Sistemul Linde

7/24/2019 Sistemul Linde

1/21


2/21

*ela"ia !# arat c un ciclu este similar cu o transformare i'oterm0 c&iar

dac ener)ia internvaria' n timpul ciclului, cnd ciclul s-a nc&eiat ener)ia

sistemului este identic cu cea din momentul nceperii ciclului.

2ac ciclul se desfoar de-a lun)ul $uclei n sens orar, este vor$a de un ciclu

motor, care produce lucru mecanic, consumnd cldur, iar dac ciclul sedesfoar de-a lun)ul $uclei n sens tri)onometric, este vor$a de un ciclu

generator, care consum lucru mecanic, pompnd cldur. +emple de cicluri

motoare0 ciclul motorului cu ardere intern,ciclul termocentraleloretc. +emple

de cicluri )eneratoare0 ciclul dup care func"ionea' un fri)idercu compresie,

ciclul unei pompe de cldur.

Studiul proceselor termodinamice din ciclurile crio)enice n

)eneral i a celor cu Heliu n particular, evidentia' contri$u ia termodinamicii la perfec ionarea procedeelor de lic&efiere i de'voltarea fenomenului de supraconducti$ilitate care se manifest la temperaturi foarte /oase, au permis utili'area&eliului n numeroase aplica ii din industria c&imic, nuclear, electrote&nic, aerospa ial i militar.

%ema te'ei de doctorat privind studiul proceselor termodinamice din ciclurile crio)enice cuHeliu este de actualitate i pre'int un interes aparte al speciali tilor datorat comportrii i caracteristicilor acestui element iar preocuprile lor sunt n domeniul tiin ific, te&nic i al cercetrii eperimentale.

3aterialul este structurat n nou capitole i 14 de pa)ini, iar materialul $i$lio)raficcon ine 156 de titluri din care 5 apar in autorului. (e capitole te'a tratea'0

1. 7ntroducere. Studiul sistemelor crio)enice cu Heliu

5. 8nali'a termodinamic a instala"iilor crio)enice cu Heliu

9. :ptimi'area termodinamic a sistemelor crio)enice cu Heliu

;. 3odelul matematic pentru instala ia crio)enic Linde L;


3/21

aproimativ 16)@s &eliu la o presiune ntre 161$ar i o temperatur de aproimativ566A.

(rin con"inutul su, te'a dorete s eviden"ie'e studiul proceselor termodinamice dinciclurile crio)enice cu Heliu, ca domeniu comple, desc&is, anali'nd procesele iciclurile termodinamice reale pe $a'a ireversi$ilit"ii, comportrii diferitelor sistemecrio)enice la modificarea parametrilor constructivi i func"ionali. 8stfel, no"iunea deireversi$ilitate

repre'int un instrument si)ur de investi)a"ie teoretic i eperimental a proceselortermo-dinamice de lucru care se desfoar n sistemele crio)enice, cu posi$ilitatea de a

m$unt"i performan"ele acestora n conformitate cu domeniul de aplicare.

(rocedurile de optimi'are ale instala iei crio)enice de lic&efiere a Heliului de tip Linde L;au fost reali'ate pe mai multe direc ii le)ate de modificri te&nice, procedura de punere nfunc iune, procedura de monitori'are a parametrilor termodinamici principali, preluareadatelor eperimentale o$ inute i interpretarea acestora.

n capitolul 1 B7ntroducereC se face o pre'entare )eneral a su$iectului tratat,

eviden iindu-se premi'ele i caracterul de actualitate al pro$lemelor le)ate de studiul termodinamic al ciclurilor cu &eliu, cu accent asupra ireversi$ilit ii proceselor de lucru dinsistemele crio)enice n scopul m$unt irii performa elor acestora.

n capitolul BStudiul sistemelor crio)enice cu &eliuC se pre'int propriet i fi'ico-c&imiceale &eliului !parametrii critici i ai punctului B C, cldura latent de vapori'are, densitatea,conductivitatea termic, vsco'itatea dinamic, cldura specific, dia)rama fa'eloramestecului de 5He i 9He, cur$a de inversiune, etc#, dup care se anali'ea' tipuri deinstala ii pentru separarea &eliului, instala ii crio)enice de lic&efiere a &eliului !Linde- HampsonD laude, Heilandt i ollinsD Aapit'a#. n compara"ie cu procesele clasice dete&nica fri)ului, $a'ate pe ciclul de comprimare cu vapori, procesele de rcire n crio)eniepre'int o serie de particularit"i0

