Opracowanie tematu z przedmiotu: Techniki Niskotemperaturowe Temat: Skraplarka La Rouge a i skraplarka Gersza Opracowała: Katarzyna Kaczorowska Inżynieria Mechaniczno Medyczna, sem. 1, studia magisterskie Gdańsk 2013
Spis treści: 1. Skraplarka La Rouge a... 3 1.1. Budowa i zasada działania... 3 1.2. Przemiany... 4 1.3. Bilans cieplny... 4 2. Skraplarka Gersza... 5 2.1. Budowa i zasada działania... 5 2.2. Przemiany... 6 2.3. Bilans cieplny... 6 3. Bibliografia... 7 2
1. Skraplarka La Rouge a 1.1. Budowa i zasada działania Skraplarka La Rouge a jest rodzajem skraplarki, która służy do skraplania gazów kriogenicznych, np.: tlenu, wodoru. Zbudowana jest ze sprężarki, dwóch wymienników ciepła, zaworu dławiącego, zbiornika na ciekły kriogen oraz turbiny (Rys. 1.1.). Zasada działania: 1) Gaz kriogeniczny wprowadzony do układu trafia przez sprężarkę (Sp), w której zostaje sprężony do ciśnienia ok. 20 MPa. 2) Sprężony gaz przechodzi przez dwa połączone szeregowo wymienniki ciepła (WC1, WC2), gdzie zostaje schłodzony. 3) Ochłodzony gaz, po przejściu przez zawór dławiący (ZD), zostaje skroplony i zbierany w zbiorniku cieczy (ZbC) przy ciśnieniu 0,6 MPa. 4) Skroplony część gazu jest przekazywana poza układ za pomocą zaworu regulującego. 5) Natomiast część gazu, która nie została skroplona przekazywana jest do drugiego wymiennika ciepła (WC2), zostaje tam ogrzana do temperatury 200 K. 6) Gaz o temperaturze 200 K zostaje rozprężony w turbinie (T) do ciśnienia zbliżonego ciśnieniu atmosferycznemu. 7) Gaz zostaje ogrzany w pierwszym wymienniku ciepła (WC1) i powraca do przewodu ssawnego sprężarki (Sp) Rys. 1.1.: Schemat skraplarki La Rouge a i miesza się z zasysanym powietrzem uzupełniającym obieg. 3
1.2. Przemiany Zasadę działania skraplarki La Rouge a można przedstawić za pomocą wykresu T-s (Rys. 1.2.). Przemiany zachodzące w skraplarce La Rouge a: 1-2 - sprzężenie izotermiczne 2-3 - izobaryczne chłodzenie 3-4 - izobaryczne chłodzenie 4-5 - dławienie izentropowe 5-6 - skraplanie izotermiczne 5-7 - skraplanie izotermiczne 7-8 - izobaryczne ogrzewanie 8-9 - rozprężanie izentalpowe 9-10 - izobaryczne ogrzewanie Rys. 1.2.: Schemat obiegu La Rouge a na wykresie T-s 10-1 - powrót do obiegu pod stałym ciśnieniem (izobara) 1.3. Bilans cieplny Do określenia bilansu cieplnego skraplarki La Rouge a popotrzebne jest zanalizowanie strat oraz zysków, które wystepują w układzie. Do zysków zaliczamy: 1) entalpia gazu w punkcie 1. 2) moc generowana przez sprężarkę P Sp 3) strumień ciepła pobranego od otoczenia Natomiast do strat można wyróżnić: 1) straty entalpii gazu wprowadzonego do skraplacza 2) straty entaplii, który uległ skropleniu 3) moc generowana przez turbinę P T Bilans cieplny skraplarki La Rouge a: 4
2. Skraplarka Gersza 2.1. Budowa i zasada działania Kolejnym rodzajem skraplarki, która służy do skraplania gazów kriogenicznych, np.: tlenu, wodoru jest skraplarka Gersza. Zbudowana jest z dwóch sprężarek, dwóch wymienników ciepła, zaworu dławiącego, zbiornika na ciekły kriogen oraz turbiny (Rys. 2.1.). Zasada działania: 1) Gaz kriogeniczny jest wprowadzany do obiegu, przechodzi przez pierwszą sprężarkę (Sp1) i drugą sprężarkę (Sp2), gdzie zostaje sprężony. 2) Gaz następnie wchodzi do turbiny (T), gdzie zostaje rozprężony. 3) Wędruje do pierwszego wymiennika ciepła (WC1), gdzie jest ogrzewany pod stałym ciśnieniem 10 atmosfer. 4) Potem jest ponownie wprowadzany do układu po pierwszym sprężaniu gazu w pierwszej sprężarce (Sp), gdzie dochodzi do mieszania gazu sprężonego i rozprężonego. 5) Gaz po osiągnięciu ciśnienia 200 atmosfer, zostaje ochłodzony w dwóch Rys. 2.1.: Schemat skraplarki Gersza wymiennikach ciepła (WC1, WC2) połączonych szeregowo. 6) Gaz kriogeniczny przechodzi przez zawór dławiący (ZD) i trafia do zbiornika cieczy (ZbC), gdzie następuje jego skroplenie. 7) Za pomocą zaworu regulującego ciecz kriogeniczna zostaje przekazana na zewnątrz, gdzie napełniane są butle. 8) Gaz, który nie uległ skropleniu, kierowany jest do dwóch wymienników ciepła (WC1, WC2), gdzie ulegają ogrzaniu. 9) W ostatnim etapie następuje oddanie gazu poza układ lub ponowne wykorzystanie gazu w obiegu. 5
2.2. Przemiany Zasadę działania skraplarki Gersza również można przedstawić na wykresie T-s (Rys. 2.2.). Przemiany zachodzące w skraplarce Gersza: 1-2 - izotermiczne sprężanie gazu 2-3 - izotermiczne sprężanie gazu 3-4 - rozprężanie izentalpowe 4-2 - izobaryczne ogrzewanie (P=10at) 3-5 - izobaryczne chłodzenie (P=200at) 5-6 - izobaryczne chłodzenie (P=200at) 6-7 - dławienie izentalpowe 7-8 - skraplanie izotermiczne 8-9 - izobaryczne ogrzewanie 9-10 - izobaryczne ogrzewanie Rys. 2.2.: Schemat obiegu Gersza na wykresie T-s 7-11 - izotermiczne skraplanie 2.3. Bilans cieplny Do określenia bilansu cieplnego skraplarki Gersza popotrzebne jest zanalizowanie strat oraz zysków, które wystepują w układzie. Do zysków zaliczamy: 1) entalpia gazu w punkcie 1. 2) moc generowana przez pierwszą sprężarkę P Sp1 3) moc generowana przez drugą sprężarkę P Sp2 4) strumień ciepła pobranego od otoczenia Natomiast do strat można wyróżnić: 1) straty entalpii gazu wprowadzonego do skraplacza 2) straty entaplii, który uległ skropleniu 3) moc generowana przez turbinę P T Bilans cieplny skraplarki Gersza: 6
3. Bibliografia 1. Wesołowski A., Urządzenia chłodnicze i kriogeniczne oraz ich pomiary cieplne, Wydawnictwo Naukowo Techniczne, Warszawa 1980. 2. dr inż. Waldemar Targański, wykłady z technik niskotemperaturowych 3. http://www.specjalnoscchk.odt.pl/osiagi/kowalska_krio.pdf 4. http://www.specjalnoscchk.odt.pl/osiagi/kreft_krio.pdf 7