Procese ciclice cu doua schimbri de faza Procese ciclice cu destinderea izentropica intr-o turbina si laminarea lichidului.a fost elaborat in anul 1939, prin adaptarea procesului bazat pe ciclul Claude, introducnd doua elemente noi, fata de instalaia Claude. * expansiunea politropica se realizeaz acum intr-o turbina detentoare (turbodetentor), studiata in mod special de P. Kapitza. Se realizeaz randamente ridicate, D= 58...82%, incat se pot utiliza presiuni maxime ale gazului comprimat foarte mici. In cazul aerului p2 = 7...8 bar < PK = 38 bar, si deci ciclul de lichefiere a aerului prin acest procedeu va include doua transformri de faza (o condensare la nivelul presiunii ridicate si o vaporizare la nivelul presiunii sczute). * Transferul de cldura intre aerul comprimat si cel destins te realizeaz in doua schimbtoare de cldura regenerative, cu umplutura, cu circulaia reversibila a gazului, SCRU1 si SCRU2 (unul pentru rcirea gazului comprimat si altul pentru nclzirea vaporilor de aer returnati din vaporizator), care nlocuiesc primul schimbtor de cldura regenerativ, cu circulaia in contracurent a debitelor de aer, SCRI, din instalaia Claude. Dupa nclzirea, respectiv rcirea umpluturii (5...6 min.), se inverseaz sensul de circulaie a aerului, realizandu-se astfel un transfer continuu de cldura. Umplutura regeneratoarelor este constituita din discuri din banda ondulata de aluminiu, de grosime de 0.4...0.9 mm si limea de 30... 120 mm (fig. 4-50). Ondulatiile benzii sunt orientate in sensuri opuse, contribuind astfel la o mai buna amestecare a curenilor de aer si la un contact mai intim al acestora cu suprafaa umpluturii, incat se pot realiza cele mai mari rapoarte dintre suprafaa de schimb de cldura si volum (1000...2000 m2/m3). Fig. 4-50. Discul umpluturii regeneratorului.Procedeul KapitzaSe faciliteaz curirea regiunilor reci de impuriti (apa, CO2) condensate sau solidificate. Eficienta sporita a regenerrii permite rcirea aerului comprimat pana la temperaturi foarte sczute (sub TK) si funcionarea cu un raport mic de presiuni, deci cu un consum redus de lucru mecanic, lK, conducnd la o eficienta sporita:Kapitza = q0/(lK -l T ) > Claude(4-60)In momentul inversrii circuitelor de aer prin regeneratoare, ventilele egalizatoare VE1 si VE2 transvazeaza o parte din aerul comprimat rmas dintr-un regenerator in altul, egaliznd presiunea si micornd pierderile de aer comprimat, inevitabile la aceste tipuri de schimbtoare de cldura. Cand exista tendina ca temperatura sa scad sau sa creasc, in urma inversrii regeneratoarelor, pentru a menine temperatura aerului ce aprovizioneaz turbina, sub o valoare ce poate retine o cantitate acceptabila de CO2, care sa nu ajung in duzele turbinei, se prevede un egalizator de temperatura, ET, care conine crbune activ, ce poate absorbi sau desorbi aerul. Schema instalaiei Kapitza utilizata la lichefierea aerului si ciclul termodinamic corespunztor sunt prezentate in figura 4-5 [39]. Dupa cele doua schimbtoare de cldura regenerative cu umplutura sus menionate, aerul este racit in continuare in schimbtorul de cldura regenerativ SCR (proces 3-4 si 5' -3').b) Fig. 4-51. Schema instalaiei Kapitza de lichefiere aerului (a) si ciclul termodinamic corespunztor (b). Condensarea (proces 4-5) are loc in spaiul intertubular al condensatorului C, pe seama incalzirii vaporilor reci de aer venii din vaporizator (proces 7-5'). Laminarea aerului lichid, cu presiunea ridicata (8 bar), are loc in ventilul de laminare VL (proces 5-6). Cum intrarea in VL se face cu starea plasata mult mai la stnga dect la instalatia Claude, starea 6 va corespunde unei cantiti mai ridicate de aer lichid, in separatorul de lichid SL. Vaporii reci de aer separai in SL (vaporizatorul V), cu starea 7, se amesteca cu aerul destins in turbina si sunt incalziti in condensator, apoi revin la starea atmosferica 1, parcurgnd schimbtoarele de cldura regenerative SCR si SCRU1 - SCRU2. Procesul de destindere teoretica (izentropica 3-7) este nlocuit in realitate cu destinderea politropica 3-VII. Ciclul instalaiei este astfel organizat, incat sa se repartizeze optim debitul de aer intre turbina si condensator, funcie de capacitatea frigorifica a instalaiei. In aceasta instalaie, turbodetentorul este de fapt maina principala productoare de frig, deoarece efectul frigorific de laminare, de la presiunea p2 = 8 bar, poate fi neglijat, comparativ cu cel produs de turbodetentor. Folosirea turbomasinilor (turbocompresor, turbodetentor), pentru comprimarea si destinderea gazului, cu randamente ridicate, permite realizarea unei instalrii capabila sa produc mari cantiti de aer, azot sau oxigen lichid, mult superioare celor obinute in cazul utiliz rii mainilor cu piston (compresor, detentor). In plus, utilizarea unei presiuni sczute a gazului comprimat, simplifica considerabil instalaia si exploatarea ei, mrete sigurana in funcionare si reduce periculozitatea din punct de vedere al exploziilor. Din acest motiv, instalaia Kapitza este utilizata, in special, pentru capaciti mari de lichefiere sau separare a gazelor.