Chłodziark˛e J–T mo˙zna podzieli´c na dwa podsystemy - kriogeniczny (umieszczony naczyniu pró˙zniowym) i chłodniczy (komponenty znajduj ˛a si˛e w warunkach otoczenia) (rys. 3b). Podsystem chłodniczy został zbudowany z komercyjnie dost˛epnych kompo-nentów chłodniczych. Zastosowano hermetyczn ˛a spr˛e˙zark˛e tłokow ˛a Maneurop MTZ80, odolejacz Danfoss OUB 1 oraz lamelow ˛a chłodnic˛e z wentylatorem. Podsystem krioge-niczny składa si˛e z dwóch miedzianych wymienników wykonanych w technologii rura w rurze oraz dwóch zaworów kriogenicznych marki Velan. Chłodziark˛e zaprojektowano w sposób umo˙zliwiaj ˛acy skroplenie gazów doprowadzonych z zewn ˛atrz (linia przery-wana na rys. 3a), jednak niniejszej pracy skupiono si˛e na wyznaczeniu mocy chłodniczej za pomoc ˛a grzałki, dlatego ww. komponenty nie zostały wykorzystane podczas pomia-rów.
Rys. 3: a) Schemat chłodziarki J–T z zaznaczonymi punktami pomiarowymi: a – spr˛e˙zarka, b – odolejacz, c – chłodnica, d – wymiennik rekuperacyjny, e — zawór dławi ˛acy, f – parownik, g – grzałka, elementy systemu chłodzenia oleju (h – filtr oleju, i – płytowy wymiennik ciepła, j – zawory odcinaj ˛ace, k – pompa
oleju), b) Zdj˛ecie chłodziarki J–T
Wszystkie elementy podsystemu kriogenicznego owini˛ete s ˛a wielowarstwow ˛a izo-lacj ˛a kriogeniczn ˛a – MLI (z ang. Multi Layer Insulation) oraz umieszczone w zbior-niku pró˙zniowym, ˙zeby zminimalizowa´c dopływy ciepła od otoczenia. Na parowzbior-niku zamontowano grzałk˛e wykonan ˛a z drutu oporowego, która umo˙zliwia wytworzenie ob-ci ˛a˙zenia cieplnego chłodziarki, w celu weryfikacji jej wydajno´sci chłodniczej. Pomiar temperatur odbywa si˛e z wykorzystaniem termometrów oporowych Pt-100. Pomiar ci-´snie´n realizowany jest przez manometry analogowe oraz cyfrowe. Na rysunku 3a
zazna-Badanie chłodziarki Joule-Thomsona o wydajno´sci projektowej 50 W,... 103
czono równie˙z elementy systemu chłodzenia oleju znajduj ˛acego si˛e w spr˛e˙zarce, w które chłodziarka została wyposa˙zona po wst˛epnych badaniach, co omówiono w dalszej cz˛e-´sci artykułu. System chłodzenia oleju składa si˛e z filtra oleju, płytowego wymiennika ciepła chłodzonego wod ˛a, pompy oleju oraz dwóch zaworów odcinaj ˛acych (rys. 3a). 3. WYNIKI POMIARÓW
Wykonanie pomiarów z wykorzystaniem chłodziarki J–T poprzedziła procedura napełniania instalacji poszczególnymi składnikami mieszaniny. Przed rozpocz˛eciem pomiarów w instalacji wytworzono pró˙zni˛e, nast˛epnie dodano poszczególne składniki mieszaniny, notuj ˛ac mas˛e doprowadzonego gazu.
Instalacj˛e napełniono mieszanin ˛a o udziałach molowych poszczególnych składni-ków wynosz ˛acych: azot – 0,2, metan – 0,3, etan – 0,1, propan – 0,2, izobutan – 0,2. Po uzyskaniu odpowiedniego składu mieszaniny uruchomiono chłodziark˛e. Wyniki para-metrów pracy podczas pierwszego uruchomienia przedstawiono na rys. 4 (chłodziarka nie była jeszcze wtedy wyposa˙zona w system chłodzenia oleju).
