Análisis 77: Ciclo de Claude para la licuefacción del aire

Se usa mucho en criogenia.

Texto del enunciado

El proceso Claude mejora el ciclo Hampson-Linde al incorporar un motor de expansión o turbina. Una parte del gas comprimido realiza trabajo en un expansor, lo que provoca una caída de temperatura mucho mayor (expansión casi isentrópica) que la expansión Joule-Thomson por sí sola. Esto proporciona un enfriamiento más eficiente, lo que lo convierte en el método dominante para la licuefacción y separación de gases a gran escala en la actualidad.

Aplicaciones:

• Plantas de licuefacción de aire

• Producción de O₂, N₂, Ar

• Sistemas criogénicos industriales

Georges Claude reconoció la ineficiencia termodinámica de depender únicamente del efecto Joule-Thomson isentálpico. Razonó que al hacer que el gas realice trabajo externo durante la expansión se extraería más energía y, por lo tanto, se produciría un mayor efecto de enfriamiento. En su sistema, la corriente principal de gas a alta presión se divide. Una parte va a un motor de expansión, donde se enfría significativamente mientras produce trabajo. Este gas extremadamente frío se utiliza para preenfriar la otra parte de la corriente de alta presión en un intercambiador de calor. Esta segunda corriente se somete a una expansión Joule-Thomson final para producir el líquido. Al combinar el enfriamiento masivo del expansor con la licuefacción final de la válvula J-T, el ciclo Claude logra una mayor eficiencia y puede operar a presiones iniciales más bajas que el ciclo Linde. El trabajo generado por el expansor también puede recuperarse para alimentar el compresor inicial, mejorando aún más la eficiencia general. Este principio es fundamental en prácticamente todas las plantas criogénicas modernas a gran escala.

El ciclo de licuefacción laude posee un COP entre el ciclo Linde y el cascada (entre 0.05 y 0.2).

Los COP en licuefacción son muy pequeños comparados con refrigeración común, porque se trabaja a temperaturas extremadamente bajas. La eficiencia exergética también es muy baja, debido a las fuertes irreversibilidades que se presentan.