LICHEFIEREA HELIULUI

Universitatea Tehnica de Constructii Bucuresti – Facultatea de Ingineria Instalatiilor – MASTER E.C.D.D. ian2011

HELIUL

Producerea:

Se obtine prin separarea din unele amestecuri de gaze petroliere, unde se gaseste in concentratii de 0,1%-0,2% (in mode exceptional 8%) si din aerul atmosferic insa in acesta He se afla intr-o participatie foarte scazuta (5,3*10^-4%vol) si deci productivitatea este scazuta.

Proprietati fizico-chimice:

He este un gaz nobil, perfect stabil. Este elemental chimic cu cele mai scazute date critice, fiind fluidul cryogenic cu cea mai coborata temperature de vaporizare atmosferica. He are 3 izotopi.

In stare naturala: He este un amestec gazos al izotopilor stabili 4He si 3He, in general in proportia 10^7/1 (cand se obtine din gaze naturale) si 10^6/1(cand provine din aer).

In stare lichida: He este o substanta foarte usoara (la Tf=4,25K si densitatea de 0,124 Kg/l), incolora, limpede si cu o vascozitate foarte mica.

Heliul nu are punct triplu!

Racit sub presiunea vaporilor proprii heliul este singura substanta existenta in natura care are posibilitatea de a ramane in stare lichida, in imediata apropriere a lui zero absolut (in 1926 K.Onnes a realizat T=0.7K in heliu lichid prin vaporizarea acestuia la p=0,0036 mmHg).

Este un agent criogenic deosebit de bun.

Utilizarea heliului:

Mentinerea materialelor la temperaturi foarte scazute in vederea obtinerii unor reactii chimice speciale sau pentru studierea comportamentului.

Racirea cablurilor electrice in vederea transmiterii energiei cu pierderi reduse. Racirea motoarelor si a magnetilor. Superizolarea bazata pe vaporizarea heliului, in vederea depozitarii fluidelor

criogenice.

Stud.ing.Popescu Alexandru Razvan


LICHEFIEREA HELIULUI

Instalatii pentru lichefierea heliului

Utilizarea instalațiilor criogenice de lichefiere a heliului a determinat preocupareacercetătorilor pentru metode și sisteme care permit obținerea temperaturilor din ce înce mai joase. Obținerea temperaturilor joase se realizează prin două metode:

- prima, fără efectuare de lucru mecanic, metodă care utilizează scăderea temperaturii gazului prin laminare, în domeniul efectului Joule-Thomson pozitiv;

- a doua, cu efectuare de lucru mecanic, prin destinderea heliului într-un turbodetentor. Această metodă, analizată din punct de vedere termodinamic, permite obținerea temperaturilor joase în mod eficient.

Prerăcirea heliului la o temperatură în jur de 20K reprezintă caracteristica principală a instalației criogenice şi este legată de realizarea următoarelor condiții:

- purificarea practic perfectă a heliului;

- o izolație termică foarte eficace;

- schimb de căldură la diferențe foarte mici de temperatură;

- turbodetentoare cu randament mare și gabarit mic.

Ciclurile frigorifice ale heliului sunt utilizate la două tipuri de instalații și anume la instalații frigorifice de temperatură foarte joasă și la instalații de lichefiere.

În continuare se prezintă câteva instalații criogenice utilizând procedee de lichefiere a heliului:

- instalația criogenică de lichefiere a heliului tip Claude;- instalația criogenică de lichefiere a heliului tip Collins;- instalația criogenică de lichefiere a heliului tip Heilandt;- instalația criogenică de lichefiere a heliului tip Simon;- instalația criogenică de lichefiere a heliului tip Linde-Hampson;- instalația criogenică de lichefiere a heliului tip Kapitza.



A. INSTALATIA CLAUDE

Unul dintre procedeele utilizate la lichefierea heliului este si procedeul CLAUDE. O astfel de instalatie de mare productie (cca 10l heliu lichid pe ora), bazata pe doua expansiuni politropice si pe laminarea finala a gazului este cea realizata la Cambridge (SUA).

In fiura de mai jos este prezentata functionarea acestei instalatii (A) cat si ciclul termodinamic real (B).

