4s

6

3

5

6"

T" C

T o

2

p 1

<

p 2

M-D

0,5

p 2

<

p

3

p3=

20

MP

a

Ilość energii

na jednostke

skroplonego

gazu.

Minimum ucieka w prawo dla większych ciśnień.

1

)

(

4

3

4

3

4

3















s

s

s

h

h

h

h

h

h

D

W





D-ilość gazu w rozprężarce
Bilans:

0

)

(

)

(

'

1

'

6

4

3

2















h

m

M

mh

h

h

D

Q

Mh

s

s



Dzieląc przez M mamy:

0

)

(

'

1

'

1

'

6

4

3

2















xh

h

xh

h

h

M

D

q

h

s

s



ostatecznie wydajność skraplania:

'

1

'

6

'

1

4

3

2

)

(

h

h

h

h

h

M

D

q

h

x

s

s





















M

m

x

ailośilośc

ogó

negogazu

iloślośćda

M

ln





]

Zasada działania: Sprężony gaz o ciśnieniu p

2

oziębia się do T

3

w wymienniku I. W punkcie 3

strumień sprężonego gazu M rozdziela się. Część D przepływa przez rozprężarkę R, gdzie rozpręża się do
ciśnienia p

1

i oziębia. Druga część strumienia M-D ochładza się w wymiennikach ciepła II i III i zostaje

zdławiona w zaworze dławiącym Z do ciśnienia p

1

. w stanie stacjonarnym po zdławieniu gazu w zaworze,

część strumienia m skrapla się i gromadzi w zbiorniku skroplin C. Gaz nieskroplony w ilości M-D-m
przepływa przez wymiennik III, a następnie przez wymienniki II i I. W wymienniku II gaz nie skroplony
miesza się z gazem z rozprężarki i przez wymiennik II i I płynie strumień gazu w ilości M-m.

W tym obiegu gaz oziębia się w procesie dławienia oraz podczas ekspansji w rozprężarce.

Obieg Claude`a
OPIS DO SCHEMATU: Powietrze sprężone do stanu 1 i ochłodzone (przyjmujemy teoretycznie
izotermiczne) do stanu 2 jest kierowane do wymiennika ciepła. W celu uzyskania lepszego wychłodzenia
gazu sprężonego przed zaworem dławiącym (stan6), z rurociągu wysokociśnieniowego w wymienniku
ciepła w punkcie 3 pobiera się gaz i kieruje do adiabatycznej rozprężarki. Następnie tak wychłodzonym
gazem doziębia się gaz pozostały w rurociągu wysokociśnieniowym. W ten sposób gaz w stanie 6 ma niższą
temperaturę przed zaworem dławiącym niż w skraplarce Lindego.

Bilans masy:







W

M H

Q

i

i

i

1

0











( 

 )

(

)

/: 



(

)

(

)

(

)

'

'

'

Mh

mh

M

m h

D h

h

Q

M

h

xh

h

xh

D

M

h

h

q

stad

wydajnosc

skraplania

x

D

M

h

h

h

h

q

h

h

D

M

h

h

h

c

T

q

h

h

c

T

s

s

s

s

s

s

s

T

p

C

p

2

0

1

3

4

2

0

1

1

3

4

3

4

1

2

1

0

3

4

1

0

0

0

















 





 







































Stirling

Obieg Stirlinga utworzony jest z dwu izochor i dwu izoterm. Odwzorowanie obiegu w ukladzie

p-V pokazano na rys 4,4 a na 4,5 pokazano zasadę działania chłodziarki. W cylindrze umieszczono dwa
tłoki K i E tworząc zamkniętą przestrzeń, w której umieszczono regenerator R. Lewa część cylindra
znajduje się w tem. otoczenia T

o

prawa w tem. T

E

( tem. kriostatowania) Obieg można podzielić na cztery

etapy:
1. Sprężenie izotermiczne (1-2). Tłok E jest nieruchomy. Tłok K porusza się w prawo, Sprężając gaz.

