Izentropska ekspanzija

Izentropski ekspanzioni frižider

Pojednostavljeni raspored opreme za Simon sistem za likvifikaciju helijuma

Putanja procesa koja opisuje sistem za likvifikaciju helijuma Simon na dijagramu temperature-entropije

Helium Liquefier by Prof. Franz Eugen Simon, 1932-36 Oxford

Georges Claude 1926.

Claude ciklusni frižider koji koristi i ekspanzioni motor i ekspanzioni ventil.

Klodov proces za likvifikaciju vazduha

Prethodno ohlađeni Claudeov ciklus koji se koristi za likvifikaciju neona i vodonika.

Izentropska ekspanzija

U termodinamici, izentropski proces ili izoentropijski proces (ισον = "jednak"(grčki); εντροπία entropija = "nered"(grčki)) je proces u kojem se, u svrhu inženjerske analize i proračuna, može pretpostaviti da se proces odvija od početka do kraja bez porasta ili opadanja entropije sistema, tj. entropija sistema ostaje konstantna.

Jednostavan ciklus ekspanzije gasa

U ekspanziji koja proizvodi rad, temperatura procesnog fluida se uvek smanjuje; stoga hlađenje ne zavisi od toga da li je temperatura ispod inverzivne temperature pre ekspanzije. U velikim mašinama rad proizveden tokom ekspanzije je očuvan. U malim frižiderima, energija ekspanzije se obično troši u procesu ili uređaju koji apsorbuje energiju.

Šema jednostavnog frižidera koji koristi ovaj princip sa odgovarajućim dijagramom entropije temperature prikazana je na slici. Gas izotermno komprimovan na sobnoj temperaturi od puta 1-2 se hladi u izmenjivaču toplote u suštini pri konstantnom pritisku duž puta 2-3 tako što se gas zagreva pri povratku duž puta 4-1 do ulaza kompresora. U praksi, ova ekspanzija nikada nije istinski izentropska, i to se odražava putem 3-4' na dijagramu temperatura-entropija. Frižider na slici proizvodi hladan gas koji adsorbuje toplotu od 4 do 5 ili 4' do 5 kada se koristi neisentropska ekspanzija i obezbeđuje metod hlađenja koji se može koristiti za dobijanje temperatura između normalnih tačaka ključanja različitih kriogenih tečnosti.

Simon Helium Likvifajer

Sir Francis Simon CBE (2. jul 1893. – 31. oktobar 1956.), bio je nemački, a kasnije britanski fizički hemičar i fizičar koji je osmislio metodu gasne difuzije, i potvrdio njenu izvodljivost, što je dovelo do odvajanje izotopa uranijuma-235 i tako dao veliki doprinos stvaranju atomske bombe.

Posebna primena koncepta izentropske ekspanzije je korišćena u Simon helijumovom likvifikajeru za proizvodnju malih količina tečnog helijuma. Pojednostavljeni raspored opreme za ovaj sistem je prikazan na slici. Putanja procesa se može opisati praćenjem temperaturno-entropijskog dijagrama prikazanog na slici. Koraci su sledeći:

1. Kontejner sa debelim zidovima se puni u koraku 1-2 helijum gasom pod visokim pritiskom, na oko 15 MPa i na temperaturi okoline.

2. U koraku 2-3 procesa, kontejner i gas helijum pod visokim pritiskom se hlade na 77 K tečnim azotom. Gas helijum se dodaje na 15MPa da bi se održao konstantan pritisak u unutrašnjem kontejneru tokom ovog procesa hlađenja.

3. Gas helijum koji je prvobitno bio u vakuumskom prostoru se uklanja kada se postigne temperatura tečnog azota, dok se gasoviti helijum u prostoru tečnog vodonika zamenjuje tečnim vodonikom. Ovo omogućava da se unutrašnji kontejner i njegov sadržaj ohlade u koraku 3-4 procesa do 20,4 K, temperature tečnog vodonika.

4. U koraku procesa 4--5, temperatura unutrašnjeg kontejnera i sadržaja na 15 MPa se dalje snižavaju na blizu 10-12 K pumpanjem tečnog vodonika i smanjenjem njegovog pritiska ispod trostruke tačke.

5. Konačno, u koraku 4--6 procesa, otvara se izduvni ventil helijuma, koji omogućava smanjenje pritiska sa 15 na 0,101 MPa. Helijum koji ostaje u posudi vrši rad tako što istiskuje malu količinu pare helijuma. Ekspanzija helijuma koja je u suštini izentropska tokom ovog koraka likvifikuje od 80 do 100% helijuma u ​​posudi.

Kombinacija izentalpijske i izentropske ekspanzije

Žorž Klod (24. septembar 1870 — 23. maj 1960) je bio francuski inženjer i pronalazač. Poznat je po svom ranom radu na industrijskoj likvifikaciji vazduha, po pronalasku i komercijalizaciji neonskog osvetljenja, kao i po velikom eksperimentu o generisanju energije pumpanjem hladne morske vode iz dubina. Neki su ga smatrali "Edisonom Francuske". Klod je bio aktivan saradnik nemačkih okupatora Francuske tokom Drugog svetskog rata, zbog čega je 1945. bio zatvoren i lišen počasti.

Većina industrijskih frižidera i likvifikajera koji su trenutno u upotrebi kombinuju izentropsku i izentalpijsku ekspanziju kako bi omogućili formiranje tečnosti u rezervoaru za niske temperature. Ovo se generalno radi kako bi se izbegle neke od poteškoća povezanih sa formiranjem tečnosti u ekspanzionom uređaju. Claude ciklus je primer kombinacije ovih tehnika ekspanzije i prikazan je na slici zajedno sa odgovarajućim dijagramom temperature i entropije.

Klodov ciklus se može koristiti bez modifikacija za likvifikaciju vodonika ili neona, pošto ovaj sistem prvenstveno ne zavisi od ekspanzionog ventila za proizvodnju niskih temperatura. Međutim, korišćenjem komore za prethodno hlađenje sa tečnim azotom sa Claude sistemom (pogledajte sliku), može se dobiti vrednost za 50-70% veća od one za prethodno ohlađeni Linde sistem.