(A) Functionarea instalatiei si (B) Ciclul termodinamic real

Heliul gazos aflat la temperatura de 314K (40,85⁰C) si la presiunea de 1 bar (starea 1) este comprimat pana la presiunea p2=19bar si racit izobar, pana la temperatura initiala intr-un racitor final.



Pre-racirea heliului gazos comprimat de la temperatura atmosferica, pana la 79K (-194,15⁰C) (procesul 2-3), se realizeaza cu azot lichid, care vaporizeaza la p=1bar, cat si cu vaporii de heliu, care revin din vaporizator.

Temperatura heliului gazos este in continuare coborata la 9K (-264,15⁰C), in primele doua schimbatoare de caldura regenerative, pe seama debitelor de heliu destins in cele doua detentoare cu piston.

In ultimul schimbator de caldura regenerativ se realizeaza racirea pana la circa 6K(-267,15⁰C).

In final, prin laminarea in VL (ventilul de laminare), pana la o presiune superioara celei atmosferice (p9=1,2 bar), se realizeaza lichefierea heliului, la To=4.4K (-268,75⁰C).

Evacuarea acestuia prin Vr (ventilul de refulare), coboara presiunea si temperatura pana la 1 bar si 4,2K (adica -268,95⁰C), cu care apoi va fi depozitat.

Din cauza transferului termic imperfect din schimbatoarele de caldura sunt evidentiate diferentele de temperatura ΔT1, ΔT2, ΔT3, care devin mai pronuntate la temperaturi mai ridicate.

Dupa cum putem observa in schema instalatiei sunt prezente si doua purificatoare, plasate la nivelul de:

cca. 80K (-193,15⁰C) pentru purificatorul P1 realizeaza adsorbtia oxigenului si a azotului

cca. 25K (-248,15⁰C) pentru purificatorul P2 realizeaza adsorbtia neonului si a hidrogenului

Se obtine astfel o puritate foarte ridicată a heliului lichefiat

Purificatoarele:

- condenseaza gazele cu punct de lichefiere mai sus decat heliul- Retin hidrocarburile

Ca o concluzie reținem faptul că, răcirea prealabilă obținută cu ajutorul detentorului cupiston, permite efectuarea lichefierii heliului fără a fi necesară utilizarea prerăcirii cu agenți criogenici auxiliari.

Asemenea instalații au fost realizate de Kapitza, Danilov şi Collins.

B. INSTALATIA COLLINS



S. C. Collins a conceput un lichefiator pentru laboratoare (de capacitati reduse). Schema acestuia se poate observa in figura de mai jos (A) cat si ciclul termodinamic real (B).

Acesta a utilizat trei detentoare cu piston , preracirea cu azot lichid nemaifiind necesara pentru lichefiere, ci doar pentru marirea randamentului procesului.

Lichefierea se realizeaza in acest caz prin efect Joule Thomson (laminare in VL – ventilul de laminare), pentru 25% din debitul de gaz comprimat.

Alte instalatii similare pot realiza temperaturi si mai coborate cum ar fi instalatia de capacitate redua (380W) realizata de R.LINDE. Aceasta instalatie realizeaza o temperatura de 1,8K (-271,35⁰C), pentru o presiune de vaporizare a heliului de 0,0166 bar.

Laminarea in acest caz se realizeaza in doua trepte, prima pana la presiunea de 1.2 bar si a doua pana la depresiunea necesara vaporizarii la 1,8K (271,35⁰C).

Firma SULZER a imbunatatit instalatia prin introducerea unui ejector (E), plasat dupa ultimul schimbator de caldura regenerativ (SCr), in locul ventilului de laminare (VL) ca in figura de mai jos:



Practic se inlocuieste destinderea izoentalpica din VL cu una izentropica in duza ejectorului aducand cresterea capacitatii frigorifice masice de cca. 40%. In plus se pot reduce pierderile cantitative de heliu lichid, prin recuperarea vaporilor de heliu rezultati in urma laminarii din ventilul VR1, la transvazarea in vasul DEWAR de depozitare.