Rys. 4: Wykres temperatur w charakterystycznych punktach chłodziarki podczas pierwszego uruchomienia Jak mo˙zna zauwa˙zy´c, temperatura tłoczenia szybko wzrastała i po upływie 15 mi-nut wynosiła ju˙z ponad 375 K. Po 25 minucie pomiaru zbli˙zała si˛e do dopuszczalnej warto´sci (przekroczyła 390 K), dlatego pomiar został przerwany. Ci´snienie tłoczenia wynosiło 2200 kPa. W kolejnych próbach problem zbyt wysokiej temperatury tłocze-nia powtarzał si˛e, nawet przy próbie obni˙zetłocze-nia ci´snietłocze-nia tłoczetłocze-nia poni˙zej 2000 kPa. Ze wzgl˛edu na du˙z ˛a zawarto´s´c azotu i metanu, których stosunek cp/cvwynosi odpowiednio 1,4 oraz 1,31, temperatura tłoczenia po spr˛e˙zaniu od ci´snienia 100 kPa do ok 2000 kPa znacznie przekracza 420K. Z tego powodu chłodziark˛e wyposa˙zono w układ chłodzenia oleju (rys. 3a). Ze wzgl˛edu na konstrukcj˛e hermetycznej spr˛e˙zarki tłokowej, wi˛ekszo´s´c ciepła pochłaniana jest przez olej znajduj ˛acy si˛e w karterze. Dlatego niezb˛edne jest jego chłodzenie, co umo˙zliwia utrzymanie temperatury tłoczenia na odpowiednim poziomie. Korzystny efekt zastosowania systemu chłodzenia oleju został pokazany na rys. 5,
Badanie chłodziarki Joule-Thomsona o wydajno´sci projektowej 50 W,... 105
Rys. 6: Parametry pracy chłodziarki podczas pomiarów wydajno´sci chłodniczej
Ci´snienie za zaworem dławi ˛acym wynosiło 140 kPa (40 kPa nadci´snienia), a ci-´snienie tłoczenia wynosiło 2300 kPa. W celu oszacowania efektywno´sci energetycznej chłodziarki, odczytano warto´s´c wydajno´sci obj˛eto´sciowej spr˛e˙zarki, która dla modelu MTZ80 wynosi ˙V =23,63 m3/h. Znaj ˛ac skład, ci´snienie oraz temperatur˛e mieszaniny na ssaniu spr˛e˙zarki, w oparciu o równanie stanu Penga-Robinsona, z wykorzystaniem ´srodowiska Aspen HYSYS wyznaczono g˛esto´s´c mieszaniny ρ = 1, 52 kg/m3. Nast˛ep-nie obliczono strumie´n masy mieszaniny (równ. (3))
˙ m = ρ · ˙V = 1, 52 kg m3 ·23, 63m 3 h = 35, 9 kg h (3)
Znaj ˛ac parametry na ssaniu oraz tłoczeniu spr˛e˙zarki, wyznaczono prac˛e spr˛e˙zania, która jest równa ró˙znicy entalpii mieszaniny na pocz ˛atku i na ko´ncu spr˛e˙zania h2 − h1 = 2305 kJ/kg −1881 kJ/kg = 424 kJ/kg. Znaj ˛ac strumie´n masy oraz prac˛e obiegu, oszacowano moc pobieran ˛a przez spr˛e˙zark˛e (równ. (4)).
Pspr= ˙m · (h2− h1) = 35, 9 kg h ·424
kJ
kg = 4, 23 kW (4)
Korzystaj ˛ac z obliczonej warto´sci mocy pobieranej przez spr˛e˙zark˛e Pspr =4,23 kW oraz znanej wydajno´sci chłodniczej Q = 50 W wyznaczono efektywno´s´c energetyczn ˛a chłodziarki (równ. (5)).