1 scderea temperaturii a)entului de lucru, n ca'ul de fa" &eliu, se poate o$"ineprin dou procese0 laminare !destindere la entalpie constant#, sau prin detent!destindere la entropie constant#. *cirea prin laminare este limitat de domeniulcuprins de cur$a de inversiune a HeliuluiD

scderea cldurii latente de vapori'are odat cu scderea temperaturii,repre'int o particularitate a HeliuluiD

5 anali'a eer)etic a pierderilor n sc&im$toarele de cldur prin creterea deentropie.

n final se trec n revist cerin ele minime care apar la reali'area, eploatarea i

ntre inerea unui sistem crio)enic.

apitolul 5 B8nali'a termodinamic a instala iilor crio)enice cu &eliuC pre'int n detaliu0

importan a efectului Eoule-%&omson la laminarea )a'elor i vaporilor, destinderea

adia$atic, anali'a eer)etic a unui sistem desc&is, teorema lui FouG-Stodola, ecua ia

$ilan ului eer)etic. 2estinderea adia$atic se $a'ea' pe le)tura dintre temperatur i


4/21

presiune pentru un proces real !ireversi$il#. Heliul care circul printr-o sec"iune o$turat,

de tip diafra)m 2, sau printr-un ventil de re)la/ * sufer o scdere a presiunii i o

varia"ie de temperatur !po'itiv sau ne)ativ# denumit efect Eoule-%&omson. n

ma/oritatea proceselor de rcire i n toate care repre'int o lic&efiere, sunt utili'ate

am$ele procese0 prercirea )a'ului prin detent i lic&efierea propriu 'is prin laminare.8nali'a termodinamic a ciclurilor crio)enice urmrete o analiz energetic !care

conduce la determinarea parametrilor a)entului termodinamic i a mrimilor caracteristice

ciclului - putere fri)orific, putere mecanic, de$it de a)ent termodinamic lic&efiat, etc.# i

o analiz exergetic !care pune n eviden" ireversi$ilit"ile din sistem#.

(rincipalele ireversi$ilit"i interne sunt0

1 frecarea !frecarea cau'at de eisten"a visco'it"ii a)en"ilor de lucruD fenomenulde laminareD frecarea mecanic dintre diferite or)ane de maini#D

diferen"a finit de temperaturD

5 amestecarea )a'elor de compo'i"ii diferiteD

(rincipalele ireversi$ilit"i eterne sunt0

1 diferen"ele finite de temperaturD

diferen"ele finite de presiune.

Studiul proceselor termodinamice ireversi$ile din sistemele crio)enice s-a $a'at peteorema FouG-Stodola, care definete i permite eprimarea pierderilor cau'ate deireversi$ilitatea intern i etern a unui proces termodinamic, ce con"ine un numr desurse de entropie. (ierderile se o$"in multiplicnd temperatura mediului am$iant cucreterea entropiei sistemului termodinamic )enerali'at, ca urmare a ireversi$ilit"ilorinterne i eterne. Se dau eemple de calcul pentru $ilan urile ener)etice i eer)etice la cicluri de lic&efiere a He cu un tur$odetentor i respectiv dou tur$odetentoare.

n capitolul 9 B:ptimi'area sistemelor crio)enice cu &eliuC se pre'int criteriile deoptimi'are, indicatorii te&nico-economici, costurile specifice, durata de recuperare ainvesti iei, considera ii termodinamice le)ate de consumul ener)etic, pierderile de eer)ie i reducerea costurilor de eploatare, precum i informa ii despre te&nolo)ia crio)enic

actual. Se anali'ea' eer)etic 'onele0 compresorului, sc&im$torului de cldurrecuperator, tur$odetentorului, ventilului de laminare, separatorului de lic&id i pe $a'aconsidera iilor termo-economice se sta$ilesc durata de recuperare a investi iei !rata amorti'rii# i costul unit ii de ener)ie economisit prin condi ia de minimi'are a pierderilor de eer)ie i, n final, a costului total anual al instala iei crio)enice. 8nali'a termoeconomic permite studiul optimi'rii 'onelor ce compun instala ia crio)enic delic&efiere a &eliului, innd cont c aceasta tre$uie reali'at n func ie de ordinea ec&ipamentelor, proceselor de lucru i evolu ia acestora. (rocedeul de lic&efiere prin