Ciepło sprężenia jest oddawane do otoczenia, dzięki czemu utrzymuje ssię stała tem. spręz. T

o

2. Izochoryczne oziębienie gazu w regeneratorze (2-3) Oba tłoki przemieszczają się w prawo, wywołując

przepływ gazu przez regenerator R. W regeneratorze gaz oziębia się do temperatury T

E

, a jego ciśnienie

nie maleje.

3. Rozprężenie izotermiczne (3-4) Tłok K jest nie ruchomy. Tłok E porusza się w prawo . Gaz rozpręża się

i obniża swoją tem. Wskutek dopływu ciepła q od chłodzonego obiektu – temperatura gazu nie zmienia
się i pozostaje równa T

E

4. Izochoryczne ogrzewanie gazu (4-1) Obydwa tłoki z jednakową prędkością przesuwają się w lewo,

wywołując przepływ gazu przez regenerator. Gaz ogrzewa się w regeneratorze do temperatury T

o

, a

jego ciśnienie wzrasta. Kiedy tłok E osiągnie górny punkt martwy, a tłok K dolny martwy punkt, obied
się kończy

Gilford - McMahon.

Q

V

zi

mna

V

ci

epła

ciepłe
uszczel
nienie

przetłac
zacz

kom
ora

~1 bar

~ 5
bar

wlot

wy
lot

1

2

3

4

p

V

T

o

- temperatura otoczenia

T

1

- temperatura gazu dopływającego do komory V

c

p

1

- ciśnienie min.

T

- temperatura gazu który opuścił komorę

1. NAPEŁNIANIE ( 1 - 2 )
Przetłaczacz znajduje się na dole, część ciepła komory ma max. objętość, zawór wlotowy jest otwarty a
napływający gaz o temp. T

1

miesza się z pozostałościami poprzedniego cyklu, ogrzewa się izochorycznie od

ścianek. Po zakończeniu procesu napełniania temp. gazu T

f

może wzrosnąć powyżej T

o

. Nastąpi wówczas

wymiana ciepła q z otoczeniem.

Po zakończeniu procesu napełniania ilość gazu w komorze:

f

c

T

R

V

p

N







2

2. PRZETŁACZANIE ( 2 - 3 )
Zawór wlotowy jest nadal otwarty, przetłaczacz przemieszcza się w górę wypychając gaz z komory ciepłej,
przez zimny po ostatnim cyklu regenerator do komory zimnej. Gaz przepływając przez regenerator oziębia
się izobarycznie do temp T

r

czemu towarzyszy zmniejszenie objętości, więc wyrównanie ciśnienia następuje

przez uzupełnianie gazu przez otwarty zawór o



N.

Uzupełnienie o























f

r

T

T

R

p

V

N

1

1

2

2

3. WYPŁYW ( 3 - 4 )
Zamyka się zawór wlotowy i otwarcie zaworu wylotowego pozwala na swobodną ekspansję ochłodzonego
gazu. Jest to proces zimnotwórczy którego efektywność jest tym wyższa im większa jest różnica ciśnień p1 i
p2.

Temperatura spada o





















2

1

1

1

p

p

T

T

r





Ekspandujący gaz przepływając przez regenerator oziębia go. Proces trwa do wyrównania ciśnienia z V

zimnej

z ciśnieniem na zaworze wylotowym.
4. OPRÓŻNIANIE ( 4 - 1 )
Przemieszczacz poruszając się w dół wypycha nadmiar gazu z zimnej komory przez otwarty zawór
wylotowy.
Najważniejszą rolę pełni tutaj regenerator, którego pojemność cieplna pozwala na przeprowadzanie procesu.
Materiał regeneratora w b. niskich temperaturach traci swą pojemność cieplną, dlatego wykorzystuje się
pierwiastki ziem rzadkich posiadających właściwości magnetyczne. Mają one pewne maksima pojemności
cieplnej i dlatego buduje się wymienniki w formie plastrów z różnych materiałów skutecznych w pewnych
zakresach temp.