Bucureti - 2010 UNIVERSITATEA TEHNIC DE CONSTRUCII - BUCURETI FACULTATEA DE INSTALAII TITLUL TEZEI TEZ DE DOCTORAT Conductor tiinific: Profesor Universitar Doctor Inginer MIHIL CORNEL Doctorand Inginer DU OCTAVIAN - DARIUS -1- UNIVERSITATEA TEHNIC DE CONSTRUCII - BUCURETI FACULTATEA DE INSTALAII TITLUL TEZEI CONTRIBUII LA STUDIUL PROCESELOR TERMODINAMICE DIN CICLURILE CRIOGENICE CU HELIU Conductor tiinific Doctorand Profesor universitar doctor inginer Inginer Mihil CornelDu Octavian Darius Bucureti 2010 Cuprins -2-

CUPRINS

Lista de notaii 1.Introducere 2.Studiul sistemelor criogenice cu Heliu 3.Analiza termodinamic a instalaiilor criogenice cu Heliu 4.Optimizarea termodinamic a sistemelor criogenice cu Heliu 5.Modelul matematic pentru instalaia criogenic Linde L5 6.Cercetri experimentale utiliznd instalaia criogenic Linde L5 7.Analiza termodinamic a datelor experimentale 8.Contribuii originale ale autorului tezei 9.Concluzii Bibliografie Lista de simboluri -3- Lista de simboluri principale A- aria, m2 a- difuzivitatea termic, m2/s v- viteza sunetului, m/s An- anergia, J an- anergia unitii de mas, J/kg C- capacitatea caloric, J/kg c- cldura specific masic, J/(kgK) C- cldura specific molar, J/(kmolK) D- debitul masic, kg/s d- diametrul, m - debitul specific, kg/J E- energia stocat, J e- energia stocat masic, J/kg Ex- exergia, J ex- exergia unitii de mas, J/kg g- participaia masic, H- entalpia, J h- entalpia unitii de mas, J/kg k - exponentul adiabatic, L- lucrul mecanic, J l- lungimea, m l- lucrul mecanic specific masic, J/kg m- masa, kg M- masa molar, kg/kmol m& - debitul masic de fluid, kg/s n- turaia, rot/s m- numrul de moli (kmoli), p- exponentul politropic, P- puterea, W p- presiunea, N/m2 Q- cldura, J Q&- fluxul de cldur (puterea termic), W q- cldura pentru unitatea de mas, J/kg R- constanta caracteristic a gazului, J/(kgK), R=MR R- constanta universal a gazelor ideale,3 , 8314 RJ/(kmolK) r- cldura latent de vaporizare, J/kg - participaia volumic, S- entropia, J/K Lista de simboluri -4- s- entropia unitii de mas, J/(kg K) T- temperatura termodinamic (absolut), K t - temperatura, exprimat n scara Celsius, C U- energia intern, J u- energia intern a unitii de mas, J/kg V- volumul, m3 V&- debitul volumic, m3/s v- volumul specific masic, m3/kg w- viteza fluidului, m/s x- fracia de vapori z- nlimea (cota), m Litere greceti - eficiena, - randamentul, - viscozitatea dinamic, Pas - viscozitatea cinematic, m2/s - raportul de comprimare, - densitatea, kg/m3 - timpul, s - concentraia masic, kg/kg Coeficieni termodinamici ppTVV= 1- coeficientul (volumic) de dilatare termic izobar, K1 VVTpp= 1- coeficientul termic al presiunii, K1 TTpVV = 1- coeficientul de compresibilitate izoterm, Nm2 SSpVV = 1 - coeficientul de compresibilitate adiabatic, Nm2 Capitolul 1 -5- Capitolul 1 Introducere n domeniul cercetrii tiinifice, o mentalitate optimist a avut rolul binemeritat, ce a permisoamenilordetiin,ssesizezeoportunitileprogresuluitehnologic,realiznd evoluiiremarcabileinstudiulproceselortermodinamicedinciclurilecriogenicecuheliu. Dinacestpunctdevedereseremarccontribuiatermodinamiciilaperfecionarea procedeelordelichefierelatemperaturijoase,autilizriiheliului ntehnicaaerospaiali militar,precumidezvoltriifenomenuluidesupraconductibilitatecaresemanifestla temperaturi foarte joase. Tematezeidedoctoratprivindstudiulproceselortermodinamicedinciclurile criogenice cuHeliu este de actualitate i prezintun interes aparte al specialitilor datorat comportrii i caracteristicilor acestui element iar preocuprile lor sunt n domeniul tiinific, tehnic i al cercetrii experimentale. Heliul a fost observat pentru prima dat n data de 18 august 1868 sub forma unei linii deungalbenintenscuolungimedeundde587.49 nanometrinspectrulcromosferei Soarelui. Linia a fost detectat de astronomul francezPierre Janssen n timpul unei eclipse totale de Soare n Guntur, India. Pe 20 octombrie 1868, astronomul englez Norman Lockyer aobservatoliniegalbennspectrulsolar,concluzionndceracauzatdeunelement existentnSoare,inecunoscutpePmnt.LockyersichimistulenglezEdwardFrankland au denumit elementul prin termenul grecesc pentru Soare. AplicaiileheliuluiaudeterminatrealizareaTheLargeHadronCollider(Marele Accelerator deHadroni) devenit cel mai bocn loc din Univers[1]. Toatecele 8sectoare ale acceleratorului din Elveia funcioneaz la temperaturi de 1,9 grade Kelvin (-271 grade Celsius,adic-456gradeFahrenheit)[2].Gerulesteobinutcu96tonedeheliulichid pentru a pstra magneii la temperatura de operare. Este cea mai mare uzin criogenic la temperaturaheliuluilichid.Tunelulcircularde27dekilometrilungimearedouconducte adiacente separate, care se intersecteaz n patru puncte. Fiecare conduct are o eav de protoni, care se mic n direcii opuse n inel. 1.232 dipoli magnetici pstreaz fluxurile pe calealorcirculari392cvadripolimagneticisuntutilizaipentruapstrafluxurile focalizate, spreaminimizaposibilitateadeinteraciune ntre particulen cele patru puncte deintersecie,undeseintersecteazceledouafluxuri[3].ntotal,suntpeste1.600 magnei supraconductori, de 27 tone fiecare.Deoareceheliulreprezintuncombustibilcuratcarenuafecteazatmosferacu reziduriradioactiveizotopul 3He,similartritiului,acestaarputeasubstituitritiulnreacia defuziunenuclear,cuaceleairezultatesubaspectenergetic.Seestimeazcpe suprafaaLuniiexistaproximativ1miliondetonede 3He,uordeexploatatdinrigolit (solul lunar). De exemplu 25 de tone ar fi suficiente pentru a satisface n proporie de 100% nevoileenergeticealeSUApentruunanntreg,iar25detonereprezintncrctura maxim suportat de o navet spaial. Cercetriletiinificeefectuatenproceselensoitedetransformriischimburide energiedintermodinamicatehnicaauinclustreptatextindereanoiuniloriprincipiilor termodinamiciiclasiceasupraproceselorireversibilenperfecionareaprocedeelorde lichefiereaheliului,studiulfenomenuluidesupraconductibilitatelatemperaturijoasei utilizareaacestuiantehnicaaerospaialimilitar.Deoarecedesfurareaireversibila proceselor reale este nsoit de cretereaentropiei, studiul acestora este bazat peecuaia Capitolul 1 -6- debilanentropicasemntoarecuecuaiiledebilanalemrimilorconservativedetipul energiei i masei. Acest bilan, care st la baza termodinamicii proceselor ireversibile, arat cvariaiaentropieiunuisistemsecompunedincantitateadeentropiedatorit ireversibilitii interneaproceselortermodinamicedinciclurilecriogeniceidinvariaiade entropie datorit schimbului de cldur i mas cu mediul exterior. Lucrareadefaabordeazunstudiulaproceselortermodinamicedinciclurile criogenicecuheliureprezentndunsubiectinterdisciplinarprivindproprietileheliului, analizaioptimizareatermodinamicaunorinstalaiicriogenicedelichefiereaheliului, n scopuldiminuriicosturilordementenanioperare,cercetareaistudiulproceselor termodinamicedin instalaiacriogenicde lichefiere a heliuluitipLinde L5,realizareaunui modelmatematicpentruinstalaiacriogenic,precumiposibilitateautilizriiheliuluin aplicaiidiverse,nspecialtehnicaaerospaialidomeniulmilitar.Materialul,realizatn concordan cu tema, este mprit n nou capitole i trateaz urmtoarele aspecte: 1.Introducere 2.Studiul sistemelor criogenice cu Heliu 3.Analiza termodinamic a instalaiilor criogenice cu Heliu 4.Optimizarea termodinamic a sistemelor criogenice cu Heliu 5.Prezentarea modelului matematic pentru instalaia criogenic Linde L5 6.Cercetri experimentale utiliznd instalaia criogenic Linde L5 7.Analiza termodinamic a datelor experimentale 8.Contribuii originale ale autorului tezei 9.Concluzii ParteaexperimentalafostefectuatlaUzinaGdinRmnicuVlcea,nfiinatde ctredomnulacademicianMariusPeculea,careaadusocontribuiemajorlastudiul proceselorielaborareatehnologiilordeseparareaapeigrele,lastudiulielaborarea tehnologiilor criogenice, deoarece este singura instituie din ar care dispune de o instalaie criogenic de tip Linde L5, de producere a heliului lichid, automatizat complet i opereaz n vederea purificrii, lichefierii i relichefierii heliului gaz evaporat n sistemul de stocare. tip InstalaiacriogenicdelichefiereaheliuluitipLindeL5utilizeazuncompresorelicoidal ntr-osingurtreaptcerefuleaznprocesuldelichefiereaproximativ10g/sheliulao presiune ntre 1012 bar i o temperatur de aproximativ 300K. Princoninutul su, tezadorete s evideniezestudiul proceselor termodinamice din ciclurilecriogenicecuheliu,cadomeniucomplex,deschis,analizndproceseleiciclurile termodinamicerealepebazaireversibilitii,comportriidiferitelorsistemecriogenicela modificareaparametrilorconstructiviifuncionali.Cercetrileprivindprecizareainfluenei ireversibilitii proceselor termodinamice sunt sintetizate n teorema Gouy-Stodola. Astfel,noiuneadeireversibilitatereprezintuninstrumentsigurdeinvestigaie teoreticiexperimentalaproceselortermodinamicedelucrucaresedesfoarn sistemele criogenice, cu posibilitatea de a mbunti performanele acestora n conformitate cu domeniul de aplicare.miestegreusntocmescolistcompletanumeroaselorpersoanecrorale datorezexperienaacumulatiindiferentdecalitateaelementelorprezentatenaceast teztrebuiesubliniat,nmoddeosebit,sprijinulexemplarpecareautorull-aprimit,de-a lungulntregiiperioade,dinparteapersonaluluicatedreideTermotehnicFacultateade InstalaiipentruConstruciiBucuretisialpersonaluluiInstitutuluiNationaldeCercetare-Dezvoltare pentru Tehnologii Criogenice si Izotopice ICSI Rmnicu Vlcea. Mulumirilepecaredorescsleadreseztuturorcelorcarem-auajutat,depesc suportulcuvintelor,dartotuitrebuiesaevideniez,nmoddeosebit,sprijinulacordatde catredomnulcercettorstiinificdr.ing.SebastianBrad,dincadrulinstitutuluicurenume dinRmnicuVlcea,avndnvederefaptulc,naranoastr,domeniulaplicaiilor criogenice se afl la faza de pionerat. Capitolul 2 -7- Capitolul 2 Studiul sistemelor criogenice cu heliu 2.1. CONSIDERAII GENERALE Oriceprocestermodinamicserealizeazncadrulunuisistem,nprezenaunei cantiti de substan, definit prin mas m, numr de particule N, cantitate molar n sauvolumnstarenormalVn.ntermodinamicstareanormalestedefinitde temperatura normal Tn i presiunea normal pn cu urmtoarele valori: Tn = 273,15K = 0oC ipn=101325Pa=1,01325bar[4].Proceseletermodinamicereale,spredeosebirede proceseletermodinamiceidealeconsideratesuccesiunidestrideechilibruefectuaten condiiidereversibilitate,suntproceseireversibilecaresedesfoarncondiiide neechilibru.Criogenia are ca obiect de studiu temperaturile sczute, care ncep cu temperatura de lichefiere a metanului i tind ctre temperatura de zero absolut. Temperatura de lichefiere la presiune normal a elementului Heliu este 4,224K [5].Importantdinpunctdevederealcriogenieiestestudiereaianalizareaelementului Heliu, care prezint o serie de proprieti cu totul deosebite, fiind atractiv deoarece acesta marcheazlimitainferioardetemperaturiesteelementulchimiccucelemaisczute date critice [6]. Este un gaz monoatomic inert, incolor, inodor i insipid, care nu este toxic. nsistemulperiodic,avndnumrulatomic2,acestaestencadratngrupagazelorrare. Are doi izotopi uzuali: 3He i 4He. Ambii sunt izotopi stabili, dar comportamentul ca un lichid al izotopului 4He,carearedoufaze(HeliuIiHeliuII)captimportanpentrustudiul mecaniciicuantice,cuprecderepentrufenomenuldesuprafluiditate,descoperitdePiotr Kapitza n 1937 i pentru studiul efectelor pe care le pot avea asupra materiei temperaturile cetindsprezeroabsolut(0K),cumarfisuperconductivitatea,denumitefectulMeissner [7].HeliulestealdoileaelementdinUnivers,attcaabundencticaluminozitate,i esteunuldintreelementeleconsideratecarfifostcreatencursulBigBang-ului.n Universulmodern,aproapefiecarenouatomdeheliuestecreatcarezultatalfuziunii nucleareahidrogenuluinstele.PePmnt,heliulaparecaurmareadezintegrrii radioactivebetaaunorelementemultmaigrele,iarparticulelealfasunt,nfapt, nucleideheliu.Dupcreareasa,oparteestecaptatcugaznatural,undeatinge concentraiidepnla7%nvolume.Esteextrasapoilatemperaturredus,separare numit distilare fracionat. n general sursele de heliu se gsesc n regiuni cu zcminte de uraniu i toriu. Concentraia He n aer este n jur de 5 ppm. Masa molar a heliului este M = 4,0026g/moliaretemperaturadefierbere,lapresiuneadep=1,013bar,egalcuTf= 4,224K.Punctul minim de topireesteidentificatlavalorile T =0,0775K si p =25,316bar. Aici cldura de topire este nul. La temperaturi foarte sczute, la topire chiar se elibereaz cldura nct la solidificare va trebui introdus cldur. Starea heliului solid se poate obine prin aplicarea unei presiuni nalte heliului lichid, capabil s realizeze apropierea atomilor n msursuficient,pentruformareareeleicristalinecaracteristicestriisolide,inuprin rcirealichiduluilapresiuneadesaturaie[8].Solidificareaheliuluiseproducelapresiuni mari: la T = 1K p = 40,11bar iar la T = 3K p = 129bar [9]. n 1868, astronomul francez Pierre Janssen este primul care detecteaz heliul ca pe o liniespectralgalbennecunoscutnluminauneieclipsesolare.Deatunci,aufost descoperite mari rezerve de heliu n cmpurile de gaz natural din Statele Unite, care este de departecelmaimarefurnizordinlume.Heliulestefolositnsistemelepentrurespirat subacvaticedemareadncime,pentrurcireamagneilorsupraconductori,ndatareacu Capitolul 2 -8- heliu,pentrugonflareabaloanelor,pentruascensiuneadirijabileloricaunelement important n multe aplicaii industriale si aerospaiale, inclusiv n domeniul militar [10].Dezvoltarea i perfecionarea, n continuare, ametodelor de cercetare a fenomenelor desupraconductibilitateisuprafluiditateprecumiacomportamentuluimateriein apropierede0Kestestrnslegatdeobinereaunortemperaturisituatendomeniul1 0K.Instalaiilecriogenicecarepermitatingereaacestuideziderataulabazmetoda demagnetizrii adiabate a unor sruri paramagnetice, metoda dizolvrii 3He n 4He, metoda comprimrii adiabatice a amestecului solid-lichid de 3He i metoda demagnetizrii nucleare [11].Proprieti fizico-chimice Descoperit n soare, de unde i provine numele, heliul este un gaz nobil, perfect stabil. Esteelementulchimiccucelemaisczutedatecritice,fiindfluidulcriogeniccuceamai cobort temperatur de vaporizare atmosferic. Heliul are 3 izotopi uzuali: - unul de mas atomic 4, denumit 4He,- unul de mas atomic 3, denumit 3He,- i altul mult mai greu, de mas atomic 6, obinut prin reacii nucleare. Dacprimiidoiizotopisuntstabili,altreilea,esteinstabilidecineinteresantn criogenie. Instarenaturalheliulesteunamestecgazosalizotopilorstabili 4Hesi 3He,n generalnproporia107/1(cndseobinedingazenaturale)i106/1(cndprovinedin aer). Instarelichid,heliulesteosubstanfoarteuoar(laTF=4,25K;L=0,124kg/l), incolor, limpede i cu o viscozitate foarte mic. Atomuldeheliuareostructursimpl,stabilisimetricinumanifestmoment electric, nici moment magnetic, astfel c forele de interaciune van der Waals dintre atomi sunt foarte slabe, ceea ce face ca distanele ntre atomi s fie mai mari dect dimensiunile acestoradecilegturadintreparticuleesteredus,nctheliullichidvaavea compresibilitateamultmaimaredectlaaltelichide,rezultndproprietilespecifice: temperatura de lichefiere foarte joas, pstrarea strii lichide pn n vecintatea lui 0K. InterpretareaproprietilorheliuluilichidsefacenbazafaptuluicatomiideHeII sunt bosoni i c la temperatura TB-E (temperatura Bose-Einstein) gazul bosonic supus rcirii ncepessecondensezenspaiul impulsurilor.RcitsubtemperaturaTB-EatomiideHeII manifestoordonaredupimpulsuriceeaceexplicoscdereaentropieisimultancu scderea cldurii specifice cv, prezentat n figura 3. Msurtorile bazate pe difracie de raze XpesuprafaaHeIInuaupusnevidenostructurcristalinordonatimpusde descretereaentropiei ceea ce l-a determinat pe London s considere c ordonarea a avut loc n spaiul impulsurilor i c apariia HeII se datoreaz condensrii bosonice a He. ntimpcemodelulEinsteinadmitecceiNatomidincareestealctuitfluidulse comport ca N oscilatori tridimensionali ce oscileaz independent, teoria lui Debye consider c ntr-un fluid pot lua natere unde acustice de dou tipuri: transversale (cu dou stri de polarizare)ilongitudinaleavndvitezedepropagarediferite.Frecvenaundeloracustice ntr-unfluidestelimitatsuperiordevaloarea vmaxrezultatdincondiiacalungimeade und a acestora s nu poat fi mai mic dect distana minim dmin dintre nodurile reelei. Notnd cu u viteza medie a undelor acustice n fluid, se obine: vmax =