Ejectorul instalat in loc de ventil de laminare (destindere cu efect mai mic) conduce la o destindere in duza ejectorului (destindere mai buna).

C. INSTALATIA HEYLANDT

Aceasta este o varianta a instalatiei CLAUDE. Expansiunea gazului are loc acum chiar de la temperatura ambianta, T3=T1=Ta, eliminand schimbatorul de caldura regenarativ superior (SCr1).

Din aceasta cauza se reuseste inlaturarea in mare masura dificultatile de ungere a cilindrului detentorului la temperaturi joase. Doar in acest gaz presiunea de la care are loc expansiunea gazului este ridicata, 180 pana la 200 bar, in cazul aerului, la o fractie M=0.55 ... 0.66 pentru ca procesul sa se desfasoare in conditii optime.

Temperatura optima de incepere a expansiunii gazului este T3=273K, la p2=200 bar cu valori mai scazute pentru M (M=0,4), caz in care aerul comprimat ar necesita o preracire, de la temperatura ambianta pana la T3, ceea ce va conduce la un consum suplimentar de energie.

In concluzie efectul de racire din procesul HEYLANDT este mai mare decat cel din procesul LINDE (cu doua laminari si subracire) la aceleasi presiuni, totusi pentru procesul HEYLANDT nu se poate utiliza intregul frig produs, acesta nefiind integral transmisibil prin schimb de caldura, fenomen care in procesul LINDE nu are loc.

Superioritatea procedeului rezultă din datele publicate privind consumul de energie necesară pentru lichefierea heliului, astfel: prin procedeul Claude, la joasă presiune, cu detentor cu piston, energia consumată este, în medie, de 1,6kWh/l, iar într-un proces bazat pe procedeul Heylandt este de 0,9...1,1kWh/l.



D. INSTALATIA SIMON

Instalatia cu destindere izentropica, fara curgerea gazului.

Procesul utilizat de Simon se bazeaza pe faptul ca daca se evacueaza gazul dintr-un rezervor printr-un orificiu de laminare (destinzandu-se la entalpie constanta), gazul ramas in rezervor va suferi o expansiune, datorita scaderii continue a presiunii din rezervor, destinzandu-se izentropic (procesul nu implica curgerea gazului si deci este insotit de frecari neglijabile).

Heliul gazos este aspirat de la nivelul presiunii atmosferice p1=1 bar, din gazometrul G, comprimat izoterm in compresorul K pana la presiunea p2=150 bar (procesul 1 – 2) si apoi racit izobar in racitorul R, pana la temperatura atmosferica T2 = TA .

Lichefiatorul Simon (L) este constituit din patru compartimente:

1. Compartimentul D plin cu azot sau hidrogen lichid.2. Compartimentul C plin cu vapori de heliu pentru transmiterea caldurii de la

compartimentul A catre D3. Compartimentul B plin cu vapori de hidrogen care prin reducerea presiunii se

solidifica la ~ 10K4. Compartimentul A, interior si vecin cu compartimentul B, este cel in care se va obtine

heliul lichid.

Compartimentele B, C si D sunt racordate la o pompa de vid capabile sa realizeze depresiuni foarte scazute.

Subracirea izobara a debitului de gaz (procesul 2 – 21) are loc in compartimentul D cu ventilul V2 inchis si V1 deschis. Trecand prin compartimentul B heliul gazos se raceste izobar pana la aproximativ 10 K si umple compartimentul A la presiunea de 150 bar. Compartimentul C fiind vacuumat, se deschide ventilul V2 si se inchide V1.

Trecand prin ventilul V2 heliul gazos se destinde izoentalpic pana la presiunea atmosferica.



Heliul gazos ramas in compartimentul A se destinde aproape izoentropic, pana la presiunea de 1 bar (procesul 2II – 3)rezultand lichefierea (T3 = T0 = 4,2 K). Deoarece densitatea heliului la presiunea de 150 bar si temperatura de 10 K este doar de cca 1,5 ori mai mare ca densitatea helilului lichid la presiunea atmosferica, volumul ocupat de lichidul obtinut va fi mare.