5/21

laminare al &eliului repre'int o solu ie practic i economic datorit reducerilor valorilor importante ale pierderilor eer)etice, cau'ate de ireversi$ilitatea laminrii, diferen elorfinite de temperatur din sc&im$torul de cldur recuperator i comprimrii fluiduluicrio)enic n compresorul instala"iei. Le)tura ntre eer)ie !mrime neconservativ cereflect valoarea oricrei ener)ii n func ie de parametrii si de stare n corela ie cu cei ai mediului am$iant# i numrul de microstri corespun'toare proceselor termodinamice

eviden ia' corela ia dintre pierderile cau'ate de ireversi$ilitatea intern i etern a proceselor termodinamice determinate pe $a'a teoremei FouG-Stodola i reducereacapacit ii maime de transformare n lucru mecanic a ener)iei unui sistem termodinamic.+er)ia constituie $a'a unei anali'e economice corecte, deoarece aceasta se consumi nu ener)ia care este mrime conservativ. erin ele minime care se impun la

reali'area, eploatarea i ntre inerea unui sistem crio)enic sunt0 deci'ia de a implementa un sistem crio)enic tre$uie s se $a'e'e pe anali'e complete n fa'a de proiectarepentru a reali'a cerin"ele de performan" impuseD selectarea n fa'a de proiectare a unuisistem crio)enic pe $a'a criteriilor0 fia$ilitate n func"ionare, frecven"a activit"ilor dementenan -utili'areD reali'area sistemului crio)enic selectat cu costuri minime, frcompromisuri privind fia$ilitatea acestuiaD procedurile de mentenan i utili'are s fie

adresate c&iar i persoanelor fr pre)tire n domeniul sistemelor crio)enice.:ptimi'area fiecrei 'one reali'at cu a/utorul ecua iilor de $ilan eer)etic a eviden iat, pentru fiecare 'on n parte, identificarea parametrilor optimi de reducere a pierderilor idistru)erilor ireversi$ile din sistem, costurilor de mentenan i al pieselor componente, a entropiei a crei cre tere indic )radul de distru)ere a eer)iei, n fiecare 'on asistemului crio)enic. +er)ia anual consumat de ctre o anumit 'on repre'intdiferen a dintre fluul de eer)ie intrat i cel ie it n aceast perioad de timp.

8nali'a eer)etic repre'int o metod etrem de util n atin)erea scopului final alproiectrii i moderni'rii oricrui sistem crio)enic, o$iectiv care const n o$ inerea profitului maim n anumite condi ii preci'ate.

apitolul ; B3odelul matematic pentru instala ia crio)enic Linde L;C, de$utea' cuconsidera ii privind modelarea matematic, fi'ic i eperimental a proceselor i sta$ilirea ecua iilor criteriale fundamentale. Se pre'int modelarea matematic asistemului de lic&efiere prin laminare i destindere adia$atic la componentele montate ncascad i se anali'ea' sistemul de lic&efiere a Heliului din instala ia crio)enic de tip Linde L;, pa $a'a sc&emei unificate a unit ilor de rcire cu recuperare a eta/elor uneicascade crio)enice. 7nstala ia crio)enic de lic&efiere a &eliului reali'at n cascadrepre'int o pro$lem de optimi'are deoarece aduce dou avanta/e0

- primul prin reducerea volumului instala iei crio)enice, ceea ce conduce la costuriminime ale investi iei,

- al doilea re'ult din primul prin reducerea cantit ii de Heliu din sistem i implicit micsorarea consumului de ener)ie.

2ac temperatura n ciclul crio)enic devine din ce n ce mai sc'ut, propriet ile &eliuluise modific i odat cu sc&im$area acestora vom adapta tipul i forma eta/ului de rcire ceea ce conduce implicit ca mrimea i de$itul ve&iculat s scad propor ional cu temperatura.


6/21

unoscnd temperaturile de intrare dintr-un eta/ de rcire, fluurile de su$stan ,randamentul tur$otentorului i capacit ile sc&im$toarelor de cldur se determin univoc temperaturile din ciclul crio)enic de lic&efiere a &eliului.

ondi ia aconstant repre'int condi ia pe care ciclul crio)enic tre$uie s o respecte pentru a reduce la minim )enerarea de entropie i implicit a ireversi$ilit ilor la procesul de sc&im$ de cldur.

Sc&im$toarele de cldur din eta/ele cascadei crio)enice au o comportare care, prinmodelarea matematic, tre$uie s fie determinat n func ie de condi iile de intrare a celor dou fluuri.

onclu'ia re'ultat din anali'a matematic su$ forma acestui model matematic este cunitatea de rcire repre'int elementul c&eie a unei $une func ionri a cascadeicrio)enice, fapt pentru care tre$uie s acordat toat aten ia n activitatea deeperimentare a instala iei crio)enice de lic&efiere a Heliului tip Linde L;. 2eci, n cadruleperimentului, tre$uie comparate cele dou valori0 prima o$ inut din func ionarea componentelor instala iei cu cea re'ultat din modelul matematic astfel nctcoresponden a dintre cele dou s fie dat de un coeficient de corec ie.

