Temat: Skraplarka La Rouge`a i skraplarka Gersza

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 – PSp
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 – PT
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)
2)
3)
4)
entalpia gazu w punkcie 1. –
moc generowana przez pierwszą sprężarkę – PSp1
moc generowana przez drugą sprężarkę – PSp2
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 – PT
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