COP = Q
Pspr
= 50 W
4230 W = 0, 012 (5)
Uzyskana efektywno´s´c jest niewielka, jednak nale˙zy j ˛a odnie´s´c do obiegu Carnota (obie-gu idealnego). Obieg Carnota mo˙zna zapisa´c za pomoc ˛a temperatury ´zródła górnego
oraz dolnego. W rozpatrywanym przypadku temperatura ´zródła dolnego reprezento-wana jest przez najni˙zsz ˛a uzyskan ˛a temperatur˛e i wynosi T5 =101 K, a temperatura ´zródła górnego jest równa temperaturze otoczenia T1 = 293 K. Efektywno´s´c obiegu Carnota przedstawia si˛e nast˛epuj ˛aco:
εC = T2 T1− T2 =
101K
293K − 101K = 0, 52 (6)
Równanie (7) przedstawia efektywno´s´c energetyczn ˛a obiegu rzeczywistego, odnie-sion ˛a do efektywno´sci obiegu Carnota.
%Carnot= COP
εC · 100% = 0, 012
0, 52 = 2, 31% (7)
Efektywno´s´c energetyczna odniesiona do obiegu Carnota pozwala na sprawdze-nie jak bardzo przemiany zachodz ˛ace w chłodziarce odbiegaj ˛a od przemian idealnych. Efektywno´s´c energetyczna wynosi 2,31% obiegu idealnego. Na podstawie doniesie´n li-teraturowych mo˙zna zauwa˙zy´c, ˙ze efektywno´s´c chłodziarek kriogenicznych odniesiona do obiegu Carnota, pracuj ˛acych w temperaturach ok. 100 K oraz rozwijaj ˛acych moce rz˛edu kilkudziesi˛eciu W wynosi od kilku do kilkunastu procent [12]. Wyznaczona war-to´s´c jest zatem porównywalna z obecnie eksploatowanymi chłodziarkami kriogenicz-nymi. Nale˙zy jednak zwróci´c uwag˛e na fakt, ˙ze pobór mocy przez spr˛e˙zark˛e został oszacowany na podstawie parametrów mieszaniny. Warto´s´c ta mo˙ze odbiega´c od war-to´sci rzeczywistego poboru mocy przez silnik spr˛e˙zarki.
4. PODSUMOWANIE
Przeprowadzone badania wykazały, ˙ze mo˙zliwe jest skonstruowanie relatywnie ta-niej chłodziarki J-T napełnionej mieszanin ˛a oraz pracuj ˛acej w układzie zamkni˛etym, której wydajno´s´c wynosi kilkadziesi ˛at watów w temperaturze poni˙zej 100 K. Na podsta-wie otrzymanych wyników mo˙zna stpodsta-wierdzi´c, ˙ze chłodziarka mogłaby pracowa´c z wy-dajno´sci ˛a przekraczaj ˛ac ˛a 50 W w temperaturze poni˙zej 110 K. Obecnie nie ma do-st˛epnych chłodziarek o prostej budowie, gwarantuj ˛acych osi ˛agni˛ecie takich wydajno´sci w temperaturze rz˛edu 100 K. Chłodziarki J–T wykorzystuj ˛ace mieszaniny charaktery-zuj ˛a si˛e mocami rz˛edu kilku lub kilkunastu W, co sprawia, ˙ze zakres ich praktycznego wykorzystania jest mocno ograniczony.
Przewag ˛a chłodziarek J–T o niskiej wydajno´sci jest brak konieczno´sci stosowania systemu schładzania oleju. W przypadku takich chłodziarek wystarczaj ˛ace jest obmy-wanie kompresora strumieniem powietrza za pomoc ˛a wentylatora. W przypadku bada-nej chłodziarki niezb˛edne było zastosowanie dedykowanego systemu chłodzenia oleju, co nieznacznie komplikuje układ, oraz zwi˛eksza koszt produkcji chłodziarki. Niemniej jednak, schładzanie oleju mo˙zna zrealizowa´c przez komponenty doskonale opanowane technicznie oraz dost˛epne komercyjnie, co w porównaniu do osi ˛aganych efektów znacz-nego zwi˛ekszenia wydajno´sci chłodniczej, nie stanowi du˙zego problemu.