apitolul < Bercetri eperimentale utili'nd instala ia crio)enic cu Heliu tip Linde ;Ccuprinde descrierea detaliat a elementelor componente, sc&ema termodinamic,sc&ema de interconeiune dintre elemente, modul de operare cu parametrii caracteristici,etc.

n cadrul cercetrilor eperimentale proprii sunt pre'entate0 anali'e eer)etice ieer)oeconomiceD optimi'area caracteristicilor func"ionale i constructive ale instala"ieicrio)enice cu HeliuD comportarea real a instala"iei crio)enice cu HeliuD func"ionarea reala instala"iei crio)enice cu &eliuD instala"ia de lic&efiere prin destindere adia$at ilaminare - reducerea ireversi$ilit"ii proceselor de lucru ale instala"iilor crio)enice cu &eliu.

7nstala"ia de producere a Heliului lic&id, de tip Linde L;, este automati'at complet ioperea' n vederea purificrii, lic&efierii i relic&efierii &eliului )a' evaporat n sistemulde stocare i care utili'ea' un compresor elicoidal ntr-o sin)ur treapt ce refulea' nprocesul de lic&efiere aproimativ 16)@s &eliu la o presiune ntre 161$ar i otemperatur de aproimativ 566A.

+c&ipamentul de $a' se compune din0 aparatura de lic&efiere, liniile de transfer, vaselede stocare, purificatorul automat, compresorul cu unitatea de separare a uleiului,adsor$erul de ulei, unitatea electronic de control.

8ccesoriile sunt0 tancul de stocare, $ateria de alimentare, unitatea de recuperare,criocomponentele.


7/21

+lemente componente0 1 - ompresorD - as tampon !re)lare#D 5 - Sc&im$toare decldurD 9 I 8dsor$itorD ; I %ur$odetentoareD < - *o$inet intermediarD = - *o$inet Eoule-%&omsonD 4 - Le)tura rcitoruluiD > - Linii de transferD 16 I 2eJarD 11 - 3odulul deprercire cu a'ot lic&idD ircuitul purificatorului0 1 - Supapa de reduc"ieD 15 I UsctorD 19

I ondensatorD 1; I 8dsor$itor.

: caracteristic important a instala"iei crio)enice este faptul c poate lic&efia )a'e,avnd coeficientul EouleI%&omson ne)ativ, la temperatura am$iant. (rin destinderea ntru$odetentoarele instala"iei, )a'ul este adus ntr-o stare din interiorul cur$ei deinversiune.

*epre'entarea sistemic a instala"iei folosind Bmini-sistemeC cu le)turi ntre acestea,este pre'entat n sc&ema de mai /os0

Sc&ema instala"iei crio)enice a fost anali'at pe KminisistemeC, n cadrul crora s-auidentificat punctele de msur i anali'at metodele de optimi'are, astfel0 cold$o, circuitulde rcire al tur$odetentoarelor, circuitul purificatorului, compresorul Aaeser, vasul 2eJar,'ona de separa"ie.


8/21

u aceast oca'ie s-aureali'at unele modificri n cadrul instala"iei crio)enice de lic&efiere a &eliului din semen"ionea'0

modificri te&nice0 ac&i'i"ionarea unui nou sistem inte)rat de vid !pomp preliminar,pomp tur$omolecular, indicator de vid i /o/e de vid preliminar i nalt# a impus ca toatetraseele de vid s fie modificate n conformitate cu noul sistem de vidD sistemul deconectare a traseelor te&nolo)ice !cu furtune metalice#, respectiv de la conectarea princoliere la conectare cu flane.proceduri de optimi'are privind urmrirea parametrilor principali ai procesului te&nolo)ic.

proceduri privind punerea n func"iune a instala"iei0 testarea sistemului de vidare i aetaneit"ii traseelor de alimentareD testarea, n circuit nc&is, a compresorului AaeserDtestarea compresorului auerD testarea electrovalvelor i a sistemelor de automati'are icontrol.

proiectarea i reali'area sistemului de alimentare a tancului de &eliu lic&id.

Sistemul de ac&i'i"ii date a fost conceput pentru a avea o aplica$ilitate lar). 8cesta s-areali'at cu a/utorul modulelor Mield(oint, iar ca softJare a fost folosit La$ieJ I produs

de firma ?ational 7nstruments din %eas, SU8, un program grafic convenional ce aren componen" module specifice necesare testrii i msurrii datelor din proceseleindustriale, simulnd instrumentele utili'ate n automati'are i control. (ro)ramul astfelreali'at se definete ca fiind Binstrument virtualB- !Bt&e softJare is t&e instrumentB#,prescurtat B7C, i este compus din Bfront panelB - interfa"a calculator I utili'ator i BblockdiagramB I codul sursa al pro)ramului n care se re)sesc su$pro)rame !su$7# cuiconurile i coneiunile aferente necesare conectrii lo)ice ntre module de intrare@ieire


9/21

i placa de ac&i'i"ie utili'at de calculator. Sistemul de ac&i'itie a datelor este compus dinurmatoarele module 0

- Mield(oint M(-161 I %ermocuplu cu platin care indic temperatura n 2eJarD%+ 161 I %emperatura de intrare a )a'ului n cold-$oD

%+ 16 I %emperatura de ieire a )a'ului din cold-$o.7-8: destinderea izentalp n ventilul de laminare VL;4 I sarcina termic rece se desparte n dou pr"i0- o frac"iune !! se lic&efia' i este stocat n recipientul 2eJar pentru HeD- cealalt frac"iune !"-#-# intr n curentul secundar al sc&im$toarelor de cldurD>-15O0 ncl'irea i'o$ar a &eliului n circuitul secundar al sc&im$toarelor de cldurD15O-150 pierdere de sarcin pe traseul de conduct pn la intrarea n sc&im$torul decldur +65D


10/21

15-19O0 ncl'irea i'o$ar a &eliului n circuitul secundar al sc&im$toarelor de cldurpn la intrarea n sc&im$torul de cldur +61D19O-190 pierderea de sarcin pe traseul de conduct pn la intrarea n sc&im$torul decldur +61D19-1;0 ncl'irea i'o$ar a &eliului n circuitul secundar al sc&im$toarelor de cldurpn la intrarea n sc&im$torul de cldur +618D

1;-1


11/21

calculele din modelul matematic i re'ultatele eperimentale este, totui, relativ pentruvite'ele fluului a)entului de lucru n scopul etinderii domeniului de vala$ilitate almodelului.%oate datele o$ inute prin msurtori efectuate n punctele sta$ilite ca importante dininstala ia crio)enic de lic&efiere Heliu constituie elementele de $a' pentru anali'atermodinamic privind studierea reducerii pierderilor datorate ireversi$ilit"ii interne a

proceselor de lucru i comparrii valorilor acestora cu cele re'ultate din ecua iile modelului matematic n vederea sta$ilirii unei constante a instala iei crio)enice delic&efiere a Heliului.

n capitolul = B8nali'a termodinamic a datelor eperimentale o$ inute utili'nd instala ia crio)enic cu Heliu tip Linde L;C se compar datele de calcul ale documenta iei te&nicecu cele o$ inute eperimental pe $a'a ecua iilor de $ilan material i ener)etic pe volumele de control identifica$ile n instala ie. 8nali'a termodinamic a proceselor delucru din cadrul ec&ipamentelor ce compun instala ia crio)enic de lic&efiere sereali'ea' n vederea sta$ilirii caracteristicilor i parametrilor de func ionare care influen ea' randamentul de lucru, dar i pentru determinarea unui model func ional ce urmea' a fi o$ inut pe $a'a testelor i eperimentrilor efectuate inclusiv a datelor

o$ inute. Se pre'int sc&emele anali'elor de contur i se sta$ile te frac ia de Heliu lic&id, n condi ii reale de func ionare, iar cu a/utorul parametrilor termodinamici msura i se determin lucrul te&nic real produs de tur$odetentor i randamentul su i'entropic. Seremarc creterea eficien"ei ciclului crio)enic prin dispunerea n cascad a procesului dedestindere prin tur$odetentoare. 7nstala"ia de lic&efiere pre'int o com$ina"ie ntreprocesele de destindere adia$atic !n tur$odetentoare# i procesele de laminare!caracteri'ate de entalpii e)ale nainte i dup efectuarea procesului#. 7n $a'a sc&emelordin fi)urile urmtoare, s-ar putea ima)ina un profil al temperaturilor, respectiv alentalpiilor, n lun)ul procesului de lic&efiere, dar acesta nu poate fi confirmat din lipsacunoaterii n detaliu a comportamentului fiecrui ec&ipament n parte.:ptimi'area func ionrii instala iilor crio)enice de lic&efiere a Heliului, presupune

perfec ionarea metodelor de investi)a ie a proceselor termodinamice de lucru care se desf oar n aceste instala ii, ce tre$uie s conduc la crearea unei $a'e de date specifice acestor tipuri de instala ii.