d

(1) Deci ntr-un fluid exist un numr finit de moduri de vibraie.Debye consider c i n cazul undelor elastice se poate menine o relaie liniar ntre frecveneivectoriideund=ku1i=ku2undevitezeledepropagareu1 iu2 sunt presupuse independente de frecven. ntruct numrul de fononi ntr-o stare cuantic este nelimitat, acetia se comport ca particule Bose Einstein (cu potenialul chimic nul).Nucleuatomuluide 4Hesecompunedin2protonii2neutroni.Izotopul 4Heeste identiccuoparticulalfa,prezintuninteresdeosebitdeoarecesarcinasascade Capitolul 2 -9- exponenial de la un maxim n punctul central, exact la fel ca densitateasarcinii propriului nordeelectronialheliului.Motivulacesteisimetriiestesimplu:perecheadeneutronii perechea de electroni din nucleu se supun exact acelorai reguli de mecanic cuantic ca i perecheadeelectroniaiheliului(deiparticulelenuclearesesupununorpotenialede legtur diferite), astfel c toi aceti fermioni ocup complet stratul 1s n perechi nici unul neavndunmomentorbitalangular,fiecareanulndu-ireciprocspinulintrinsec.Aceast aranjareesteextremdestabilenergeticpentrutoateparticulele,iaceaststabilitate explic multe caracteristici cruciale ale heliului n natur. De exemplu, stabilitatea i energia joasanoruluielecronicalheliuluiexplicdeceestecelmaiinertelementchimic,ide asemenea lipsa de interaciune a atomilor de heliu ntre ei, fapt care determin punctul cel mai sczut de topire, respectiv de fierbere, dintre toate elementele chimice cunoscute [12]. Izotopuluor 3He,datoritmaseiatomicemaimici,areproprietilespecificemai accentuate: distane interatomice mai mari, temperatura de lichefiere i temperatura critic mai coborte [13].Proprieti termodinamice Intabelul1demaijossuntprezentateprincipaleleconstantetermodinamiceale izotopilor heliului (datele critice, punctul normal de fierbere) ct i ale punctului .