Badana chłodziarka mogłaby by´c stosowana do kriostatowania ró˙znych obiektów, np. nadprzewodników wysokotemperaturowych. Jak wcze´sniej wspomniano, chło-dziarka została zaprojektowana w sposób umo˙zliwiaj ˛acy skraplanie gazów doprowa-dzonych z zewn ˛atrz. Dla osi ˛agni˛etej wydajno´sci mo˙zliwe byłoby skroplenie gazów takich, jak azot, tlen oraz metan w ilo´sciach nawet kilku litrów na godzin˛e. Mo˙zliwe
Badanie chłodziarki Joule-Thomsona o wydajno´sci projektowej 50 W,... 107
jest równie˙z wykorzystanie chłodziarki do rekondensacji gazu ziemnego w zbiornikach magazynowych. Kolejnym etapem bada´n chłodziarki b˛edzie skroplenie gazów dopro-wadzonych z butli oraz pomiar ilo´sci uzyskanych skroplin.
PODZI ˛EKOWANIA
Projekt zrealizowany w ramach Projektu Strategicznego PS/E/2/66420/10 „Zaawan-sowane technologie pozyskiwania energii: Opracowanie technologii spalania tlenowego dla kotłów pyłowych i fluidalnych zintegrowanych z wychwytem CO2”, współfinanso-wanego przez Narodowe Centrum Bada´n i Rozwoju.
LITERATURA
[1] Chorowski M., Kriogenika – podstawy i zastosowania, IPPU MASTA, Gda´nsk 2007.
[2] Bodio E., Zastosowanie wieloskładnikowych mieszanin gazowych w chłodziarkach Linde– Hampsona, Prace Naukowe Instytutu Techniki Cieplnej i Mechaniki Płynów Politechniki Wrocław-skiej: Monografie, Wydawnictwo Politechniki Wroclawskiej, 1989.
[3] Kleemenko A., One Flow Cascade Cycle, Proceedings of the 10th International Congress of Refri-geration, 1, 34–39, 1959.
[4] Boiarski M., Khatri A., Kovalenko V., Design optimization of the throttle-cycle cooler with mixed refrigerant, Cryocoolers, 10, 457–465, 1999.
[5] Li F., Stolarski R., Newman P., Stratospheric ozone in the post-CFC era, Atmospheric Chemistry and Physics, 9, 2207–2213, 2009.
[6] Keppler F., Nellis G., Klein S., Optimization of the Composition of a Gas Mixture in a Joule-Thomson Cycle, HVACR Research, 10, 213–230, 2004.
[7] Chorowski M., Comparative Exergetic Analysis of Joule–Thomson Liquefiers, Advances in Cryoge-nic Engineering: Transcritions of the CryogeCryoge-nic Engineering Conference – CEC, 49, 1568–1575, 2004.
[8] Piotrowska A., Termodynamiczna optymalizacja chłodziarki Joule–Thomsona wspolpracuj ˛acej z membranowym systemem rozdziału powietrza, Praca doktorska PWr, 2013.
[9] Dorosz P., Analiza optymalizacyjna skladu mieszanin roboczych chlodziarki Joule-Thomsona w opar-ciu o srodowisko Aspen HYSYS, Praca magisterska PWr, 2006.
[10] Chorowski M., Dorosz P., Piotowska A., Chłodziarka Joule-Thomsona pracuj ˛aca w obiegu zamkni˛e-tym i zasilana mieszanin ˛a azotu z w˛eglowodorami, Chłodnictwo, 12, 12–18, 2015.
[11] Lee J., Lee K., Jeong S., Experimental study of a mixed refrigerant Joule–Thomson cryocooler using a commercial air-conditioning scroll compressor, Cryogenics, 55–56, 47–52, 2013.
[12] Strobridge T.R., Cryogenic refrigerators – an updated survey, National Bureau of Standards Techni-cal note, 655, 1–11, 1974.