La pornire, compartimentul A are temperatura mediului ambiant (~300 K), incat se evacueaza aceasta caldura catre lichidul din compartimentul D, prin umplerea compartimentului C cu vapori de heliu.

Desi presiunea mare solicita construirea vasului A din metal cu pereti foarte grosi, caldura specifica a metalului la asemenea temperaturi scazute este atat de mica, incat capacitatea calorica a vasului este eneglijabila.

E. INSTALAȚIA CRIOGENICĂ DE LICHEFIERE A HELIULUI LINDE-HAMPSON

Instalația criogenică are în componența sa un schimbător de căldură intermediar, curol de prerăcire a heliului înainte de intrarea în ventilul de laminare și este prezentată înfigura de mai jos.

Instalația criogenică de lichefiere a heliului tip Linde-Hampson



După realizarea comprimării în compresorul 1 și vehicularea cantității de heliu gaz, se efectuează prerăcirea acestuia în schimbătorul de căldură SC, după care urmează laminarea în ventilul de laminare VL. La ieșirea din ventil fracțiunea lichidă de heliu este dirijată spre separatorul de lichid SL iar fracțiunea de heliu aflată în stare de vapori este transmisă la schimbătorul de căldură SC unde se încălzește izobar până la o temperatură inferioară celei de intrare în compresor.

În timpul funcționării instalației apar pierderi de sarcină termică datorate imperfecțiunii izolației care se ridică la 2 – 12Kj/kg.

F. INSTALAȚIA CRIOGENICĂ DE LICHEFIERE A HELIULUI KAPITZA

Procedeul Kapitza a fost elaborat în anul 1939, prin adaptarea procesului bazat pe ciclul Claude, introducând două elemente noi, față de instalația Claude. Expansiunea politropică se realizează acum într-o turbină detentoare (turbodetentor), studiată în mod special de P. Kapitza, ameliorată de S.C. Collins și mai recent de firma Sulzer.

Se realizează randamente ridicate, η=58...82%, încât se pot utiliza presiuni maxime ale gazului comprimat, intrarea în turbodetentor, mult mai mici decât la instalația Claude. Procedeul Kapitza a rezultat prin introducerea unor adaptări ale procesului bazat pe ciclul Claude. În principiu, se desfășoară ca și procedeul Claude, într-o instalație în care schimbătoarele de căldură în contracurent, recuperative, sunt înlocuite prin aparate regenerative. Din punct de vedere energetic, procedeul nu oferă nici un progres sau avantaj. Din punct de vedere al utilajului prezintă însă superioritate: atât motorul detentor în instalații de debite reduse, cât și turbodetentoare, la debite mari, au fost studiate în mod special de Kapitza și ameliorate apoi prin contribuția lui Collins.



CONCLUZII

Concluzia rezultată din analizarea procedeelor de lichefiere, scoate în evidență faptulcă cel mai mic consum specific de energie caracterizează procedeul de lichefiere propus deHeilandt, cu detentor cu piston, în timp ce procedeul de lichefiere propus de Kapitza are cel mai ridicat consum specific de energie.

Cu toate acestea instalațiile criogenice de lichefiere a heliului de joasă presiune cu turbodetentor, sunt utilizate pe scară largă datorită simplității şi siguranței în funcționare, dar aceste instalații au performanțe apropiate de instalațiile criogenice cu detentor cu piston.

Instalațiile criogenice de lichefiere a heliulu, care operează în domeniul temperaturilor 0,7...4K, pot fi considerate performante din punct de vedere al proceselor termodinamice,unde wattul, sau zecimea de grad joacă un rol hotărâtor.

Foarte important pentru procesele termodinamice îl reprezintă studiul exergetic al ciclului criogenic, în care se pot depista pierderile, pe categorii și implicit evitarea costurilor inutile.

BIBLIOGRAFIE

[1] Hera D., „Criogenie tehnică”, Ed. Matrix Rom, București, 2002

[2] Duta O.., „Teza de doctora - Contribuţii la studiul proceselor termodinamice din ciclurile criogenice cu heliu”, U.T.C.B.,Facultatea de Instalatii, București, 2010


Documents

LICHEFIEREA HELIULUI