4He 3He TK (K)5,23,31 pK (bar)2,2751,146 K (g/cm3)0,06940,0412 TF (K)4,2243,19 T (K)2,18- p (bar)0,05- Tabel 1 Constantele termodinamice ale izotopilor Heliu Punctul critic punctul normal de fierbere si punctul la heliu Ceeaceldeosebetedecelelaltesubstaneestecheliulnuarepuncttriplu.Rcit subpresiuneavaporilorproprii,heliulesteunicsubstanexistentnnaturcareare posibilitatea de a rmne n stare lichid, n imediata apropiere a lui zero absolut (n 1926 K. Onnes a realizat T=0,7K n heliu lichid, prin vaporizarea acestuia la p=0,0036mmHg). PunctulminimdetopireareT=0,0775Kip=25,316bar.Aiciclduradetopireeste nul. La temperaturi foarte sczute, la topire chiar se elibereaz cldura nct la solidificare va trebui introdus cldura. Starea heliului solid se poate obine prin aplicarea unei presiuni nalteheliului lichid,capabilsrealizezeapropiereaatomilorinmsurasuficient,pentru formarea reelei cristaline caracteristice strii solide, i nu prin rcirea lichidului la presiunea de saturaie [14]. Figura 1 Diagramele de faz pentru 4He i 3He n coordonate T-p Capitolul 2 -10- Diagramadefazpentrucele3faze:heliusolid,heliulichidiheliugazare urmtoarelenotaii:Apunctulcritical 4He; 3Hecurbadevapori;Bpunctulcritical 3He; 1 domeniul He solid; 2 i 2' domeniul He lichid cu cele dou faze separate de linia ; 3 domeniul He gaz. Heliu rcit sub presiunea propriilor vapori, rmne lichid pn la temperatura de zero absolut,iardacsereducepresiuneavaporilordeHenfierbere,acestaivascdea temperatura,cnd lanivelulde 2,177Ki 50,4 mbar (punct numit ''punct "),fazalichid vasuferiotransformareprintrecereanfaza 4HeIIdinfazainiialde 4HeI,denumit transformaredefazdeordinulII.Cumaceastatranziiedepindedepresiune,existmai multe puncte , care alctuiesc o dreapt, numit linia . Aceasta separ 4He lichid n dou zone: - pentru temperaturi mai mari dect cele corespunztoare curbei , 4He lichid are un comportament normal, fiind numit 4HeI; - la temperaturi mai mici dect cele corespunztoare curbei , 4He lichid va prezenta proprieti absolut surprinztoare, fiind numit 4HeII. Astfel, 4HeI are o fierbere foarte agitat carelatrecereaprin linia,devine linitit, lichidul 4HeIIdeifierbe,prezintosuprafa neted [16]. La apropierea de zero absolut vscozitatea va fi nul i 4HeII devine un lichid suprafluid,practicfrfrecare,undevscozitateaatingevaloareade10-11poisei conductibilitatea termic este de 200 ori mai mare dect a cuprului. Heliul solid se poate obine prin aplicarea unei presiuni nalte heliului lichid, capabil s realizezeapropiereaatomilornmsursuficient,pentruformareareeleicristaline caracteristice strii solide. Keesomaartatcdateleexperimentalepentruviscozitateadinamicaheliului gazos, G, n domeniul de temperaturi 4...1000K i la presiune atmosferic, pot fi redate, cu destul acuratee, de relaia: G = 5,023 T0,647 [poise](2) Corelaiapresiuniidesaturaieavaporilordeheliu,pv,cutemperatura,areaplicaii deosebitentermometriacriogenic[17].Intabelul2suntprezentatepresiunilede saturaie ale vaporilor pentru cele dou variante 4He si 3He, rezultnd valori foarte sczute aletemperaturiidevaporizare,maisczutela 4He,ceeacefacecaheliulsfieunagent criogenic deosebit de bun, cuatt mai mult cu ct valorile cldurilor latente de vaporizare sunt reduse, lv ~ 82,5J/mol la 4,2K, nct aceste temperaturi sczute pot fi meninute timp ndelungat, n criostate special construite. T (K) p (mmHg) 4He p (mmHg) 3He T (K) p (mmHg) 4He p (mmHg) 3He 0.51.6 10-50.1592.8133.227489.549 0.62.8 10-40.5443182.242617.907 0.70.0021.3813.2242.192767.656 0.80.0112.8923.4314.174 0.90.042245.3043.6399.334 10.12178.8423.8498.988 1.20.6325320.1634614.680 1.42.1776238.5164.2748.459 1.65.7406565.4674.4901.013 1.812.5614102.5164.61072.6 223.9199151.1124.81264.15 2.240.6754212.67351476.6 2.463.5739288.6135.11590.94 2.694.0407380.3835.21710.84 Tabel 2 Presiunea de saturaie a vaporilor de heliu Capitolul 2 -11- O aplicaie a 4HeII este oferit de criostat al crui principiu de funcionare este: vasul superiorsealimenteazcu 4HeI,iniialcutemperaturade4,2K,darcaretreptatatinge temperatura T i se transform n 4HeII. Dup laminare, 4HeII trece n vasul inferior unde, prinpompareavaporilor,seobintemperaturimaimicidectT(1,8...2K),carepotfi utilizatentehnicadelaboratorpentrustudiereaproprietilormaterialelorlaaceste temperaturi [18]. Cldura latent de vaporizare a heliului Cldura latent de vaporizare lv pentru heliu, este prezentat n tabelul de mai sus, conformdatelorteoreticeoferitedeH.vonDijkiM.Durieux,remarcndu-sevariaii ciudate n zona temperaturilor 2,1...2,5K i peste 3,1K [19].T (K)Iv (J/mol)T (K)Iv(J/mol) 1,589,72,993,81 1,690,86393,90 1,791,923,193,90 1,892,723,293,78 1,993,133,393,50 293,013,493,06 2,192,033,592,46 2,290,773,691,67 2,391,343,790,71 2,491,913,889,55 2,592,463,988,22 2,692,95486,62 2,793,314,184,76 2,893,594,282,46 Tabel 3 Cldura latent de vaporizare a heliului Densitatea heliului lichid saturat (g/cm3) W.H.Keesomprezintvaloriledensitiiheliuluilichidsaturat,L,lapresiunea atmosferici funcie de presiunen tabelul4, observndu-seoschimbare considerabila dependenei cu temperatura dup punctul , T = 2,18K [20].p T (bar) (K) 15101520253035 1,250,14620,15220,15840,16360,16810,1722 1,50,14630,15240,15850,16380,16850,1727 1,750,14650,15260,15900,16450,16940,1741 1,80,14650,15270,15920,16470,17020,17470,1796 1,90,14660,15300,15960,16530,17080,17570,1795 20,14680,15330,16030,16660,17130,17560,17940,1829 2,10,14700,15390,16090,16650,17120,17550,17930,1828 2,20,14720,15400,16080,16630,17100,17530,17900,1826 2,250,14710,15390,16060,16620,17090,17520,17890,1824 2,50,14600,15300,16000,16650,17030,17450,17830,1818 30,14250,15060,15790,16370,16870,17300,17680,1803 3,50,13730,14710,15520,16000,16670,17120,17510,1786 40,12930,14220,15190,15880,16440,16910,17320,1768 4,20,12510,13990,15020,15750,16340,16820,17240,1761 Tabel 4 - Densitatea heliului lichid saturat Capitolul 2 -12- ncontinuare se prezintdatei informaiireferitoare laconductivitateatermic-, cldura specific - c i viscozitatea dinamic - . Trebuie fcut distincie ntre forma HeI i HeII [21].Conductivitatea termic Urmrind fierberea heliului lichid, remarcm faptul c, la reducerea presiunii vaporilor lasuprafaalichidului(lavaloripestep=38mmHg),HeIfierbeviolent,cuformareade bule mici n ntreaga mas a lichidului, conducnd la scderea temperaturii lichidului rmas dupfierbere.Inpunctul(p=38mmHg,T=2,18K),procesulseschimbradical: fierberea violent nceteaz brusc, fiind continuat cu o vaporizare superficial intens, ns foarte linitit a HeII, care conduce la scderea rapid a nivelului lichidului [22].SupraconductibilitateatermicaHeIIfacecanmasadeHeIIlichidsnuexiste diferenedetemperatur.UnimpulsdetemperaturvatreceprinHeIIlichidsimilarcuo undsonorprintr-unmediuelastic,lsndtemperaturalichiduluistrbtutneschimbat. Acest fenomen de transmitere a cldurii n HeII lichid poart denumirea de al doilea sunet. Vitezeleacestorundedetemperatursuntindicatentabelulurmtor,funciede temperatur [23].T (K)2,1821,631,15 wr (m/s)416,720,319 Tabel 5 - Viteza de propagare a temperaturii in HeII lichid Supraconductivitateaafost observati la numeroase metale supuse la temperatur sczutiseexplicprinfaptulc,anumiielectroni,seasociaznperechi(numite perechileluiCooper).ComportamentulafostdescrisprimadatdeBardeen,Cooperi Schrieffer, n 1972 acetia primind premiul Nobel pentru fizic [24].Tranziiaseexplicprindiscontinuitateaclduriispecificeaheliuluilichid-cL,la temperatura de 2,18K, determinat experimental de W.H. Keesom pentru diferite presiuni. Discontinuitatea cldurii specifice a heliului lichid - cL este de circa 5J/gK i se produce ntr-un interval de 10K. Forma curbei cL = f(T) n aceast zona a dat denumirile de: - tranziie , linia de separaie a fazelor heliului lichid (HeI si HeII), i -punctuldatdetemperaturaipresiuneacorespunztoareacesteidiscontinuiti. CumdiscontinuitateacLdepindedepresiuneitemperaturatranziieivariazcu presiunea,delaozondepecurbadevaporizare(2,18Ki0,05bar),launpunctdepe curba de topire (1,75K si 30bar), determinnd astfel linia . Discontinuitateai forma curbei ccorespund variaiei entropiei heliului lichidn zona T.Astfel,entropiaareoscderebruscpentruvalorialetemperaturiisubT(nHeII), conducndlaoschimbarenconstituiaheliului lichid,nsensultrecerii laostructurmai ordonat (transformare de faza de spea II) [25].Viscozitatea dinamic a heliului lichidAfostdeterminatexperimentaldemaimulicercettori.DateleobinutedeW.H. KeesomsiG.E.MacWoodideA.C.Hollisaratfaptulc,viscozitateadinamic-L,nu numai cnu creteodatcuscderea temperaturii (ca lacelelalte lichide), dar prezinti unele anomalii: - pentru T > T (zona HeI) scade mai lent cu temperatura; - pentru T = T scderea devine brusc, ns fr nici o discontinuitate. Valorile viscozitii dinamice aheliului lichid sunt foartesczute (comparabile cucele ale gazelor sau de circa 1000 de ori mai mici dectvalorilepentru apa),nctacestaeste superfluid. Curgerea lui prin tuburi capilare prezint particulariti nentlnite la alte lichide. Astfel, viteza de curgere nu depinde de lungimea tubului capilar, deci curge fr frecare, su dediferenadepresiunelacapeteletubului.Aceastavitezadepindenumaidediametrul capilarului i de temperatura lichidului [26].Deexemplu,unrecipient,cuporiextremdefini(princareHeInupoatetrece),va permite trecerea heliului lichid cnd se atinge temperatura de tranziie la forma HeII. Cnd Capitolul 2 -13- T 0(5) reprezintocurbmonotonnsistemuldecoordonate(T,p)raportulv/cpfiind totdeauna pozitiv, deci rcirea prin detent reprezint o adiabat care nu este limitat de un anumit domeniu, situaie prezentat n figura 7. Figura 7 - Evoluia adiabatei n coordonate (T, p) In majoritatea proceselor criogenice, care reprezint o lichefiere, sunt utilizate ambele procese: prercirea gazului prin detent i lichefierea propriu zis prin laminare. b)scdereaclduriilatentedevaporizarelvodatcuscdereatemperaturii, reprezintocaracteristicpentrucriogenie,caparticularitateaagenilorcriogenici(gaze lichefiate).nfigura8seprezintaceastvariaiepentrudiferitefluidecriogenice,iarn figura9avemoreprezentaremaisugestiv,carearatcantitateadelichidcriogenic evaporat, n litri, cnd n sistem se introduce 1 W ntr-o perioad de timp de 24 de ore, ceea cedemonstreazimportanacaretrebuieacordatizolaieitermice.Efectultemperaturilor sczuteseasociazderegulcualteefecte:presiuniridicate,transformridefaz, transformri chimice, reacii fotochimice [35].Capitolul 2 -18- Figura 8 - Variaia cldurii de vaporizare condensare cu temperatura pentru principalele sisteme criogenice Figura 9 - Cantitatea de lichid evaporat pentru realizarea 0=1W/zi, cu diferite fluide criogenice c)transferultermicserealizeazprinceletreiforme:conducie,conveciei radiaie.nprincipal,pierderiledecldursedatoreazconvecieiiradiaiei,deoarece conduciaestemicoraticontrolatprinreducerealaminimadimensiunilor echipamentelor.Pierdereadecldurprinconveciesepoateaducelaunminimprin instalarea echipamentelor n incinte vidate (10-6torr). Ct privete pierderea de cldur prin radiaie, aceasta reprezint pierderea major i se datoreaz tendinei de anulare a celui de al doilea termen din relaia: qp = prop (T42 T41)(6) icumtemperaturadelucruT1tindectrezero,temperaturamediuluiambiantcare esteT2 =300Kpracticcontroleazradiaia,respectivqR=8,1109K.Remediulpentru reducereapierderilordeclduresteceaaecranelorderadiaiemultistrat,cunoscuteca superizolaii sau a pulberilor n vid, dar au eficien mai sczut [36]. n afara pierderilor de cldurlaanalizaciclurilorcriogenice,trebuieacordatatenielapierderiledeexergie datorit transferului de cldur la o diferen finit de temperatur [37] 1 21 20T TT TT EQ= A(7) i urmare a cderii de presiune n lungul schimbtorului de cldur: p) ( dTvT EP0 110 PA =}(8) Dac temperatura T1 tinde ctre zero, minimalizarea celor dou pierderi de exergie se obine prinutilizareaschimbtoarelor decldurladiferene ctmai mici de temperatur, deoarece n cazul T2 = T1 reprezint un proces reversibil.Capitolul 2 -19- Obinereadetemperaturijoaseifoartejoasencondiiieconomiceserealizeazprin utilizarea procesului criogenic n cascad, care se aplic cu succes la ciclurile de rcire cu gaz, proces cunoscut i sub denumirea de ciclu Brayton [39].Transferuldeclduralheliuluinzonastriicriticeestedatoratinfluenei proprietilor fluidului (, cp, , ) i prezint o serie de particulariti: a.diferena mare de temperatur ntre mediul ambiant i fluidul criogenic conduce la cretereaimportaneiradiaieintransferuldecldurtotalctilaapariiaunorprocese specifice (fierberea cu film de vapori); b.clduralatentdevaporizare/condensareredusconducelaomodificarerapida calitii fluidului n timpul proceselor de transformare de faz; c.punctulcriticintroduceunspecificaparteattndeterminareaproprietilor fluidului, ct i n structura curgerii i n manifestarea proceselor; d.heliulareuncomportamentdiferitlatemperaturisczute(efectcuantic),fade celdelatemperaturanormaliaruneledinproprietilelor(conductivitateatermic, viscozitatea)prezintdiscontinuitiimportantenvariaie.Superconductivitateai superfluiditateamanifestatdeheliulatemperaturifoartesczute,ncneelucidate complet, vor influena puternic transferul de cldur n apropiere de 0K; e.nu exist suficiente date experimentale pentru transferul de cldur al heliului, iar unele rezultate din cercetrile efectuate sunt n contradicie. Efectul cuantic se manifest cmpuri magnetice puternice i se observ la temperaturi napropierealuizeroabsolut,ncareundedeelectronisuntdistrusedeatomi.Aceste particule sunt denumite n starea cuanticbozoni i fermioni. Fenomenul cuantic, cunoscut ca efectul cuantic Hall, mai genereaz anyoni, atunci cnd este trecut un curent electric, iar perpendicularexistuncmpmagnetic,ceeacedetermincaelectroniidininteriorsfie