POLITECHNIKA GDAŃSKA WYDZIAŁ MECHANICZNY Katedra Energetyki i Aparatury Przemysłowej Agnieszka Wendlandt Nr albumu : 127643 IM M (II st.) Semestr I Rok akademicki 2012 / 2013 PRACA SEMINARYJNA Z PRZEDMIOTU TECHNIKI NISKOTEMPERATUROWE W MEDYCYNIE Temat: Skraplarka La Rouge a i skraplarka Gersza. Prowadzący: dr inż. Waldemar Targański Data oddania : 20. 05. 2013 r.
Spis treści 1. Wstęp... 3 2. Skraplarka La Rouge a... 4 2. 1. Budowa... 4 2. 2. Zasada działania... 4 2. 3. Procesy termodynamiczne... 5 2. 4. Bilans cieplny... 5 3. Skraplarka Gersza... 6 3. 1. Budowa... 6 3. 2. Zasada działania... 6 3. 3. Procesy termodynamiczne... 7 3. 4. Bilans cieplny... 7 4. Literatura... 8 2
1. Wstęp Skraplarka jest urządzeniem (lub zespołem urządzeń) przeznaczonym do zamiany substancji znajdującej się w stanie gazowym w temperaturze otoczenia w ciecz, czyli do skraplania gazów. Skraplarki zaliczamy do urządzeń kriogenicznych. Żeby skroplić gaz trzeba obniżyć jego temperaturę do temperatury niższej od temperatury krytycznej, charakterystycznej dla danego gazu. Zatem skroplone gazy są źródłem niskich temperatur. Ponieważ niskie temperatury są stosowane w wielu dziedzinach techniki, skraplanie gazów jest głównym celem kriogeniki. W mojej pracy skupiłam się na skraplarce La Rouge a i skraplarce Gersza. 3
2. Skraplarka La Rouge a 2. 1. Budowa Na konstrukcję skraplarki La Rouge a, służącej do skraplania gazów, składają się : sprężarka, turbina (rozprężarka), dwa wymienniki ciepła, zawór dławiący, zbiornik na skroploną ciecz. 2. 2. Zasada działania Po wprowadzeniu do obiegu gaz jest sprężany w sprężarce (SPR). Gdy gaz osiągnie ciśnienie 20 MPa, zostaje schłodzony w dwóch połączonych szeregowo wymiennikach ciepła (WC I i WC II), skąd przez zawór dławiący (ZD) jest doprowadzany do zbiornika na skroploną ciecz (ZBC), w którym ulega skropleniu przy ciśnieniu 0,6 MPa. Ciśnienie otrzymanego kriogenu jest wyższe od ciśnienia atmosferycznego. Zatem, aby go wykorzystać należy przeprowadzić proces dławienia. Gaz, który nie uległ skropleniu, zostaje ogrzany do temperatury ok. 210 K w drugim wymienniku ciepła (WC II). Następnie przemieszcza się do turbiny (RSP), gdzie następuje jego izentalpowe rozprężenie do ciśnienia 0,1 MPa. Po wyjściu z rozprężarki gaz ogrzewa się przy stałym ciśnieniu w pierwszym wymienniku ciepła (WC I), po czym jest wprowadzany do przewodu ssawnego sprężarki, gdzie miesza się z zasysanym powietrzem uzupełniającym obieg. Rys. 1 Skraplanie gazu metodą La Rouge a. 4
2. 3. Procesy termodynamiczne Rys. 2 Schemat obiegu w układzie T-s. Podczas skraplania gazu metodą La Rouge a zachodzą następujące przemiany: 1 2 izotermiczne sprężanie, 2 3 izobaryczne chłodzenie, 3 4 izobaryczne chłodzenie, 4 5 izentalpowe dławienie, 5 6 skraplanie, 5 7 parowanie, 7 8 izobaryczne ogrzewanie, 8 9 izentalpowe rozprężanie, 9 10 izobaryczne ogrzewanie. 10 1 powrót do obiegu. 2. 4. Bilans cieplny Bilans cieplny analizowanego układu opisuje równanie: gdzie: strumień entalpii gazu w punkcie 1, moc generowana przez sprężarkę (SPR), strumień ciepła pobranego z otoczenia,, straty strumieni entalpii gazu, moc generowana przez turbinę. 5
3. Skraplarka Gersza 3. 1. Budowa Na konstrukcję skraplarki Gersza, służącej do skraplania gazów, składają się : dwie sprężarki, turbina (rozprężarka), dwa wymienniki ciepła, zawór dławiący, zbiornik na skroploną ciecz. 3. 2. Zasada działania Po wprowadzeniu do obiegu gaz jest sprężany kolejno w dwóch sprężarkach (SPR I i SPR II). Sprężony gaz przemieszcza się do turbiny (RSP), gdzie następuje jego izentalpowe rozprężenie. Następnie ogrzewa się przy stałym ciśnieniu w pierwszym wymienniku ciepła (WC I), po czym jest wprowadzany z powrotem do obiegu, tuż za pierwszą sprężarką (SPR I). Dochodzi do mieszania gazu sprężonego i rozprężonego. Gdy gaz osiągnie ciśnienie 20 MPa, zostaje schłodzony w dwóch połączonych szeregowo wymiennikach ciepła (WC I i WC II), skąd przez zawór dławiący (ZD) jest doprowadzany do zbiornika na skroploną ciecz (ZBC), w którym ulega skropleniu. Gaz który nie uległ skropleniu, zostaje ogrzany w wymiennikach ciepła i jest wydalany z układu. Rys. 3 Skraplanie gazu metodą Gersza. 6
3. 3. Procesy termodynamiczne Rys. 4 Schemat obiegu w układzie T-s. Podczas skraplania gazu metodą Gersza zachodzą następujące przemiany: 1 2 izotermiczne sprężanie, 2 3 izotermiczne sprężanie, 3 4 izentalpowe rozprężanie, 4 2 izobaryczne ogrzewanie, 3 5 izobaryczne chłodzenie, 5 6 izobaryczne chłodzenie, 6 7 izentalpowe dławienie, 7 11 skraplanie, 7 8 parowanie, 8 9 izobaryczne ogrzewanie, 9 10 izobaryczne ogrzewanie. 3. 4. Bilans cieplny Bilans cieplny analizowanego układu opisuje równanie: gdzie: strumień entalpii gazu w punkcie 1, moc generowana przez pierwszą sprężarkę (SPR I), moc generowana przez drugą sprężarkę (SPR II), strumień ciepła pobranego z otoczenia,, straty strumieni entalpii gazu, moc generowana przez turbinę. 7
4. Literatura [1] Bodio E.: Skraplarki i chłodziarki kriogeniczne. Wrocław, Wydawnictwo Politechniki Wrocławskiej, 1987. [2] Stefanowski B.: Technika bardzo niskich temperatur w zastosowaniu do skraplania gazów. Warszawa, Wydawnictwa Naukowo Techniczne, 1964. [3] Wesołowski A.: Urządzenia chłodnicze i kriogeniczne oraz ich pomiary cieplne. Warszawa, Wydawnictwa Naukowo Techniczne, 1980. [4] http://www.specjalnoscchk.odt.pl/osiagi_krio.html 8