8nali'a parametrilor instala iei impune adoptarea unor deci'ii referitoare la posi$ileledisfunc ii ale procesului te&nolo)ic n sensul o$ inerii parametrilor optimi de func ionare. 7n acest sens parametrii de func ionare pot fi ncadra i n func ie de depsirea valorilor indicate de parametrii normali ai instala iei crio)enice. 8stfel avem parametrii de mareimportanP01 temperatura de intrare si ie ire la sc&im$toarele recuperatoareD2 presiunea de intrare si ie ire la tur$odetentoareD5 turaPia componentelor din tur$odetentoareD

t&e mac&ines

%&e &elium liuefier is a %M-6, and t&e nitro)en liuefier is a L7?7%-;, $ot& purc&asedfrom SULT+*. %&e %M-6 produces a$out 4 liter liuid &elium per &our, and t&e L7?7%-; produces a$out 6 liter liuid nitro)en per &our. 7t is also possi$le to pre-cool t&e %M-6 Jit& liuid nitro)en and t&ere$G increase t&e production rate to a$out 6 liter liuid&elium per &our.


12/21

t&e control sGstem

7n parallel Jit& t&e ori)inal control sGstems, a neJ more intelli)ent sGstem &as $eendeveloped $G former QrGola$ mana)er HenriQ Laurila. %&e liuefier &as $een re$uilt andimproved in several JaGs t&rou)& t&e JorQ of HenriQ. %&e neJ control sGstem is $ased ona couple of (L-sGstems from Satt ontrol, and fort&-$ased micro controllers from ?eJ

3icros inc. 8nd in t&e center of everGt&in) is an i94< ( t&at coordinates t&e controllers.(oJered $G Linu, of course.

&oJ does it JorQ

Mor refri)eration and liuefication, tJo processes are used, t&e Siemens cGcle and t&eHampson-Linde cGcle.

%&e Hampson-LindecGcle is $ased on t&e Eoule-%&omson effectand is used int&e liuefaction of )ases. R. Hampson and arl von LindeindependentlG filed for patentof t&e cGcle in 14>;

iclul Linde-Hampson ! independentlG patented $G R. Hampson and . von Linde 14>;#is verG similar to t&e Siemens cGcle, ecept t&at t&e epansion-mac&ine is replaced $G aEoule-%&omson orifice in [2]. Mirst a feJ Jords a$out t&e Eoule-%&omson effect. 8 )ascould $e cooled $G lettin) it epand freelG a)ainst t&e atmosp&ere. %&is could $eeplained $G t&at t&e )as Jas doin) a JorQ a)ainst t&e atmosp&ere $G liftin) and@or&eatin) it, and t&ere$G loosin) ener)G in form of &eat. 14; Eoule and %&omson did someeperiments to o$serve a )as, epandin) Jit&out anG JorQ to $e done. %&eG let t&e )asfloJ t&rou)& a pipe Jit& a porous plu) to restrict t&e floJ. %o t&eir surprise t&e )as Jascooled $G passin) t&e plu). %&is could first $e eplained tJentG Gears later $G van derRaals. %&e )as Jas not doin) an eternal JorQ, $ut an internal a)ainst t&e forces$etJeen t&e molecules. R&at Hampson and von Linde did Jas to com$ine Siemens

coolin) mac&ine Jit& Eoules and %&omsons epansion plu), and put to)et&er a complete)as liuefication cGcle. %&e disadvanta)e Jit& t&e Hampson-Linde cGcle is t&at it is verGinefficient in compare to t&e Siemens cGcle at &i)&er temperatures. 8nd dependin) of t&einitial temperature and J&ic& )as is used, it maG not even start to cool doJn. :n t&e ot&er&and, it &as t&e advanta)e over t&e Siemens cGcle $G not &avin) anG movin) parts at t&ecold end.

%&e &elium liuefier !clicQ to enlar)e ima)e#
http://en.wikipedia.org/wiki/Carl_von_Lindehttp://en.wikipedia.org/wiki/Joule-Thomson_effecthttp://en.wikipedia.org/wiki/Liquefaction_of_gaseshttp://en.wikipedia.org/wiki/Carl_von_Lindehttp://en.wikipedia.org/wiki/Carl_von_Lindehttp://en.wikipedia.org/wiki/Joule-Thomson_effecthttp://en.wikipedia.org/wiki/Liquefaction_of_gaseshttp://en.wikipedia.org/wiki/Carl_von_Linde


13/21

%o liuefie &elium a Hampson-Linde cGcle [$lue]is used, $oosted $G a tJo sta)e Siemens

cGcle [red]doin) most of t&e refri)eratin) JorQ. 8s an epansion-mac&ines in t&eSiemens cGcle, tur$ines are used.