mpininlateralgenernduncurentHall.Astfels-adescoperitcacestecvasi-particule (electroniisegrupeazlaunlociausarcinifracionale)suntanyoni,adicnusuntnici fermioni (asemenea electronilor nsi) i nicibozoni (asemenea luminii sau particulelor de Heliu lichid care se formeazn cazul superfluiditii).Aceste particule pot sta unele peste celelaltenaceeaistarecuantic,nsexistolimit,decinuputemaveaoinfinitatede asemenea particule depozitate n aceeai stare cuantic [40].Analizatransferuluideclduralatemperaturisczutes-abazatpeaceleaiprincipii fundamentale,utilizateipentrutemperaturinormale.Totuiexistnsparticularizriale corelaiiloridiferenedeordindemrime.ntabelul6suntprezentateprincipalele proprieti ale heliului. Fluid Masa molar Gazul la 0C i 760 mmHgLichid la T0n M (kg/kmol) g (kg/m3) g (W/mK) cpg (kJ/kgK) g (106Ns/m2) l (kg/m3) l (W/mK) cpl (kJ/kgK) l (106Ns/m2) Heliu4,0030,1790,14365,23418,61250,0314,7300 Tabelul 6 - Proprietile termodinamice eseniale ale heliului Heliulsecaracterizeazprinlipsadeculoare,gustimiros,avndtemperaturade fierbere sczut i prezint particularitatea de a aveastratul exteriorcomplet cuelectroni, ceeaceiiconfercalitateadeafistabil,reprezentndagentulproceselorcriogenice pentruobinereatemperaturilorfoartejoase.Conformcercetrilor,s-adescoperitcn miezulSoareluihidrogenulsetransformnheliuprinfuziunenuclear,reacienuclear princaredounucleeatomiceuoareseunescformndunulmaigreu[41].nfiecare secund,pestepatrumilioanedetonedemateriesuntconvertitenenergiennucleul soarelui, generndu-seastfelneutrinoiradiaie solar.Hidrogenulreprezintaproximativ 74% din masa Soarelui, heliul 25%, iar restul este constituit din cantiti mici de elemente maigrele(oxigen0,77%,carbon0,29%,fier0,16%,neon0,12%,azot0,09%,siliciu 0,07%,magneziu0,05%,sulf0,04%).Aceastanseamncigenereazenergiaprin Capitolul 2 -20- fuziunea nuclear a nucleelor de hidrogen n heliu, i c se afl n echilibru, adic nici nu se contract nici nu se dilat. Fuziunea heliului va ncepe cnd temperatura n centru va ajunge la3108K.ncentrulSoareluitemperaturaajungela15milioanedegrade,iarpresiunea estede100milioanedeorimaimaredectceadincentrulPmntului.nacestcuptor, atomii de hidrogen se aglomereaz cte patru i se transform n atomi de heliu. n cadrul acestei reacii de fuziune nuclear se degaj cldur i lumin, sursa strlucirii Soarelui. n fiecaresecund,564demilioanedetonedehidrogensetransformnaproape560de milioane de tone de heliu n centrul Soarelui, iar diferena, mai mult de 4 milioane de tone pesecund,setransformnenergieradiativ(njurde383yotawatt,adic3,83x 1026Watt). Zona unde se produc aceste reacii nucleare nu reprezint dect un sfert din raza Soarelui,dareacuprindejumtatedinmasaacestuia.Conformteorieirelativitii,lumina emisnaceastzoncentralaSoareluinuajungelasuprafaasadectdupdou milioane de ani [42]. 2.2. INSTALAII PENTRU SEPARAREA HELIULUI Sursele principale de heliu sunt aerul i gazele naturale. n aer abundena molar aheliuluiestede5,2ppmceeacecorespundeuneirezerveraportatlaatmosfera pmntului,de9,21014moli.Masadeheliudinatmosfersegsetentr-unechilibru staionar ntre curentul care se pierde n univers i cel adus de vntul solar, la care se adaugheliulgeneratdescoaraterestrideoceane.Datoritconcentraieifoarte mici a heliului n aer, instalaiile de separare a aerului produc azi doar 5% din necesarul actual de heliu [43]. Surse cu concentraii ridicate de heliu i deci mai economice, sunt unelesondedegazenaturale,puinelanumrirelativconcentrateteritorial.Dintre aceste surse amintim pe cele din SUA cu un coninut de heliu cuprins ntre2 i 10% i cea european din Polonia, cu 0,4% heliu. Rezerva limitat de heliu i previziunea unui consummarealacestuianperspectiv,afcutcaSUAstreaclaunprogramde conservareaheliuluiprinsepararealui,caprodussecundaralinstalaiilorde prelucrareagazelornaturaleiapetrolului,astfelnctnjurulvaloriide70%sfie depozitat n grotele rmase dup exploatarea gazelor. Separarea heliului formeaz totdeauna un produs secundar, o valorificare a unor deeuri din procese complexe chimice cum ar fi cele de prelucrare a gazelor de sond, agazelorpetrolieresauaaerului[44].Instalaiadeseparareaheliuluidinaerse cupleazlapurjacondensatoruluideazotaprimuluietajalcoloaneidedistilarea aerului lichid, aa cum se prezint n figura 10. Fa de coninutul iniial de heliu n aer, de 5,3ppm, purja condensatorului de azot conine cca 50-60ppm heliu. Figura 10 - Schema unei instalaii de separare total a aerului si obinere Heliu Capitolul 2 -21- a - compresor; b - schimbtor; c - detentor; d - coloan de medie presiune; e - coloan de joas presiune;f-blocaj pentru neon;g-condensator; h-blocajpentru krypton; iseciadeoxigen; jsecia intermediar;kseciadeazot; lcoloan auxiliar;mcoloandembogireaheliuluiineonului;n,orcitoare;p-q adsorbere; r coloan de mbogire a kryptonului i xenonului. Figura11prezintschemablocainstalaieideseparareaheliului,nurma condensriiparialeaamesteculuiN2-He-Neiadsorbieiazotuluiineonuluipe crbune activ la temperaturi joase. Figura 11 - Fluxul tehnologic pentru separarea heliului din aer prin condensare parial i adsorbie Instalaiaestecuplatlaofabricdeoxigenrespectivpepurjadegaze necondensabiledelacondensatoruldeazot,careasigurrefluxulprimuluietajal coloaneidedistilare.Debitulpurjeiesteastfelreglatnctssemeninopresiune binedeterminatncondensator,prinlimitareapresiuniiparialeagazelor necondensabile, cum ar fi heliul, neonul i hidrogenul. Prin purje se extrage amestecul de gazeN2He-Ne,caredup oprealabil prercire este introdusntr-uncondensator rcitcuazotlichid,provenittotdinfabricadeoxigen,daracreipresiuneeste meninutsubceaatmosferic,cuajutoruluneipompedevid.nfelulacesta temperaturancondensatorestemeninutpuinsubtemperaturade70Kntimpce presiuneaamesteculuiextrasestelapresiuneacoloanei,decicirca6bar.Datoritacestor parametri de operare dup condensator amestecul are urmtoarea compoziie molar medie 23%N2, 16%He i 61%Ne. Azotuldin liniadealimentareestecondensatncondensatorireintrodusncircuitul de rcire, obinndu-se astfel un nalt grad de recuperare a frigului. Dupcondensare,amesteculconcentratnHeiNeestetrecutpesteunpatde crbuneactivmeninutlatemperaturaazotuluilichid,undesuntreinuteazotuli neonul,obinndu-seheliusubformadeprodusgazoscuopuritatemaimarede 99,5%.Prinmetodeneconvenionale,cumarfipermisivprinsticldecuar,heliul poatefiaduslapuritateanumitspectrometric,adiclaconcentraiesuperioarlui 99,99%.Graduldeextracieaheliuluidinaerestemaimarede90%,ceeace corespundeuneicapacitidefabricaienmediede34 moli heliupeorpentru1000 toneoxigenpezi.Hidrogenulexistentngazeledepurjpoatefindeprtatprin oxidarea acestuia n ap. Schema din figura urmtoare arat o asemenea instalaie de separareahidrogenuluidinamesteculHe-H2.Condensatorulestercitcuhidrogenul lichid,deunde,dupcondensareaceleimaimaripridehidrogenamestecul mbogit n heliu este introdus n bucla de oxidare dup care heliul filtrat i uscat este trecutlapurificareafinal,realizatfieprinadsorbielatemperaturijoase,fieprin permisiv.Schemapoatefiutilizatpentruoricesituaiencareaparceledou Capitolul 2 -22- componenteheliuihidrogennansambluluneiinstalaiicriogenicedinindustria chimic.Instalaiiledemarecapacitateprivindproduciadeheliusunttotuicele cuplatelainstalaiiledeprelucrareagazuluimetan,cuconinutridicatdeheliu[45]. Tehnologiadeseparareaheliuluisebazeazpeprincipiulcondensriiparialeproces avantajatdetemperaturafoartesczutapunctuluidecondensarealheliului.Gazul metan este rcit in trepte pn cnd practictoate componentele sunt lichefiate, astfel cnjurulpunctuluidesolidificareaazotuluiseobineopuritateaheliuluidecirca 99%.Pentruconcentrareafinalnvedereaobineriiuneinaltepuritiaheliuluise utilizeaz n general procese de adsorbie i mai rar de permeaie. Pentru a mri gradul de extraciealheliului din gazulmetan, fazele lichide formatepeparcursulprocesului delichefieresuntstripatesautrecuteprintr-unprocesderectificare,nscopul extragerii heliului solvit n faza lichid. n figura 12 sunt prezentate componentele instalaiei de separare a heliului dintr-un curent de hidrogen. Aceast instalaie permite obinereaatt a heliului lichid ct i ahidrogenuluilichid,frafinecesarutilizareaaltoragenicriogenicipentru prercire. Figura 12 - Instalaie de separare a heliului dintr-un curent de hidrogen 1condensator; 2schimbtoare; 3nclzitor; 4reactor catalitic; 5separator;6recirculator; 7compresor; 8rezervor; 9adsorbitor; 10purificator. Pentru exemplificare se vor descrie dou instalaii de separare a heliului cea de la Liberal-Kansas,caredescriefluxultehnologicalinstalaieideprelucrareagazului metan(figura13)irespectivdelaOstrow-Polonia(figura14),acrorprocese,de separarenglobeazmajoritateaprincipiilorcarestaulabazaseparriiindustrialea gazelor. Capitolul 2 -23- Figura 13 - Instalaie pentru concentrarea heliului a, c, f, j schimbtoare; b adsorbitor; d vaporizator pentru propan; e, r separatoare; g, k, o vaporizatoare pentru metan; h, l coloane de stripare a heliului; i, m vaporizatoare; n condensator; p, q, s, t compresoare. Dupoprercireagazuluimetan,nadsorberulbestendeprtattoatapa, dup care prin rcirea n continuare, n separatorul e sunt ndeprtate fraciunile grele dehidrocarburi.Urmeazunnouetajdercire,realizatcuunciclufrigorificcugaz metan,cnd94%dincurentuldealimentareestecondensati45%dinconinutulde heliusegsetesolvitnel.ncoloanahla172Kserealizeazoprimstriparea heliului din gazele condensate, respectiv epurarea fluidului de fraciunile volatile, dup care urmeaz o nou stripare, de aceast dat la o temperatur de 103K, obinut cu un ciclu frigorific cu azot. Produsul din capul coloanei, sub form gazoas, este preconcentratul deheliulaunconinutde65%moliHe.Produsuldinbazelecelordoucoloane,nstare lichid,lformeazgazulmetan,caresevaporizeaznschimbtoareledecldur succesive, prercind linia de alimentare a gazului metan. In final preconcentratul de heliu i gazulmetansuntcomprimai laparametriiceruideproces.Deobservat,cceledou cicluri frigorifice unul cu gaz metan i altul cu azot, sunt veritabile pompe de cldur, la nivelul temperaturilor din procesul tehnologic de separare a heliului [46].Instalaiadela Ostrow-Poloniaesteutilizatpentrucretereaputeriicalorificea amesteculuidegazmetan,prinsepararealuideunconinutridicatdeazot.Eaeste utilizatnacelaitimppentruseparareaheliu,caprodussecundar,datfiind concentraia ridicat a heliului n gazul de sond. Figura 14 - Instalaie pentru separarea complet a heliului Capitolul 2 -24- acoloandesplare;b,c,p,sadsorbitor;d,j,k,l,n,qschimbtoare;e pomp; f, h coloane; g, i condensatoare; m reactor catalitic; o, r separatoare; t lichefactor de heliu; n rezervor de azot. Gazulmetandesond,subopresiunede57bar,estesplatcu monoetanolamin(MEA)pentrundeprtareaCO2,dupcareesteuscatprin adsorbie.Urmeledehidrocarburisunteliminatetotprinadsorbie,aacpractic amesteculdegazmetaniazot,cuurmedeheliuihidrogen,esteseparatntr-o coloancudouetaje,depresiunemedieijoas,alecrorprodusesuntgazul metan i azotul. Gazele necondensabile, care se acumuleaz n condensatorul coloanei de medie presiune g, n care heliul ajunge la o concentraie de circa 10%, sunt trecute ntr-uncondensatorrcitcuazotlichidi,undeprincondensareparialheliulse mbogetela88%.Odatcucretereaconcentraieideheliucreteiconinutulde hidrogen,carencondensatoruliajungepnla2%icaataretrebuiendeprtat. Acestlucruserealizeazprinardereacataliticahidrogenului.laotemperaturde 42,5K,nprezenaunuicurentdeaer.Vaporiideapproduisuntcondensaiprin rcire cu ap, restul fiind eliminai n usctorul p. Prin acest procedeu coninutul n hidrogen este adus la o valoare sub 2ppm. Purificarea heliului de restul de azot se realizeaz n dou trepte, prima fiind o condensare parial, a doua o adsorbie la temperatur joas pe un pat dubludecrbuneactivisitmolecular.Heliuldenaltpuritateestencontinuare lichefiat, form sub care este comercializat. Instalaiadeseparareaheliuluiarelabazceledouproceselatemperaturi joase,decondensareparialiadsorbie.Cuplareainstalaieideheliulaoinstalaie desintezaazotuluisefaceprin intermediul instalaieideseparareaargonului,cum se poate observa din figura 15. Figura 15 - Schema instalaiei de separare heliu a coloan de splare; b usctor; c, d schimbtoare; e, f separatoare; g vaporizator; h coloan de separare Ar-CH4; i condensator; j rezervor N2; k, l, n schimbtoare; m detentor; o compresor; p coloan de separare N2-Ar; q vaporizator; r rezervor Ar lichid; s pomp; t instalaie de separare a heliului. Curentul de alimentare, bogat n hidrogen, este rcit cu azot lichid vaporizat sub vid, n condensatorul a, unde practic azotul este total ndeprtat i redus la un coninut sub0,5ppm,mpreuncuneonul,nadsorberulcrcitnjurultemperaturiide70K. Capitolul 2 -25- Primuletajdesepararealamesteculuihidrogen-heliuesterealizatncoloanade rectificarej,alcruiprodusdelacaptulsuperior,latemperaturade26K,esteun concentratnheliulanivelulde50%.ndeprtareahidrogenuluiesterealizatprin arderea lui catalitic la ap, ntr-un curent de oxigen, reglat la un debit stoechiometric (raportulcantitativdintreceledousubstaneoxigenihidrogencareintrncompoziia apei), stabilind echivalentul chimic al hidrogenului, fiind cunoscut echivalentul chimic al oxigenului, cerut de reacia de oxidare.Pentruaevitaosupranclzireareactoruluiicurentulprovenitdelacoloanaf estediluatnhidrogen,cuheliulprodusnreactorirecirculat,astfelcasnuse depeascunconinutde2%hidrogenngazulprelucratprinarderecatalitic.In continuare,prinrciretreptatiprintrecereaprintreiadsorbitoaresuccesive,se ndeprteazurmeledevaporideap,apoiazotuliargonul,infinalneonulpe crbune activ, rcit cu hidrogen lichid la 40K [47]. Figura 16 - Schema tehnologic a instalaiei de separare heliu Dupcumrezultdinschemaprezentatnfigura16,ncarenotaiilesunt aceleaicalafiguraprecedent,ageniifrigorificisuntazotulihidrogenul,ambii utilizainstarelichid,frigulfiindobinutprinvaporizarealorlapresiunidictatede niveluldetemperaturicaretrebuieasigurateprocesuluideseparareipurificarea heliului.Heliupurificatesteutilizatpepostdemoderatordeneutroninreactoarele termonuclearedeoareceoriceimpuritatechimic,cum ar fi borul,reprezintunabsorbant puternicdeneutronii,astfel,oadevratotravpentrureacianlan.Fuziunea termonuclearcontrolatesteastzicaleaceamaipromitoarepentruenergetica viitorului, realizarea ei urmnd s asigure, pe o perioada practic nelimitat, ntreg necesarul deenergiealomenirii,utiliznddreptcombustibilhidrogenulgreudinapa.Elementulde bazapentrureaciadefuziuneesteatomuldehidrogen,careesteformatdintr-unnucleu ncrcat pozitiv, n jurul cruia se rotete un electron. Exist i un hidrogen de dou ori mai greu-izotopalhidrogenului,cudenumireadedeuteriu-careareaceleaiproprieticu hidrogenuldescrismainainte,daralcruinucleuestealctuitdintr-unprotonsiun neutron, acesta din urma fiind o particula practic de aceeai greutate ca protonul, neutr din punct de vedere electric. Exist i un izotop i mai greu al hidrogenului, denumit tritiu, i al cruinucleuareunprotonsidoineutroni.Problemaseparriiheliuluisepunedeo maniercutotulspeciallaviitoarelereactoaretermonucleare,undeheliulesteun produs al unor reacii nucleare de tipul: D(2H) + T(3H) (4He + 3,6MeV) + (n + 14,1MeV) n + Li6 T(3H) + 4He + 4,6MeV(9) Capitolul 2 -26- Dupcumsevededinreaciaartatmaisus,corespunztorfuziuniinuclearea diferitelor nuclee atomice, s-a constatat c un nucleu de deuteriu, compus dintr-un proton iunneutron,atuncicndfuzioneazcuunnucleudetritiu,carearencomponenun protonidoineutroni,seobineheliu,unneutronsuplimentaricevaenergie,avnd astfel la dispoziie bazele teoretice ale unui dispozitiv cu care produce energie. Energia de legtur a deuteriului este n jur de 2 MeV, iar energia de legtur a tritiului este n jur de 8 MeV. Astfel c la intrarea n sistem avem n total 10 MeV. Energia de legtur a heliului este de 28 MeV, iar neutronul liber are zero energie de legtur. Scznd cei 10 MeV din 28MeV,rezultcfiecarereaciedefuziuneestensoitdeeliberareaa18MeVde energie. n primul rnd, explicaia este c nucleele au dimensiuni foarte mici, de ordinul 10-13 cm,adicde100.000deorimaimicidectdimensiunileatomilorirezultdeaicic probabilitatea de realizare a reaciilor termonucleare este de milioane de ori mai mic dect cea a reaciilor chimice.naldoilearnd,pentruarealizareaciadefuziune,celedounucleededeuteriu trebuie s se apropie la distane foarte mici, de ordinul de mrime al dimensiunilor lor. Dar aceste nuclee sunt ncrcate cu sarcina electric pozitiv, deci se resping cu att mai mult cuctdistanadintreeleestemaimic.Calculeleauartatc,pentruanvingeaceste fore i pentru a contopi ntr-o nou particul, nucleele de deuteriu trebuie s aib energii de ordinul a 0,1 MeV. Pentru a avea asemenea energii, temperatura gazului constituit din nucleele grele trebuie s fie mai mare de 100 milioane grade, temperaturi la care materia nupoateexistadectnstaredeplasm.Existposibilitateadearealizareaciade fuziunelatemperaturicevamaisczute,dacseconsiderdreptcombustibilamestecul deuteriutritiu[48].Masaelementelorcareintrnreacieestemaimaredectmasa elementelor rezultate, defectul de mas regsindu-se n conformitate cu relaia lui Einstein n energia particulelor rezultate:E = Mc2 (10) unde E este energia particulelor dup reacie, M defectul de mas, iar c2 ptratul vitezei luminii. O asemenea reacie nu poate avea loc ns cu uurina din mai multe motive. nc de cnd Einstein a demonstrat echivalena masei i energiei, fizicienii au exprimat masa de repausaparticulelor,precumprotonii,neutroniiielectronii,nunitideenergie.Dou uniti de msur sunt utilizate n acest scop: electron-voltul (eV) i milionul de electron-voli (MeV). Folosind aceste uniti de msur sunt relevante: masa de repaus a protonului este egal cu 938.272 MeV, iar masa de repaus a neutronului este egal cu 939.566 MeV. Schemauneiinstalaiinucleareexperimentaledetermofuziuneesteartatn figura17,undeceledouprocesecriogenicefacparteintegrantdinprocesulde producere a energiei electrice. Figura 17 - Schema unei instalaii nucleare experimentale de termofuziune Capitolul 2 -27- Schemainstalaieideseparareaheliuluiesteaseamntoarecuceaaseparrii heliuluidinamesteculheliu-hidrogen.Separareaizotopilorhidrogenului,respectiv deuteriuitritiu,estedetipuldistilriihidrogenuluilichid.Procesulcriogeniceste destinatnscopulrciriimagnetuluisupraconductor.Acestexempluilustreaz importana crescnd pe care o au procesele criogenice n noile surse neconvenionale pentru producerea energiei [49]. 2.3 INSTALAII CRIOGENICE DE LICHEFIERE A HELIULUI Utilizarea instalaiilor criogenice de lichefiere a heliului a determinatpreocuparea cercettorilor pentru metode i sisteme care permit obinerea temperaturilor din ce n ce mai joase. Obinerea temperaturilor joase se realizeaz prin dou metode: - prima,frefectuaredelucrumecanic,metodcareutilizeazscderea temperaturii gazului prin laminare, n domeniul efectului Joule-Thomson pozitiv; - adoua,cuefectuaredelucrumecanic,prindestindereaheliuluintr-un turbodetentor.Aceastmetod,analizatdinpunctdevederetermodinamic,permite obinerea temperaturilor joase n mod eficient. Prercireaheliuluilaotemperaturnjurde20Kreprezintcaracteristica principal a instalaiei criogenice i este legat de realizarea urmtoarelor condiii: - purificarea practic perfect a heliului; - o izolaie termic foarte eficace; - schimb de cldur la diferene foarte mici de temperatur; - turbodetentoare cu randament mare i gabarit mic. Ciclurile frigorifice ale heliului sunt utilizate la dou tipuri de instalaii i anume la instalaii frigorifice de temperatur foarte joas i la instalaii de lichefiere. Diferenadintreceledoutipurideinstalaiioformeazcircuituldeheliu,care pentruinstalaiafrigorificestenchisipurificarea luiestesimpl,ntimpcepentru instalaii de lichefiere circuitul este n parte deschis iar purificarea heliului joac un rol hotrtor. Inceleceurmeazseprezintschemeledeprincipiupentruceledoutipuride instalaii,conceputeunitar,ceeacevapermitemaiuorsseconstatediferena caracteristic. Prima schem, prezentat n figura 18, este a instalaiei criogenice cu heliu, unde rcireasuccesivserealizeazprinintermediulazotuluilichidiadou turbodetentoare nseriate. Utilizareaazotuluilichid,respectivaunuiciclufrigorificexterior,esteexplicat prinmrirearandamentuluitotalalinstalaiei,acelaiscopfiindurmritiprin destindereaheliuluinturbodetentoare,montatencascad,careprelucreazastfel mai eficient cderea de entalpie, raportat la gazodinamica rotorului. Schimbtoareledecldurnseriatepermitetransferulfluxuluidecldurla diferene de temperatur care s nu depeasc cteva grade. Laminareaserealizeazndoutrepte,primadelaniveluliniialde comprimarede30-35barla10bariadouadela10barlapresiuneaatmosferic, permind realizarea unei temperaturi de 4,5K la consumator [50].Reglareacapacitiiinstalaieisefaceprinintermediulcelordourezervoare tampon de medie i joas presiune. HeliulseobineprinadsorbiaoxigenuluiiazotuluinadsorberulA2lacirca 85K i a neonului i hidrogenului n adsorberul A3 la circa 25K. Capitolul 2 -28- Figura 18 Schema instalaiei criogenice cu heliu Instalaia de lichefiere, prezentat n figura 19, const din dou linii, una cea a instalaiei de rcire, asemntoare cu instalaia din figura 18 i a doua, instalaia de lichefierepropriu-zis.Caracteristicalinieidelichefiereconstnsistemulde purificare al heliului, provenit n principal din linia de recuperare a acestuia din locurile de utilizare, unde se impurific, n special cu aerul din mediul ambiant, pn la valori cepotatinge20%.Urmrindcircuituldeheliudelatemperaturamediuluiambianti pnlaceadelichefiereahidrogenului,adsorberelepurificnA3umiditatea,nA4 bioxidul de carbon, n A5 i A6 oxigenul i azotul i n A7 neonul i hidrogenul. Figura 19 - Instalaie criogenic de lichefiere a heliului A1 A7 adsorbere; C1 compresor; D1, D2 rezervor tampon; D3 separator; E1-E9 schimbtoare; EM1-EM2 turbodentoare; K1 condensator; T1 rezervor pentru heliu lichid; T2 vas Dewar Capitolul 2 -29- Fa de instalaiile prezentare mai sus, a cror temperatura de lucru este de 4,5K, firmaLindearealizatoinstalaiecufluxcontinuu,carelaocapacitatede380W realizeaz 1,8K. Schema instalaiei este prezentat n figura 20. Figura 20 - Instalaie criogenic cu heliu pentru producerea 1,8K 1 compresor; 2 pomp de vid; 3 schimbtor; 4 adsorber; 5 turbodetentor; 6 vaporizator. Temperaturade1,8Kcorespundeuneipresiunidevaporizareaheliuluide 16,6mbar, la care dac se adaug cderea de presiune n schimbtoarele de cldur de 5mbar,rezultcpompadevidaresarcinadepompareaheliuluidela21,6mbarla presiuneaatmosferic.Laminareaserealizeazndouetaje,primaprinventilulLC, cndnschimbtorul6seobineheliulichidla1,2barcareprercetelacirca5Kcei 10%heliudincircuitulinstalaiei,carenfinalsuntlaminaiprinLCla16,6mbar, presiune necesar realizrii celor 1,8K. Fadeconstruciileprecedente,firmaSulzerfolosinddoardetentaadiabaticn douturbinenseriate,realizeazlichefiereaheliuluifrprercirecuazotlichid.ns noutateaspecificcaredifereniazinstalaiaSulzerdeprecedenteleinstalaiieste utilizareaunuiejectordupultimulschimbtordecldur,cumpoatefiobservatdin figura21,careaduceunaportdefrigspecificprocesuluisu.Prinintroducerea ejectorului la aceeai instalaie se poate obine un spor de capacitate de circa 40% fr cretereacorespunztoareaconsumuluideenergie,cuouoarcreteredeentropie dar mai mic dect cea din procesul de laminare. Capitolul 2 -30- Figura 21 - Instalaie de lichefiere a heliului cu ejector 1 compresor; 2 turbodetentor; 3 schimbtor; 4 rezervor; 5 ejector;6 separator. Turbodetentorul fabricat de firma Sulzer, este prezentat n figura 22 i realizeaz unrandamentntre58-82%pentruovitezperifericarotoruluide460m/s,ntr-o gama de rotoarecu diametrentre 16i 32mm. Frnarease realizeaz printr-un rotor de compresor, calat pe acelai ax cu turbina. Cretereasiguraneinfuncionareainstalaiilordelichefiereaheliuluise datoreaziprogreselorfcutenconstruciaturbodetentoarelor,lacares-aurmrit creterea continu a randamentuluiadiabatic iminiaturizarea lor, nscopulmicorrii pierderilor defrig,miniaturizare tradus prin mrireaturaiei care, n prezent,a ajuns la500.000rotaiipeminut.Odatcuabordareadinpunctdevederegazodinamical turbinei s-a pus la punct i construcia lagrelor autoportante cu gaz. Turbodetentorulrealizeazdestindereagazuluicuproduceredelucrumecanic. Acesta,ncomparaiecudetentoruldotat cupiston,esterealizatcuturbinnfuncie dedebituldegazigraduldedestindere.Dacdetentoarelecupistonsefolosesc pentru un grad de destindere de 540 i debite de 502000 Nm3/h, turbodetentoarele suntutilizatepentrugradededestinderemaimicide5idebitemaimaride2000 Nm3/h. Ceea ce este important de reinut este faptul c procesul de lucru din detentor esteinversceluidecomprimare,odatcudestindereagazuluiavndlociorcire. Turbodetentorul prezint o serie de avantaje fa de detentorul cu piston: -funcioneaz fr frecare i nu necesit ungere n prile reci; -nu are supape, conducnd la un randament volumic ridicat; -asigur o vitez mare de curgere a gazului, echipamentul avnd o compactitate deosebit. Lichefierea heliului,ncadrulinstalaiilorfrigorificecefuncioneazndomeniul1 la4K,poateficonsiderat ca operformantermodinamic,undewattulsauzecimea de grad joac un rol hotrtor. Capitolul 2 -31- Figura 22 - Turbodetentor Posibilitateadepistriipierderilordeenergie,dinpunctdevederecantitativsau calitativ,devinepreocupareaprincipalaconstructoruluidelichefactoare[51].Este bine cunoscut importana studiului exergetic al unui proces criogenic, care i propune depistarea,pecategorii,apierderiloripentruaveniinsprijinulcelorinteresai, Thirumaleshwar a elaborat diagrama exergie-entalpie pentru heliu, n domeniul T = 10 300K i p = 1 - 150bar, care este prezentat n figura 23. Spre deosebire de instalaiile frigorifice prezentate anterior care funcioneaz pe baza unorcicluri nchise,celedelichefiererecurglaciclurideschisedeoareceopartedinagent este extras n mod continuu din instalaie sub form lichid. Exergia e (cal/g) Entalpia i (cal/g) Figura 23 - Diagrama exergie-entalpie pentru heliu n continuare se prezint cteva instalaii criogenice utiliznd procedee de lichefiere a heliului: - instalaia criogenic de lichefiere a heliului tip Linde-Hampson; Capitolul 2 -32- - instalaia criogenic de lichefiere a heliului tip Claude, Heilandt i Collins; - instalaia criogenic de lichefiere a heliului tip Kapitza. A. Instalaia criogenic de lichefiere a heliului Linde-Hampson Instalaiacriogenicarencomponenasaunschimbtordecldurintermediar,cu roldeprercireaheliuluinaintedeintrareanventiluldelaminareiesteprezentatn figura 24. Figura 24 Instalaia criogenic de lichefiere a heliului tip Linde-Hampson Dup realizarea comprimrii n compresorul 1 i vehicularea cantitii de heliu gaz, se efectueaz prercirea acestuia n schimbtorul de cldur SC, dup care urmeaz laminarea n ventilul de laminareVL. La ieirea din ventil fraciunea lichid de heliu este dirijat spre separatoruldelichidSLiarfraciuneadeheliuaflatnstaredevaporiestetransmisla schimbtorul de cldur SC unde se nclzete izobar pn la o temperatur inferioar celei deintrarencompresor.ntimpulfuncionriiinstalaieiaparpierderidesarcintermic datorate imperfeciunii izolaiei care se ridic la 2 12Kj/kg [52]. B. Instalaia criogenic de lichefiere a heliului Claude, Heilandt i Collins Instalaia Claude Se cunoate sub aceast denumire ntruct diagrama teoretic respectiv, realizat n ciclul Claude, include n instalaia respectiv unul sau mai multe detentoare. O instalaie, cu producia (10 litri He lichid/h), bazat pe dou expansiuni politropice i pe laminarea final agazuluiesterealizatlaCambridge(SUA).nfigura25esteprezentatschema funcionalaacestei