Ciclo di Linde - Corsi di Laurea a Distanza

Cicli per bassissime temperature (per la liquefazione dei
gas)
L’ottenimento di bassissime temperature può essere ottenuto attraverso
cicli sovrapposti cioè cicli frigoriferi nei quali l’evaporatore del ciclo
superiore scambia calore con il condensatore del ciclo inferiore (Figura
10.22 )
E’ evidente che i vari cicli sono percorsi da fluidi diversi fra loro in modo
che le pressioni siano ragionevoli (non molto elevate e comunque superiori
alla pressione atmosferica) e l’efficienza sia adeguata (cicli sottocritici).
Nel caso della liquefazione dell’aria, al fine di una separazione dei
componenti principali cioè ossigeno, azoto e gas rari, sono stati proposti due
cicli (Linde e Claude) che costituiscono la base per altri impianti più
complessi.
Questi cicli sono caratterizzati dalla presenza di uno scambiatore in
controcorrente che porta l’aria compressa ad una temperatura
sufficientemente bassa in modo che l’espansione isentalpica produca
raffreddamento (per i gas ideali l’isentalpica coincide con l’isoterma e
quindi è necessario un preventivo raffreddamento per portare il gas in uno
stato partendo dal quale si abbia raffreddamento; l’effetto Joule-Thomson
permette di valutare tale raffreddamento e la curva di inversione dell’effetto
Joule-Thomson separa le zone del diagramma di stato che presentano
comportamento opposto).
La differenza fra i due processi consiste nel fatto che il ciclo Linde sfrutta
esclusivamente espansioni isentalpiche mentre quello di Claude divide
l’espansione in una parte isentalpica ed una in un espansore (espansione
idealmente isentropica, praticamente politropica) con produzione di lavoro.
Il lavoro prodotto dall’espansore può essere utilizzato per ridurre la spesa
energetica di compressione, ma è sufficiente che esso sia estratto dal fluido
non contribuendo così all’incremento entalpico dello stesso.
Il ciclo Linde pertanto, a fronte di una maggiore semplificazione richiede
però una pressione iniziale superiore a 100 bar, mentre per quello di Claude
è sufficiente una pressione di poco superiore a 40 bar.
Gli schemi sono indicati nelle figure 10.23 e 10.24. .
TORNA AL CAP. 10
1
2*
3*
2**
3** 2
3
1
5
8
Pressioni [MPa]
K
20
0
5
10
10
0 K
100
1
300 K
0
3
2
3**
2**
3*
2*
0,1
0
8
6
1
0,01
­150
0
150
300
450
Entalpie [kJ/kg]
Figura 10.23 - Ciclo di Linde: schema dell'impianto (sopra);
termodinamico rappresentato sul diagramma h – log p (sotto).
TORNA AL CAP. 10
ciclo
Tabella 10.2 – Capisaldi del ciclo di Linde per la liquefazione dell'aria.
PUNTO
PRESS.
TEMP.
ENTAL.
EXER.
bar
K
kJt/kg
kJ/kg
1
1
293,2
18
0
2*
7,25
531,4
256,5
228,9
3*
5,4
317
41,87
141,3
2**
39,2
574
299,8
389,6
3**
37,3
321,3
46,2
302,6
2
270,6
582,5
307,6
554,4
3
268,7
307,6
275
­1232
5
267,8
68,8
­810
6
1
78,8
68,8
­600
8
1
81,6
79,1
­1564
0
1
78,8
­124,8
­1003
N.B. Le entalpie e le exergie dal punto 3 in basso sono derivate dalle
tabelle e dai diagrammi di stato dell'aria che adottano un diverso
riferimento.
TORNA AL CAP. 10
1
2*
3*
2
3
1
4
7
5
300 K
20
0 10
0 K
100
MPa
8
K
0
Pressioni [MPa]
10
4
5
1
0,1
0
7
6
8
3
2
3*
2*
1
0,01
­150
0
150
300
450
Entalpie [kJ/kg]
Figura 10.24 - Ciclo di Claude: schema dell'impianto (sopra); ciclo
termodinamico rappresentato sul diagramma h – log p (sotto).
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Tabella 10.3 – Capisaldi del ciclo di Claude per la liquefazione dell'aria.
PUNTO
PRESS.
TEMP.
ENTAL.
EXER.
bar
K
kJt/kg
kJ/kg
1
1
293,2
293
0
2*
7,25
531,4
532
229
3*
6,35
329
329
162
2**
49,7
596
597
420
3
49,3
339
339
328
4
49,1
263
223
5
49,8
52
72
911
6
1,4
90
82
255
7
1,4
104
84
8
1,4
90
82
255
0
1,4
88
­110
673
N.B. Le entalpie e le exergie dal punto 3 in basso sono derivate dalle
tabelle e dai diagrammi di stato dell'aria che adottano un diverso
riferimento.
L'impianto si complica nel caso si associ alla liquefazione dell'aria anche
la distillazione frazionata per la produzione di ossigeno, di azoto o di
entrambi i gas.
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