%&e nitro)en liuefier JorQs muc& liQe t&e &elium liuefier, $ut instead of &elium t&ecirculatin) )as is air. 8fter t&e compression, moist and car$on-dioide is a$sor$ed inaluminium-oide $eds. %&en t&e air is refri)erated and liuefied $G a Siemens and aHampson-Linde cGcle, /ust as in t&e &elium liuefier. 8nd t&e last step is to distillate t&eliuid air to separate t&e nitro)en from t&e oG)en.
http://kryolab.fysik.lu.se/dokument/e_techn.html#%23


14/21

$bstract7n contrast to t&e ideal case of unlimited si'e recuperator, anG real LindeIHampsonmac&ine of finite si'e recuperator can $e optimi'ed to reac& t&e etreme rates ofperformance. %&e )roup of crGocoolers s&arin) t&e same si'e recuperator is optimi'ed in

a closed form $G determinin) t&e correspondin) floJ rate J&ic& maimi'es its rate of coldproduction. Mor a similar )roup of liuefiers an optimal floJ rate is derived to maimi'e t&erate of production of liuid crGo)en. %&e )roup of crGocoolers s&arin) a constant and)iven floJ rate is optimi'ed $G s&ortenin) t&e recuperator for reac&in) a maimumcompactness measured $G t&e coolin) poJer per unit si'e of t&e recuperator. %&eoptimum conditions are developed for nitro)en and ar)on. %&e relevance of t&is analGsisis discussed in t&e contet of practice of fast cooldoJn EouleI%&omson crGocoolin)..

11 oolin) %ec&niues

%&e $asic idea $e&ind t&is effect is t&at under suita$le conditions a )as inepandin) performs JorQ a)ainst its internal forces. %o satisfG t&is condition,t&e )as is epanded t&rou)& a small no''le or t&rou)& a porous plu) t&at ist&ermallG isolated from its surroundin)s. Mor t&e epansion process no movin)parts are necessarG. %&e epansion under t&eses conditions taQes place atconstant ent&alpG, since t&e epansion no''le performs no JorQ. Under t&econdition 6, it folloJs from !11.# t&at for t&e EouleI%&omson effect,t&e relation !1 ! is valid. Mor an ideal )as t&ere is no temperature c&an)e,since in t&is case t&e ent&alpG is )iven $G ! "!T# Vp# "!T# V $Tand t&erefore does not depend on pressure or volume. 7n contrast, t&e ander Raals euation indicates t&at, for real )ases, a temperature c&an)e must

occur. R&et&er t&e EouleI%&omson epansion leads to t&e Janted coolin) orinstead to a Jarmin), &oJever, depends on t&e pressure and t&e temperatureat J&ic& t&e epansion is performed. 8$ove t&e inversion temperature Tinvand t&e inversion pressurepinv, J&ic& can $e easilG calculated Jit& t&e ander Raals euation, Jarmin) occurs. 7f t&e startin) point of t&e epansionlies in t&ep# dia)ram Jit&in t&e re)ion t&at is $ounded $G t&e so-calledinversion curve, coolin) of t&e )as taQes place durin) t&e epansion. %&is occursat loJ temperatures t&at are not far from t&e condensation temperature.Sli)&tlG a$ove t&is temperature t&e interaction $etJeen t&e )as atoms is sufficientlGstron) so t&at epansion leads to a si)nificant coolin). 7n Mi). 11.=,t&epT dia)ram of nitro)en is s&oJn as an eample. Mor temperatures and

pressures t&at are Jit&in t&e gre% shaded region, $ounded $G t&e inversioncurve, coolin) taQes place durin) a EouleI%&omson epansion.8 looQ at %a$le 11.1 s&oJs t&at for oG)en and nitro)en t&e EouleI%&omson epansion at room temperature leads to a coolin) and t&us )asliuefaction sGstems can $e $uilt on t&is $asis. %&is is not true for &Gdro)enand &elium, since for t&ese )ases t&e EouleI%&omson epansion at roomtemperature leads to a Jarmin). 7n fact, t&e EouleI%&omson epansion is6 166 66 566


15/21

(ressure p @ $ar666966]11.1 Liuefaction of Fases 9;>usuallG onlG t&e last step in t&e liuefaction of &elium, after t&e )as &as $eenprecooled usin) an epansion en)ine.%&e first successful direct air liuefaction usin) t&e EouleI%&omson effect,J&ic& means Jit&out a movin) piston or tur$ine, Jas o$tained simultaneouslG$ut independentlG $G von &inde [;