instalaii criogenice de lichefiere aheliului i ciclul termodinamic real, corespunztor acesteia. Heliul gazos, aflat latemperaturade 314K i la presiuneade 1bar (starea1),estecomprimatpnlapresiuneaP2=19barircitizobar,pnla temperaturainiialntr-unrcitorfinal.Prercireaheliuluigazoscomprimat,dela temperaturaatmosferic,pnla79K(procesul2-3),serealizeazcuazotlichid,care vaporizeaz la p = 1bar, ct i cu vaporii de heliu, care revin din vaporizator. Temperatura heliuluigazosestencontinuarecobortla9K,nprimeledouschimbtoaredecldura regenerative,peseamadebitelordeheliudestinsnceledoudetentoarecupiston.In ultimulschimbtordecldurregenerativserealizeazrcireapnlacirca6K.Infinal, prin laminarea n VL, pn la o presiune superioar, puin celei atmosferice (p9 = 1,2bar), se Capitolul 2 -33- realizeaz lichefierea heliului, la T0 = 4,4K. Evacuarea acestuia prin VR, coboar presiunea i temperatura pn la 1bar i 4,2K, cu care este depozitat. Figura 25 - Schema instalaiei criogenice de lichefiere a heliului a) i diagrama T-s a ciclului termodinamic real corespunztor b) Dincauzatransferuluitermicimperfectdinschimbtoareledecldur,sunt evideniatedifereneledetemperaturaT1,T2,T3,maipronunatelatemperaturi ridicate.Schemaincludeidoupurificatoare,plasatelaniveluldecirca80K(P1),pentru adsorbia oxigenului i azotului i circa 25K (P2), pentru adsorbia neonului i hidrogenului, realizndu-se astfel o puritate foarte ridicat a heliului lichefiat [55].In cazul cnd aceasta instalaie este utilizat pentru rcirea altui mediu, la nivelul 4,5K circuitul heliului fiind nchis, purificarealui nu mai este att de important, nctcele dou purificatoare pot lipsi. Ca o concluzie reinem faptul c, rcirea prealabil obinut cu ajutorul detentorului cu piston,permiteefectuarealichefieriiheliuluifrafinecesarutilizareaprerciriicu agenilorcriogeniciauxiliari.AsemeneainstalaiiaufostrealizatedeKapitza,Danilovi Collins. Instalaia Heylandt InstalaiaHeylandtesteovariantainstalaieiClaude,prezentatanterior,care utilizeazpistonulcrowedundesupapelefuncioneazlatemperaturamediuluiambiant, soluie utilizat n prezent la dispozitivele de lichefiere, iar expansiunea heliului are loc chiar latemperaturaambiant,prineliminareaschimbtoruluidecldurregenerativsuperior (SCR1).Prinaceasta,senlturnmaremsurdificultiledeungereacilindrului detentoruluilatemperaturijoase.Superioritateaprocedeuluirezultdindatelepublicate privindconsumuldeenergienecesarpentrulichefiereaheliului,astfel:prinprocedeul Claude,lajoaspresiune,cudetentorcupiston,energiaconsumateste,nmedie,de 1,6kWh/l, iar ntr-un proces bazat pe procedeul Heylandt este de 0,9...1,1kWh/l. Capitolul 2 -34- Instalaia Collins LichefactorulconceputdeS.C.Collins,pentrucapacitireduse(laboratoare),este prezentatnfigura26,mpreuncudiagramaT-sacicluluitermodinamicreal, corespunztor.Utilizeaztreidetentoarecupiston,prercireacuazotlichidnemaifiind necesarpentru lichefiere, ci doar pentru mrirearandamentului procesului. Lichefierease realizeazprinefectJoule-Thomson,pentru25%dindebituldegazcomprimat.Existi instalaii similare, care pot realiza i temperaturi mai coborte. Figura 26 - Schema lichefactorului de heliu Collins a) i diagrama T-s a ciclului termodinamic real corespunztor b) ProcesuldelichefiereprinprocedeulLinde-Hamptoncudoulaminriisubrcirei procesuldelichefiereaplicndprocedeulClaude-Heylandt,suntdestuldeapropiate,dar rezultatul acestei comparaii este explicabil prin faptul c, dei efectul de rcire, n procesul Claude-Heylandt, estemai mare dectcel din procesul Linde-Hampton cudoulaminri i subrcire, ntre aceleai presiuni, totui, n primul caz nu se poate utiliza ntregul frig produs nproces,acestanefiindintegraltransmisibilprinschimbdecldur,fenomencare,nal doilea caz, nu are loc [56]. C.Instalaia criogenic de lichefiere a heliului Kapitza ProcedeulKapitzaafostelaboratnanul1939,prinadaptareaprocesuluibazatpe ciclulClaude,introducnddouelementenoi,fadeinstalaiaClaude.Expansiunea politropicserealizeazacumntr-oturbindetentoare(turbodetentor),studiatnmod special de P. Kapitza, ameliorat de S.C. Collins i mai recent de firma Sulzer. Se realizeaz randamenteridicate,=58...82%,nctsepotutilizapresiunimaximealegazului comprimat,intrareanturbodetentor,multmaimicidectlainstalaiaClaude.Procedeul Kapitzaarezultatprin introducereaunoradaptrialeprocesuluibazatpeciclulClaude.n principiu,sedesfoarcaiprocedeulClaude,ntr-oinstalaiencareschimbtoarelede cldur n contracurent, recuperative, sunt nlocuite prin aparate regenerative. Din punct de vedereenergetic,procedeulnuoferniciunprogressauavantaj.Dinpunctdevedereal utilajului prezint ns superioritate: att motorul detentor n instalaii de debite reduse, ct i turbodetentoare, la debite mari, au fost studiate n mod special de Kapitza i ameliorate apoi prin contribuia lui Collins.Concluziarezultatdin analizareaprocedeelordelichefiere,scoatenevidenfaptul c cel mai mic consum specific de energie caracterizeaz procedeul de lichefiere propus de Heilandt, cu detentor cu piston, n timp ce procedeul de lichefiere propus de Kapitza are cel Capitolul 2 -35- mai ridicat consum specific de energie. Cu toate acestea instalaiile criogenice de lichefiere a heliului de joas presiune cu turbodetentor, sunt utilizate pe scar larg datorit simplitii isiguraneinfuncionare,daracesteinstalaiiauperformaneapropiatedeinstalaiile criogenice cu detentor cu piston [57].Instalaiile criogenice de lichefiere a heliulu, care opereaz n domeniul temperaturilor 0,7...4K,potficonsiderateperformantedinpunctdevederealproceselortermodinamice, undewattul,sauzecimeadegradjoacunrolhotrtor.Preocuprileprincipaleale constructorilordeinstalaiidelichefieresuntpentrudepistareapierderilordeenergieatt dinpunctdevederecantitativdarnunultimulrnddinpunctdevederecalitativ,cti limitarealor,lacosturiaccesibile.Foarteimportantpentruproceseletermodinamicel reprezintstudiulexergeticalcicluluicriogenic,ncaresepotdepistapierderile,pe categorii i implicit evitarea costurilor inutile [58]. 2.4 TEHNOLOGIA CRIOGENIC I APLICAIILE ACESTEIA Aplicaiile tehnologiei criogenice ofer pentru termodinamica sistemelor de refrigerare, un tratament ilustrat de diagrama temperatur-entropie, cu dezvoltarea ecuaiilor neliniare alesarciniitermice,descriereaanoiprocesecriogeniceutilizndactinideleilantanidele, care mpreun se numesc "pamnturi rare", capabile i disponibile pentru o mare varietate de utilizri practice. Progresultehnologieicriogeniceadeschiscaleapentrupotenialeaplicaiiale criogeniei n domeniul dispozitivelor fotonice cu senzori, cum ar fi echipamente, componente electro-optice de nalt rezoluie i senzori de infrarou pentru activiti industriale, militare iaplicaiinspaiulcosmic.Alteaplicaii,includcapacitateaultraperformantasonarului subacvatic utilizat de submarinele nucleare, pentru sisteme de detectare, lasere chimice cu oxigeniiod,fotonirciicriogenic,electroopticacriogenic,transmitereamicroundelor (MM),utilizareatehniciininfrarou(IR),dispozitivecumisiuneadesupraveghereide recunoatere,dispozitive desecuritate i avertizare anti-rachet, activitateade diagnostic i tratament medical, elemente de memorie rcite cu heliu - criotron, npropulsianuclear:pentrupropulsienuclearmarin;existpropuneripentru rachetetermonucleare;existpropuneripentrurachetedirijatepropulsateprinpuls nuclear, ntransmutaiedeelemente:laproduciadeplutoniu,adeseapentruutilizarean arme nucleare; la obinerea diverilor izotopi radioactivi, cum ar fi americiu pentru detectorii de fum, respectiv cobalt-60, molibden-99 i alii, folosii n medicin, n cercetare: pentru asigurarea unei surse de radiaie cu neutroni i pozitroni (cum ar fi pentru Analiza cu activare neutronic i Datarea cu potasiu-argon), etc.Aplicaie Temperatura (K) Procedeul de refrigerare Utilizator 1970 Infrarou 80 Stirling Armata SUA Camer cu bule de Hidrogen20GM Domeniul cercetrii naltei energii Amplificarea microundelor4,5GM_JT NASA - National Aeronautics and Space Administration Accelerator de nalt energie 4,5Collins DOE Departamentul pentru Energie al SUA Fusiune4,5CollinsArmata SUA 1980 Imagine cu rezonan magnetic 4,2 GM DOE Departamentul pentru Energie al SUA Magnetohidrodinamic4,5Collins Armata Rus Capitolul 2 -36- Aplicaie Temperatura (K) Procedeul de refrigerare Utilizator 1990 SBIR Tehnologia Temperaturii de Supraconductivitate nalt 8,5 Stirling Armata SUA SSC Centrul Spaial Stennis 2,0Supercritical US Navy NASA - National Aeronautics and Space Administration SMES Superconductivitatea Magnetic de Stocare a Energiei 4,5-Japonia2000 nalt tehnologie n utilizarea razelor infraroii 10Stirling Armata SUA NASAMRS Sistemul Magnetic de Rcire4,5Collins Japonia China Tabelul 7 Cronologia sistemelor criogenice utiliznd ciclul de refrigerare Tehnologiacriogenicademonstratmbuntireasemnificativaperformanei senzorilor implementai de vehicule aeriene fr pilot (UAV-urile), tehnica de infrarou (IR) de cutare i sisteme de urmrire, radarele anti-rachet i receptoare de avertizare, sisteme de urmrire prin satelit, echipamentele de monitorizare a polurii din spaiu cosmic, senzori infrarou(IR)deimaginiutilizndtehnologiadefocalizareplanaraelementelormatrice, dispozitive de mare putere pe bazde laser chimic i sisteme de supraveghere transmite-cautradareleirazeleinfrarou(IR),senzoripebazdespaiumultispectrali hyperspectral,imaginicurezonanmagnetic(MRI)icomputertomografic(CT) reprezentndsistemulcapabildeafurnizaimaginiderezoluieultraperformant,vital pentru diagnosticarea medical [59]. Criogeneratoarele se mpart n dou grupe: -Criogeneratoarelecuschimbtoaredecldurrecuperatoarencareambelefluide dinprimarisecundarpottreceprinschimbtoruldecldurfiecontinuusauperiodicn contracurent sau echicurent (Linde, Hampson, Claude, Collins, Joule-Thomson) -Criogeneratoarecuschimbtoaredecldurregenerativencareambelefluide trecprinschimbtoralternativiperiodicprintr-omatriceregenerativ(Stirling,Ericsson, Vuilleumier, Solvay, Gifford-McMahon). Performanalatemperaturicriogenicepentrudiferiteechipamente,sistemei dispozitivesebazeazpunndaccentulpefiabilitateaelementelorcecompunsistemul criogenic i consumul de putere. Problemele critice ale instalaiilor criogenice utiliznd heliul iaspectelelegatedeproiectareaacestora,audeterminatmbuntireapnlacelemai micidiferenedetemperaturnlagreiatehniciideungereaechipamentelor, identificareatehnologieiprivindsuperconductivitatea,studiulefectelormagneto-hidrodinamice, ceeaceau impus abordareaextremde serioas n domeniul aplicativ[60]. Untratamentaparteafostacordattermometrieifundamentaleiprecisedemsurarea temperaturilor foarte sczute, astfel nct inginerii i oamenii de tiin profund implicai n activitiledecercetareiaplicareatemperaturilorextremdesczutesbeneficiezede avantajele criogenice [61].Heliul poate fi folosit ca un scut de gaze inerte pentru sudura cu arc, pentru cristalele semiconductoareindustrialedesiliciuigermaniu,pentruproduciadetitanizirconiude baz n miezul din reactoarele nucleare, n tunelul de vnt pentru experimente necesare n proiectarea i dezvoltarea avioanelor supersonice de vntoare i a rachetelor, la proiectilele balistice [62].Performanapentruimaginicurezonanmagnetic(MRI)utilizatepescarlargn echipamente medicale, clinici si spitale pentru a diagnostica diferite boli este menionat din punctdevederecriogeniclatemperaturasczutde4,2K.UnsistemMRIestecompus dintr-un magnet cu supraconductivitate mare, in care sistemul este rcit potrivit unui ciclu compactderefrigerare(CCRclosedcyclerefrigeration)laotemperaturdecirca4K. Capacitateasistemuluidercire(CCR)depindedecapacitateaderezoluie,precumide Capitolul 2 -37- fiabilitatea echipamentelor, prin realizarea a dou etape Gifford-McMahon (GM), astfel nct componentele sistemului s opereze la puteri i temperaturi distincte. n tabelul 8 sunt prezentate temperaturile i puterile optime de lucru corespunztoare acestora pentru obinerea capacitii de rezoluie i fiabilitii maxim a echipamentelor. Temperatura (K)Puterea criogenic necesar (W) 163,50 4,50,65 Tabelul 8 Sarcina criogenic necesar la diferite temperaturi ale heliului Practictoatesistemele(MRI)imaginicurezonanmagneticnecesitechipamente criogenice pentru realizarea temperaturii de 5K i chiar mai sczut, astfel nct realizarea imaginilordenaltrezoluiesfiefiabileicelemaiacceptabilepentrurezultatele diagnosticului.Utilizareasistemelorcriogeniceavndlichidevaporatrcitcuheliu,ofer performane mbuntite, cu costuri minime, n special pentru sistemele cu sarcini mari de cldur i de lung durat continu a operaiilor. Un ciclu criogenic compact de operare cu heliulichidlaotemperaturde4,5Kareocapacitatederefrigerareioputerede vaporizaredecinciorimaimarefadeutilizareaunuialtelementcriogenic,cupierderi minime i fr a repurifica echipamentele, ceea ce conduce la o eficien ridicat [64].SistemelecriogenicefolosindciclulStirlingderefrigerarepotevideniavalorile specificealegreutiisistemuluiisarciniicriogenicespecificereprezentatendiagramele prezentatenfigurile27i28acestesistemecriogenicesuntutilizatentehnica(MRI) imaginicurezonanmagnetic,sonarelesubmarinelornuclearesaucelordestinate oceanografiei. Figura 27 Caracteristicile greutii i sarcinii criogenice din ciclul Stirling Figura 28 Caracteristicile greutii i sarcinii criogenice din ciclul Stirling ndomeniulmilitarmicrocriogeneratoareleStirlingsuntutilizatenspecialpentru echipamentele de detecie n infrarou pentru vizibilitate pe timp de noapte i sistemele de ghidare a rachetelor. Din 1950 au fost fabricate peste 150.000 de astfel de sisteme numai n SUA pentru aplicaii n scopuri militare, avnd puterile frigorifice de ordinul a 0,15-2W, iar temperatura atins este n jur de 40K [65].Pentru misiunile spaiale de lung durat pot fi Capitolul 2 -38- utilizate generatoare criogenice (Criogeneratorul Stirling Duplex cu pistoane libere) [66]. n general sistemele criogenice sunt proiectate ca supraconductivitatea elementelor s semanifestenjurultemperaturiide50K,pentruasatisfacecerineledeperforman specificepentrudiverseaplicaii.Astfelunemitoracusticsonar,capabilsdetecteze intelesubacvatice,folosind tehnologiatemperaturiidesupraconductivitate nalt(SBIR)a fostdezvoltatncadrulaplicaiilorspecialealeNASA;elnecesitofoartemareputerede intrarelafrecvenejoasepentrucartografiereexactidedetectareaobiectivelor subacvaticepentrudistaneledepeste500metri.Acestareprezintunexempluclasicde integrare a trei tehnologii distincte: - tehnologia supraconductoarelor de nalt temperatur (HTSC); - tehnologia magnetostrictiv; - tehnologia criocoolerelor. Alteaplicaiialesonaruluicareutilizeaztehnologiacriogenicinclud:tomografie seismic,msurtoriprivindnclzireaglobal,cartografiereafunduluioceanelori monitorizarea curenilor oceanici care formeaz tornadele si uraganele [67].Heliul lichid pentru rcire este utilizat de microcoolere, realizate constructiv cu scopul deafurnizaagentcriogenicnecesardetectoarelordetipul(FPA)focalizarepesuprafa plan,detectoareleoptice,amplificatoareleoptice,senzoriipentruactivitiledinspaiul cosmic, sistemele i echipamentele militare de mare precizie utiliznd razele infraroii (IR), dispozitivele de interceptarei distrugere tip anti-rachet.Greutatea,consumul de putere, costulimrimeamicrocooleruluidepindedetemperaturacriogenicdeoperare[68]. Studiileefectuateindicfaptulc,microcoolereledestinatedispozitiveloranti-racheti spaiu cosmic, trebuie s ndeplineasc caracteristici tehnice i mecanice de nalt fiabilitate, ntreinereiexploatarensiguran,consumminimdeenergieiarpierderileinstalaiei criogenicesfiepracticzero.Studiileindicsistemuldercireconductivcafiindcelmai atractiv,dincauzacapacitiimaimaredercire,fiabilitiiridicate,greutiii dimensiunilorechipamentelorredusecuoeficiendinpunctdevederetermodinamic nsemnat [69].nfigura29seprezintmoduldefurnizareiutilizareaheliuluilichidnasigurarea sistemuluidepropulsieanavelorisubmarinelor,componenteleiparametriideoperare, care nu este numai dificil de realizat dar i extrem de complex. Reactorul nuclear rcit cu gaz folosete (prin recirculare) un gaz inert, n cazul de fa heliu. Figura 29 Asigurarea i utilizarea heliului lichid n sistemul de propulsie Microcoolerele al cror principiu de operare se bazeaz pe ciclul Stirling pot ajunge la otemperaturdercirede17Kntr-untimpdemaxim3minute,avnd,nmodnormal, inclusungeneratorpentruaproducerefrigerareaprincompresiaiexpansiuneaheliului frajutorulvalvelor[70].UnmicrocoolerproiectatdeNASApentruaplicaiideimagini termiceconsumenergieelectriccevamaipuinde3W,cntretemaipuinde425 Capitolul 2 -39- grame, are o garanie de funcionare de 5 ani, i a demonstrat performana, fr variaii, n funcionareacontinudepeste8000ore.Aceastafiabilitatenaltamicrocooleruluise datoreazmaterialelorcucapacitateadeauto-ungere,eliminareagazelordecontaminare, dispozitivelor de etanare cu coeficient de frecare redus, precum i mecanismelor liniare de micare.Analizaefectuat,privindcomportareainstalaieicriogenice,indicfaptulcun microcooler poate produce osarcintermic de rcire de150mW, latemperaturade17K, cu putere la intrare mai mic de 3,5W, n care temperatura scade de la 120K la 17K ntr-un intervaldetimpcuprinsdela1,5minutepnla4minute,totuldesfurndu-sela temperatura mediului nconjurtor (300K) [71].Pierderiledesarcintermicnsistemulcriogeniccucapacitatemarederefrigerare sunt prezentate n tabelul 9. Pierderi de sarcin termicPierderi n primul stadiuPierderi n al doilea stadiu Temperatura de operare (K)40,010,0 Conducie / Radiaie (W)17,20,4 Putere de rcire (W)14,02,1 Sarcina termic extremiti (W)7,80,6 Pierdere sarcin termic maxim W)39,03,1 Tabelul 9 Pierderile sarcinii termice a heliului lichid Unrandamentdeosebitalmicrocoolerelor,esteobinutprinutilizareaactinidelori lantanidelorcamaterialeregeneratoare,demonstrndperformanifiabilitate semnificativasarciniitermicelaotemperaturde4,2K,ntr-untimpscurtremarcabil, deoarece materialul erbiu-nichel mbuntete capacitatea sarcinii termice sub temperatura de10K.Acestmicrocoolerestedestinatreceptoarelorinfrarou(IR)montateperachetele balistice,nscopulidentificriituturorsenzorilorexistenincmpuldeluptsauariade interes,cunoscutfiindcfactorultimpestedeoimportancriticnasemeneaaplicaii practice ale domeniului militar. n practic, sarcinatermic obinut amicrocoolerului este deaproximativ100mWla4,2K,darosarcintermicmaimarede1Ws-aobinutla temperaturicriogenicenmediicontrolateicuutilizareadecombinaiidematerialedin pmnturi rare [71].Pentruaplicaiiledinspaiulcosmiciechipamenteleanti-rachet,fluidelecriogenice necesitprecauiispecialentimpulfazelordetransferistocare.nastfeldesolicitri, fluidele criogenice trebuie s fie stocate la presiuni mai mici, ca lichide cu vaporii n stare de echilibru (cunoscut ca mediu subcritic) sau la presiuni mai mari i temperaturi supercritice, ca fluide criogenice omogene. De reinut c, ntr-un spaiu de stocare a lichidelor criogenice, lipsagravitaieisauacceleraieidetermincaforeledeorientaresmpiediceutilizarea sistemuluicriogenicstandard,deoareceorientareaaleatoareaforelordinfazalichidi pierdereadesarcintermicconstituieunmediudecomunicarecontinuntrenfaza lichid i orificiul de alimentare al recipientului de depozitare Dewar [72].Date,nordinecronologic,privinddezvoltareacriocoolerelorpnnprezent, reprezentndunstudiualmoduluideoperarealsistemelorcriogenicepentruaplicaii industriale, militare i spaiale, capabile s realizeze temperaturi cuprinse ntre 17K i 4,2K, sunt prezentate n figura 30. Pentru solicitrile temperaturilor sczute, distingem trei tipuri de criocoolere: - Collins cu heliu lichefiat (CHL); - Gifford- McMahon (G-M); - GM & JT cu valve Joule-Thomson, utilizate la scar industrial. Capitolul 2 -40- Figura 30 Intervalul de temperatur pentru criocoolere Temperaturiminimederefrigerare(MRT)suntposibileutilizndcaagentfrigorific heliul lichid. n regeneratoarele tradiionale (MRT) este posibil obinerea unor temperaturi sczute,cuheliuIIiutilizndactinideleilantanidelenregenerator.Studiileefectuate indic faptul c destinderea izentropic a agentului refrigerant determin limita superioar a MRT.Temperaturderefrigerare,ntr-omaremsur,depindededestindereaadiabata fluidului de lucru, n spaiul de expansiune. nfigura31seprezintdiagramelereprezentnd:A-clduraspecificavolumului materialelorregenerative;Bsarcinatermicdercirenraportcutemperatura;C impactul frecvenei de operare a sarcinii termice de rcire la temperatura de 4,2K. Figura 31 Caracteristici ale actinidelor i lantanidelor Cerinele echipamentelor impun sistemele de senzori de microunde (MM), dispozitivele speciale de infrarou, raze laser de mare putere cu fiabilitate ultraperformant a rezoluiei, nivelul de zgomot i gama de operare [75].UnmicrocoolercareutilizeazciclulcompactStirling,conceputpentruNASA,pentru captareaitransmitereaimaginilortermiceprinradiometru,cndfuncioneazla temperaturi criogenice, a demonstrat ca acestea sunt de nalt calitate i rezoluie. Capitolul 2 -41- DeoarecemicrocoolerelecuciclulStirlingsuntcompacte,uoareinecesitenergie electric minim sunt utilizate cu succes n aplicaiile militare pentru echipamentele utiliznd razele infrarou de cutare i de urmrire (IRST), sistemele de scanare n infrarou (IRLS), verificriadistanelorninfraroudemareprecizie(IRCM),sistemedeavertizareanti-rachet(IRMW)[76].Unemitoracustictipsonar,folosindsupraconductoaredenalt temperatur (HTSC), poate identifica topografia undelor seismice, realiza msurtori privind efectul de ser privind nclzirea global, cartografierea oceanelor, monitorizarea curenilor oceanici, detectaintele subacvatice lamare distan, cuo precizie i fiabilitate extremde ridicat [77].Criocoolerele destinate pentru aplicaiile militare trebuie s in cont de echipamentele iscopuluiasociatacestorapentrucaresuntrealizate:radare,rachete,complexitatea rzboiuluielectronic,sistemedeteledetecie,aerienedesupraveghere,laseredemare putere pentru identificarea intei i urmrirea ei. Cerinele sunt foarte stricte, n special sub aspectulprivindfiabilitatea,greutatea,dimensiunea,capacitateadercire,eficiena, ntreinerea i exploatarea lor [78].ncazulracheteloraer-aer,sol-aer,aer-solcriocoolerul,princomponentele optoelectronice ale sistemului, trebuie s realizeze capacitatea de detectare, n cel mai scurt timp posibil, pentru o misiune de succes. De aceeasunt denumite criocoolere tactice i de rcire,caretrebuiesaibsuficientcapacitatepentruaatingetemperaturicriogenice necesare n cel mai scurt timp. Studiile efectuate indic faptul c un criocooler liniar de tip Stirling cu o putere de rcire 3,5W la 77K este cea mai potrivit pentru rachetele balistice cu infrarou (IR) [79].Sistemulmagneticdercire(MRS)esterealizatdintr-unmagnetcu supraconductivitateacmpuluimagneticavndointensitateapropiatde5Teslaieste directconectatlacameradercire.FuncionareaMRSsebazeazpeefectul magnetocaloric,careaparenmaterialemagneticecunoscutcaferomagnetice.Aceste materiale, atunci cnd se magnetizeaz, determin ca suprafaa s devin cald, iaratunci cnd se demagnetizeaz, aceasta devine rece. Heliu gaz este folosit ca un agent de transfer de cldur ntre lichidul de intrare i de agent refrigerant pentru magnet, care se ntmpl s fie un gadolinium, un pmnt rar utilizat ca material feromagnetic. Gadolinium joac rolul deagentrefrigerant,petotparcursulcicluluicriogenic,ntimpcemagnetulnlocuiete compresorul. ntr-un cmp de 5 Tesla, o sarcin termic de 600W de rcire este realizat la oeficienade50%.Cutoateacestea,criocoolerelecarefuncioneazlaotemperaturde 5Kaudemonstratoduratnormaldefuncionarede15ani,cuunstandardprivind mentenana la 2 ani [80].Aplicaiileheliului ndomeniulmilitarsiaerospaial,prefigureazviitorulnaiunilorn secolulurmtor,ncondiiiledesfurriiactivitilordecercetare,nbazatehnologiilor criogenice existente i de viitor. Aplicaiile n domeniul militar i aerospaial impun studierea proceselortermodinamicedinciclurilecriogenicecuheliu,astfelnctsnuseproduc activitiduntoarespecieiumanecidimpotrivspermitabordareacunoateriin detaliu a universului [81].Deocamdatactivitileprivindrealizareaunorrachete,dispozitiveiechipamente pentru domeniul militar i explorarea spaiului cosmic, necesit msuri speciale de precauie n timpul fazelor de transfer i stocare pentru fluidele criogenice. n astfel de cereri, fluidele criogenice sunt necesare s fie stocate la presiuni mici, n stare lichid aproape n echilibru custarealordevapori,denumitecamediisubcriticesaulatemperaturiipresiunimai mari de operare, denumite ca medii supercritice, n scopul realizrii unor fluide criogenice omogene[82].Cutoateacestea,pentruaplicaiiledelaborator,fluidelecriogenicesunt depozitate separat n cele dou dintre cele stri de consisten sub care se poate prezenta materia(lichidsigazoas),dincauzadimensiunilorcompacte,simplificatedeproiectare, de avantajul de logistic, depozitare i greutate redus [83]. De reinut este faptul c, ntr-unspaiudestocarepentrulichidecriogenice,lipsadegreutatesaugravitaieia acceleraieigravitaionale,mpiedicutilizareaunuistandarddedoufazedesistem, Capitolul 2 -42- deoareceforeledeorientarealeatoaredelafazadelichid,avndgreutateredus, mpiedic comunicareaconstant ntre cele dou medii, n faza de aprovizionare i faza de transferdinportuldedepozitareDewar[84].RecipientulDewar,destinatstocriifluidelor criogenice,esterealizatpentrutemperaturiipresiunimaimarideoperare,denumiteca mediisupercritice[85].nspaiulcosmic,nabsenagravitaieiiaacceleraiei gravitaionale,nuexistunimpactnegativasupratransferuluifluiduluicriogenicnstare lichid,dinrecipientulDewar,ceeacepermitefurnizareaunuifluidcriogenicomogen, pentru faza de aprovizionare a criocoolerului, n orice moment [86]. Cerinele de ntreinere pentrumicrocoolerelepentrucercetaretiinific,spaiuiaplicaiimilitare,punaccentpe fiabilitateicost,precumiutilizaredelungdurat.Rcireacriogeniccuheliua detectoarelorinfrarouIR,denaltperforman,asenzorilordedetecieiurmrire, dispozitiveloroptico-electronicearachetelorbalistice,microundelorradiodelocalizarei interceptare,senzorilordeghidareaavioanelordespionajfrpilot(UAVs),sonarele ultraperformante,radareledemareputere,sistemeledeurmrireasateliilorde monitorizare,impuneproiectareairealizareaunorechipamenteperformante,sigure, stabileioptimescopuluipropus[87].Dupcumammenionatanterior,greutatea, dimensiunea,costul,complexitateamicrocooleruluisuntbazatepecapacitateadercire criogenic a acestuia la temperatura de operare, astfel nct s fie obinut n cel mai scurt timp [88]. 2.5 CONCLUZII HeliuestealdoileaelementchimicdinUniversiprezintoseriedeproprieticu totuldeosebite:nuarepuncttriplu,marcheazlimitainferioardetemperatur,rcitsub presiuneavaporilorproprii,heliuesteunicasubstanexistentnnaturcarermnen stare lichid n imediata apropiere a lui zero absolut. Sursele principale de obinere sunt instalaiile pentru separarea heliului din aer i gaze naturalecaprodussecundarisebazeazpeprincipiulcondensriiparialeproces avantajat de temperatura foarte sczut a punctului de condensare al acestuia. Instalaiile criogenice care utilizeaz ca agent de lucru heliu, permit obinerea scderii temperaturii acestuia, prin douprocese:laminare(destindere laentalpie constantdi=0) ndomeniulefectuluiJoule-Thomsonpozitivsauprindetent(destinderelaentropie constant ds=0). ncazulheliului,deoarecetemperaturamaximdeinversiuneestesczut (Tinvmax=43K)lichefiereaprinlaminarearelocdoardupprercireaacestuiapnlacirca 14K(cndoh>0iestesuficientdemarepentruafijustificatprocesul),iarcomprimarea trebuierealizatpnlapresiunepM(proces de nclzire); (15) - dac = 1cpTvT

