kriogenika FINAL VERSION DOUBLE CHECKED.docx

INSTALACJE KRIOGENICZNE

PROJEKT

Prowadzący: mgr. inż. Paweł Duda

Numer grupy: poniedziałek  TP 9.15-11:00

Skład grupy :

Jacek Górawski

Magdalena Sztybrych

Przemysław Wojciechowski

Karolina Żegiestowska

1. Założenia

Wstępne dane techniczne linii transferowej:

- czynnik kriogeniczny:                                                         ciekły azot N2

- nominalny strumień przepływu kriogenu:                    213 gs=0,21kgs
- ciśnienie dopuszczalne:                                                      7 bar

- ciśnienie nominalne:                                                          1,3∙pdop=9,1 bar

- geometria projektowanego modułu kriogenicznego: rysunek nr 6

Rys.1. Schemat geometrii modułu kriogenicznej linii transferowej.

2. Obliczenia

2.1 Obliczenie parametrów rurociągu

W celu wyznaczenie minimalnej średnicy przewodu korzystamy z równania ciągłości:

gdzie:

m - strumień masy czynnika, kgs
A - pole przekroju kanału, m2

v - średnia prędkość przepływającej strugi, ms
ρ - gęstość czynnika, kgm3
Dla określenia gęstość czynnika została odczytana wartość objętości właściwej wyznaczona na podstawie programu CoolPack ™:

T = 98,48 K

p = 7  bar

v = 0,00143 m3/kg

Gęstość obliczamy korzystając ze wzoru:

Podstawiając odpowiednie dane otrzymujemy:

ρ=1v=10,00143=699,3kgm3

Przekształcamy wzór (1) do otrzymać średnicę wewnętrzną przewodu transferowego:

gdzie:

m - strumień masy czynnika, kgs

v - średnia prędkość przepływającej strugi, ms
ρ - gęstość czynnika, kgm3

W celu ograniczenia spadków ciśnienia w rurociągu przyjęto jak najmniejszą wartość prędkości i wynosi v= 1ms

Podstawiając dane otrzymujemy:

dmin=4mπ∙v∙ρ=4∙0,21π∙1∙699,3=0,020m

Następnym krokiem jaki należy wykonać to dobranie z katalogu unormowanej średnicy:

Dobrano rury z normy PN-EN 10088-1.4404 dla stali austenitycznej o następujących wymiarach  DN20:

- średnica wewnętrzna: dw=21.6 mm

- grubość ścianki: g=2.65 mm

- średnica zewnętrzna: dz = 26.9 mm

Rys. 2 Schemat umieszczenia rur o odpowiedniej średnicy.

2.2 Wyznaczenie średnicy przewodu i płaszcza zewnętrznego:

Średnicę płaszcza zewnętrznego można oszacować według następującego wzoru:

gdzie:

2∆r=0,5-1,5∙dz

Stosując większą wartość 2∆r zapewnia nam większą grubość płaszcza próżniowego.

Przyjęto wartość: 2∆r=1∙dz=12 mm

Podstawiając odpowiednie wartości do wzoru (4) otrzymujemy:
Dz=dz+2∆r=26.9+1∙26.9=51.11 mm

Dobrano więc następującą średnicę z katalogu DN50:

- średnica wewnętrzna płaszcza: Dw-płaszcza =53 mm

- grubość ścianki płaszcza: gpłaszcza =3.65 mm

- średnica zewnętrzna płaszcza:  Dz-płaszcza = 60,3 mm

Na materiał płaszcza i rurociągu została wybrana:

stal austenityczna o następujących parametrach:

- oznaczenie wg AISI / ASTM: 304 L

- granica plastyczności: Re=210 MPa

Następnie sprawdzamy warunki wytrzymałościowe:

gdzie:

σ - naprężenia w elemencie

σdop - dopuszczalne naprężenia

Wartość naprężeń dopuszczalnych obliczamy z następującego wzoru:

gdzie:

x - współczynnik bezpieczeństwa, przyjęto jego wartość x =1,5

σdop=Rex=2101,5=140 MPa

Wartość naprężeń w elemencie możemy wyznaczyć ze wzoru:

gdzie:

pdop - ciśnienie dopuszczalne, podawane w MPa

dz - średnica zewnętrzna rurociągu, podawana w mm

g - grubość rurociągu podawana w mm

Obliczenie naprężeń wytrzymałościowych  w płaszczu:

Podstawiając dane otrzymujemy:

σ=1,3∙0.572∙0.00365=1.009 MPa
                                                                   

Sprawdzenie warunku wytrzymałościowego:

σ≤σdop

1.009 MPa≤140 MPa

Warunek został spełniony także zachowano należytą wytrzymałość płaszcza. 

Obliczenie naprężeń wytrzymałościowych  w rurociągu:

Podstawiając dane otrzymujemy:

σ=1,3∙0.0242∙0.00265=0.595MPa

Sprawdzenie warunku wytrzymałościowego:

σ≤σdop

0.595 MPa≤140 MPa

Warunek został spełniony także zachowano należytą wytrzymałość rurociągu. 

2.3 Obliczenie maksymalnego skurczu termicznego i dobór mieszków kompensacyjnych:

W celu wyznaczenia maksymalnego skurczu termicznego korzystamy ze wzoru:

gdzie:

L - długość rurociągu, podawana w metrach

ξ - skurcz termiczny, podawany w milimetrach na metr, odczytany z wykresu

Dla stali austenicznej o temperaturze około 100K wartość skurczu wynosi około : ξ=2,7mmm

Uwzględniając wymiary   zgodnie z rysunkiem wyznaczamy skurcz:

∆L1=ξ∙L1=2,7∙1=2,7mm

∆L2=ξ∙L2=2,7∙3,7=10mm

∆L3=ξ∙L3=2,7∙2=5,4mm

Po otrzymaniu wartości poszczególnych skurczy należy dobrać kompensatory mieszkowe.

Kompensatory dobrano na występujący skurcz oraz odpowiednio do średnicy.

Dobrano następujące kompensatory:

Rys. 2. Tabela doborowa  mieszków kompensacyjnych.

Rys. 3. Schemat mieszka kompensacyjnego.

Tabela 1. Dobór kompensatorów: