background image

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: 

 – moc, 

 – strumień masy,  

– 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 

background image

0

)

(

'

1

0

2

Q

h

m

M

h

m

h

M

   

 

 

     

Gdzie 

- strumień gazu dopływajacego do skraplarki, 

- strumień gazu skroplonego, h

– entalpia 

właściwa skroplonego gazu, 

 - 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

1

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.

 

background image

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. 

background image

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
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

 

background image

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 

background image

 
T

- temperatura otoczenia 

 

T

- 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.