Z
ESZYTYE
NERGETYCZNETOM III. Nowe kierunki rozwoju energetyki cieplnej 2016, s. 109–116
Optymalizacja cieplna doprowadze ´n pr ˛adowych do urz ˛adze ´n
nadprzewodz ˛acych chłodzonych kondukcyjnie
Paweł Wojcieszak
Politechnika Wrocławska, Wydział Mechaniczno-Energetyczny Katedra In˙zynierii Kriogenicznej, Procesowej i Maszyn Energetycznych E-mail: pawel.wojcieszak@pwr.edu.pl
REKOMENDACJA: prof. dr hab. in˙z. Maciej Chorowski
STRESZCZENIE
Doprowadzenia pr ˛adowe s ˛a najistotniejszym ´zródłem dopływów ciepła do krio-statów magnesów nadprzewodz ˛acych. Głównym celem projektowania dopro-wadze´n pr ˛adowych jest minimalizacja całkowitego dopływu ciepła do cz˛e´sci niskotemperaturowych urz ˛adzenia. W artykule przedstawiono obliczenia do-pływu ciepła przez kondukcyjnie chłodzone doprowadzenia pr ˛adowe wykonane z miedzi o ró˙znym stopniu czysto´sci. Przeanalizowano równie˙z doprowadzenia pr ˛adowe z dodatkowym odprowadzeniem ciepła w po´sredniej temperaturze. SŁOWA KLUCZOWE: doprowadzenia pr ˛adowe, kriogenika, wymiana ciepła, optymalizacja
1. WPROWADZENIE
Wiele du˙zych instalacji naukowych wymaga do przeprowadzenia eksperymentów wytworzenia du˙zych pól magnetycznych (nawet do 8,4 T w Wielkim Zderzaczu Hadro-nów LHC), które mog ˛a by´c uzyskane za pomoc ˛a magnesów nadprzewodz ˛acych. Aby wytworzy´c pole magnetyczne, nale˙zy doprowadzi´c pr ˛ad (od 30 A w przypadku małych magnesów badawczych do 20 kA w LHC [3]) do cewek magnesu za pomoc ˛a doprowa-dze´n pr ˛adowych (nazywanych te˙z krioprzepustami pr ˛adowymi). S ˛a one niezb˛edne rów-nie˙z do zasilania innych urz ˛adze´n nadprzewodz ˛acych. Poniewa˙z maszyny elektryczne generuj ˛ace pr ˛ad elektryczy pracuj ˛a w temperaturach otoczenia, a urz ˛adzenia nadprze-wodz ˛ace - w temperaturach kriogenicznych, doprowadzenia pr ˛adowe stanowi ˛a mostek cieplny mi˛edzy obszarami niskotemperaturowymi urz ˛adze´n nadprzewodz ˛acych a oto-czeniem. Oczywiste jest zatem, ˙ze podczas projektowania doprowadze´n pr ˛adowych,
nale˙zy d ˛a˙zy´c do zminimalizowania dopływów ciepła. W przypadku doprowadze´n pr ˛ a-dowych s ˛a to dopływy ciepła przez przewodzenie:
Qprzew = −λ(T )A · grad T (1)
oraz ciepło Joule’a:
QJ oule = ρ(T )J2 L
A(z) (2)
gdzie:λ – współczynnik przewodzenia ciepła, ρ – oporno´s´c elektryczna, T – tempera-tura, J – warto´s´c pr ˛adu, A – przekrój doprowadzenia, L – długo´s´c doprowadzenia.
Optymalizacja konwencjonalnych doprowadze´n pr ˛adowych (tzn. wykonanych bez u˙zycia nadprzewodników), polega na doborze odpowiedniego materiału oraz przekroju i długo´sci. Zmniejszenie pola przekroju oraz zwi˛ekszenie długo´sci doprowadzenia w celu zmniejszenia dopływu ciepła przez przewodzenie, spowoduje zwi˛ekszenie jego rezy-stancji, a co za tym idzie ciepła Joule’a. W odwrotnym przypadku (zwi˛ekszenie prze-kroju poprzecznego oraz zmniejszenie długo´sci), ciepło Joule’a jest mniejsze, ale ro-´snie dopływ ciepła przez przewodzenie. Dla optymalnego dopływu ciepła do cz˛e´sci niskotemperaturowej, gradient temperatury na ciepłym ko´ncu doprowadzenia powinien wynosi´c 0. W artykule przedstawiony zostanie model matematyczny i optymalizacja miedzianych doprowadze´n pr ˛adowych chłodzonych kondukcyjnie. Takie doprowadze-nia pr ˛adowe s ˛a stosowane w systemach zi˛ebienia magnesów, które wykorzystuj ˛a chło-dziark˛e kriogeniczn ˛a (bez wykorzystania ciekłych kriogenów).