pv = 0, atuncidT 0 =(efect termic nul); (16) - dac =-1cpThp

Tv> 0, atuncidT 0 0 i este suficient de mare pentru a justifica procesul). Totodat comprimarea heliului trebuie fcut pn la o presiune pM

ct (36) care reprezint o msur a deprtrii sistemului fa de cazul ideal al proceselor reversibile. Se observ c minimizareapierderilor de putere seobine prinminimizareagenerrii de entropie [104]. 3.3.3. Ecuaia fundamental pentru studiul proceselor ireversibile Din teorema Gouy-Stodola avem relaia: ( )irevirevirev 0 0 2 1agentT s s s (t = A + (37) Variaia de entropie a agentului termic care evolueaz ireversibil ntre seciunile 1 i 2 comport o component irevints 0 A >cauzat de ireversibilitatea intern a proceselor termice i o component irevqs 0 datorit schimbului ireversibil de cldur cu mediul ambiant. Notnd cu irevinttpierderea cauzat de ireversibilitatea intern a proceselor: irev irevint 0 intT s t = A (38) icu mqT temperaturatermodinamicmedieaagentuluitermicnprocesulireversibilde schimb de cldur cu mediul ambiant: irev12mq irevqqTs=A,(39) se obine relaia: Capitolul 3 -49- ( )irev irev irev 012 2 1 0 2 1 t,12 intmqT1 q h h T s s lT- -| | ( = + + t | |\ .(40) care reprezint ecuaia fundamental pentru studiul proceselor termice ireversibile. 3.3.4. Ecuaia bilanului exergetic Ecuaia fundamental pentru studiul proceselor ireversibile: ( )irev irev irev int1 2 a q 2 1 a 2 1 t,1 2 irq Ts h h Ts s l A = + + t (41) poate fi scris sub forma restrns: ( )intq,1 2 t,1 2 irex ex l = A + + t (42) unde: - exergia cldurii schimbate de 1 kg de agent termodinamic: q,1 2 1 2 a qex q Ts = A

(43) - variaia exergiei specifice: ( ) ( )2 1 2 1 a 2 1ex ex ex h h Ts s A = = (44) n cazul unei succesiuni de procese ireversibile: ( )intq t irex ex l = A + + t

(45) Pentru un debit masic -m n curgere staionar, rezult: intir QEx Ex P- --| |= A + + H |\ . (46) unde: QEx- - reprezint suma exergiilor schimbate de agent n unitatea de timp; Ex-| |A |\ . - reprezint variaia exergiei agentului n unitatea de timp; P - reprezint suma puterilor mecanice schimbate de sistem; intir-H - reprezint suma pierderilor cauzate de ireversibilitatea intern, n unitatea de timp. Pentru un sistem simplu, obinem: intq,pr q,ced 2 1 t,ced t,pr irex ex ex ex l l = + + t

(47) sau: intq,pr t,pr 1 2 t,ced q,ced irex l ex ex l ex + + = + + + t

(48) Notnd: - exergia introdus n sistem: in q,pr t,pr 1ex ex l ex = + +

(49) Capitolul 3 -50- - exergia evacuat din sistem: ev q,ced t,ced 2ex ex l ex = + + (50) putem scrie: intin ev irex ex = + t

(51) ecuaie care exprim bilanul exergetic al unui sistem termodinamic. 3.4EXEMPLEDEANALIZAENERGO-EXERGETICAINSTALAIILORCRIOGENICE DE LICHEFIERE A HELIULUI 3.4.1 Instalaia criogenic de lichefiere a heliului cu un turbodetentor Seconsidercicluluneiinstalaiidelichefiereaheliuluiprindestindereilaminare, prevzut cu rcire prealabil a gazului cu azot lichid, funcionnd n urmtoarele condiii: - presiunea de aspiraie p1=1bar; - temperatura gazului la aspiraie: T1=293K; - presiunea de comprimare: p2=20bar; - randamentul efectiv al compresorului:

= 0,6; - randamentul intern al detentorului:

= 0,75; - randamentul mecanic al detentorului:

= 0,85; - diferenele de temperatur la extremitatea cald a fiecrui schimbtor de cldur: T1 T13 = 5K;T4 T14 = 3K; T6 T10 = 1K.

- presiunea de lucru pe circuitul de azot: pN2=1bar; - temperatura heliului la ieirea din baia de azot: T4=80K; - temperatura heliului nainte de intrarea n ultimul schimbtor de cldur: T6=11K; - aporturile de cldur datorit transferului termic prin izolaie (la nivelul fiecrui schimbtor de cldur): qiz = 2kj/kg; - aporturile de cldur pentru baia de azot s-au considerat neglijabile. Figura 32 - Schema instalaiei criogenice de lichefiere a heliului cu un turbodetentor Capitolul 3 -51- Figura 33 - Punctele caracteristice n diagrama T-s Valorilemrimilorcaracteristicepunctelor0,1,2,4,6,9,10,12,13sedetermin folosind diagrama T-s sau tabelele cu proprieti termodinamice pentru heliu. Entalpiile specifice pentru punctele 14, 1