16/21

liuifiers for t&e industrial supplG of crGo)enic liuids are capa$le of producin)166 tons of oG)en and 1666 tons of nitro)en per daG in one facilitG.'&( Linde)*ampson refrigerators and li+uefiersMi)ure 1.14 s&oJs an ideal LindeIHampson liuefier, ori)inallG invented $G arlvon Linde and Rilliam Hampson independentlG in 14>; to liuefG air. 7n an idealliuefaction sGstem, t&e )as to $e liuefied is compressed isot&ermallG at am$ient

1.> LindeIHampson refri)erators and liuefiers 1>productLiuidseparatorMeed 9ompressor1 ;(&aseHeat ec&an)er E-% valve5

).n n (. .(.(, c.nn

n1 o,/old ox%ig& '&'8& 7deal LindeIHampson liuefaction process.+vaporator9ompressor1 ;Heat ec&an)er E-% valve

5)1. c. n.1o


17/21

./old ox%ig& '&'(& 7deal LindeIHampson refri)erator.temperature.; %&e &i)&-pressure )as is cooled in a &eat ec&an)er $G t&e return!loJ-pressure# stream and epanded to t&e desired pressure in a t&rottlin)!constantent&alpG#

device, more often called t&e E-% valve. %&e liuid and )aseous p&ases areseparated in t&e p&ase separator, and t&e unliuefied )as is used to cool t&e&i)&pressurestream in t&e &eat ec&an)er. Rit& a minor c&an)e, t&e LindeIHampsonliuefier can $e used to provide refri)eration at constant temperature, as s&oJn inMi). 1.1>.%&e LindeIHampson refri)eration@liuefaction process can $e represented on Tsand Th planes as s&oJn in Mi)s. 1.6 and 1.1.

8detailed studG of t&eLindeIHampson sGstems operatin)Jit& pure fluids is a prereuisiteto understandin) t&e operation of t&e LindeIHampson and ot&er processesoperatin) Jit& )as mitures.

8n ener)G $alance over a control volume t&at includes t&e &eat ec&an)er, t&eepansion valve, and t&e p&ase separator !cold $o# of a LindeIHampson liuefier!Mi). 1.14# )ives(n& 2 (nf &f . (n X (nf @&;0 !1.5;#; 7n practical sGstems, t&e &eat of compression is normallG re/ected to a coolant in anaftercooler.6 1 Mundamental principles and processes%emperature, T3ntrop%4 s2 56

7( g200 ar5 ar,itrogen5 ar%ig& '&.& %Gpical LindeIHampson liuefaction@refri)eration sGstem operatin) Jit&nitro)enas t&e JorQin) fluid. 1

59;)f%emperature, T+nt&alpG, h200 ar


18/21

5 ar,itrogen5 ar%ig& '&'& %Gpical LindeIHampson liuefaction@refri)eration sGstem operatin) Jit&nitro)enas t&e JorQin) fluid.

%&e fraction of t&e )as t&at )ets liuefied on epansion is QnoJn as t&e liuidGield !Y # and can $e epressed in terms of t&e ent&alpG of t&e JorQin) fluid in t&ecase of a LindeIHampson liuefier usin) t&e a$ove euation as folloJs0liuid Gield, Y 2 (nf(n 2&; X &&; X &f0 !1.5 LindeIHampson refri)erators and liuefiers 1%&e temperature of t&e loJ-pressure return )as at t&e eit of t&e &eat ec&an)er!stream ;# depends on t&e effectiveness of t&e &eat ec&an)er used. 7n t&e case of an

ideal &eat ec&an)er operatin) Jit& pure fluids and a &eat ec&an)er effectivenessZ 2 166, %; 2 % 2 %1. 7t can $e o$served from Mi). 1.1 t&at t&e numerator in+. !1.5


19/21

$G t&e epressionX \Y\p

X% 2 6 or X\&\p

X% 2 6 or XEX%.p@ %2%2 60 !1.5=#< %&e EouleI%&omson coefficient !XEX%# is 6.1, 6. =22 =

,itrogen^ _00,50,20,60,70 500 200 600 700 00 ?00 >00


20/21

&i'uid %ield4 9:perating pressure4 p ar =20 =22 =

/01gen^ _

2222T 2 @ 200 =T 2 @ 22 =%ig& '&& ariation of liuid Gield Jit& temperature of t&e streams at t&e Jarm end of anideal&eat ec&an)er of a LindeIHampson liuefier operatin) Jit& different fluids !p1 1 $ar#.

%&ecompression process &as $een assumed to $e isot&ermal and t&e &eat ec&an)ereffectivenessZ 2 1.


21/21

Documents

Sistemul Linde