Общие сведения и классификация детандеров. Область применения.

ОПР: Детандеры– это расширительные низкотемпературные машины, служащие для производства холода путем расширения рабочего тела с понижением температуры и отдачей внешней работы (энергии). Термин «детандер» происходит от французского слова «dе'tendre», что означает уменьшение давления.

Детандеры или расширительные низкотемпературные машины предназначены для производства холода путем расширения рабочего тела с понижением температуры и отводом энергии (работы). Именно отвод энергии, производимый рабочим теплом при его расширении, позволяет производить холод в детандере более эффективно, чем в других генераторах холода, например в дросселе.

Отличие от энергетических машин.По принципу действия детандеры представляют собой энергетические машины, в которых одновременно с производством холода вырабатывается еще и работа в виде механической и электрической энергии, которую можно использовать в качестве привода различных машин и систем. Однако они отличаются от традиционных энергетических машин (паровых и газовых турбин, двигателей и т.п.), прежде всего температурным уровнем их работы. Если энергетические машины работают при температурах T выше температуры окружающей среды , т. е. , то детандеры работают при температурах T ниже , т. е. . Главным назначением энергетических машин является производство работы, а главным назначением детандеров – производство холода. Это отличие детандеров накладывает на них особые условия работы, конструктивного оформления и эксплуатации.

На практике существует в основном два класса детандеров:

1. расширительные машины объемного действия, типа поршневых, винтовых и ротационных детандеров;

2. кинетического действия, типа турбодетандеров.

В детандерах объёмного действия расширение газа происходит за счет непосредственного изменения объема рабочего тела путем движения поршня, или какого – либо другого устройства.

В детандерах кинетического действия – турбодетандерах расширение газа происходит за счет силового взаимодействия потока рабочего газа с лопатками рабочего колеса при движении потока газа в специально спрофилированном канале, в котором устанавливается вращающаяся решетка лопаточного аппарата (рабочее колесо). С помощью вращающихся лопаток рабочего колеса внутренняя и кинетическая энергия потока газа преобразуется в механическую энергию вращающейся решетки лопаточного аппарата. Эта механическая энергия затем преобразуется в электрическую или тепловую энергию, а в последнее время передаётся на вращение рабочего колеса нагнетателя или компрессора.

Как детандеры объемного действия, так и кинетического в зависимости от давления рабочего тела, применяемого на входе, подразделяются на детандеры высокого, среднего и низкого давления. Детандеры высокого давления – при давлении на входе ; среднего давления – ; низкого давления .

В соответствии с применяемым рабочим газом они подразделяются на воздушные, азотные, водородные, гелиевые и т.п

В конструктивном отношении и объемные детандеры, и кинетического действия разнообразны.

Каждый из типов детандеров имеет свои границы и области преимущественного применения. Выбор того или иного типа детандеров зависит от ряда причин: условий работы, параметров и эксплуатации низкотемпературных установок, а также от уровня развития современных технологий на фирмах – изготовителях, от традиций этих фирм по созданию тех или иных детандеров.

Детандеры получили широкое распространение в качестве генератора холода в воздухоразделительных установках (ВРУ), в гелиевых и водородных рефрижераторных и ожижительных системах для получения жидких гелия, водорода и других низкотемпературных жидкостей. В последнее время они стали широко применяться в ожижителях природного газа.

(ВРУ) - установки для разделения воздуха на компоненты, а именно на: кислород, азот, аргон, неон, ксенон, криптон)

Рефрижератор (от лат. refrigeratus — охлаждённый) — транспортное средство для перевозки скоропортящихся пищевых продуктов и иных грузов, требующих определённого температурного режима (химия, цветы, мороженое и т. д.). Рефрижераторыиспользуют холодильную установку, или фазо-изменяемый материал в эвтектических установках, с температурой замерзания -32°С. В зависимости от размеров авторефрижератора его холодильная установка может использовать компрессор, непосредственно установленный на двигателе автомобиля, работать от электромотора, включенного в электросистему автомобиля, либо иметь собственный бензиновый или дизельный двигатель внутреннего сгорания. Диапазон регулирования температур от +5 до −32 °C.

Краткая история развития поршневых и турбодетандеров.Идея создания машин для охлаждения газа при адиабатном расшире­нии возникла еще в начале XIX столетия. Но только в 1902 – 1904 гг. французским ученым Жаком Клодом был создан первый работоспособный поршневой детандер. Детандер Клода работал на воздухе при дав­лении 4,0 МПа, предварительно охлажденном до температуры (133 – 138 К) и предназначался для кислородных установок среднего давления.

В 1907 – 1915 гг. в Германии Гейляндт разработал и осуществил уста­новку для ожижения воздуха с поршневой расширительной машиной высоко­го давления. В детандер поступал воздух при давлении примерно 16,0 МПа и температуре, близкой к температуре окружающей среды.

Первый гелиевый низкотемпературный поршневой детандер был создан в 1934 году выдающимся советским ученым, академиком П.Л. Капицей.

Работы Клода, Гейляндта, Капицы по поршневым детандерам явились началом широкого применения их в криогенной технике.

Поршневые детандеры.Принцип работы, основные элементы

Расширение газа в поршневом детандере происходит за счет непосредственного изменения его объема в результате движения поршня в цилиндре и характеризуется рабочим процессом (рабочей диаграммой), которая показывает изменение давления газа в цилиндре при изменении его объема (или в зависимости от хода поршня).

Принцип работы поршневого детандера и основные его элементы поясняются на рис. 1, где представлены теоретическая диаграмма рабочего процесса и схематично основные элементы поршневого детандера.

Основными элементами поршневого детандера являются: 1 – цилиндр; 2 – поршень; 3 – рабочий объем; 4, 5 – клапаны впускной и выпускной вместе с приводом клапанов или механизм газораспределения; 6 – поршневое уплотнение; 7 – шток; 8 – крейцкопф; 9 – шатун; 10 – кривошип; 11 – генератор для отбора мощности. Элементы с 7 по 11 называют также механизмом движения поршневого детандера.

Закрытие и открытие клапанов в поршневых детандерах, как правило, осуществляется принудительно, от специального механизма – привода клапанов. В совокупности клапаны и их привод называются механизмом газораспределения. Однако имеются детандеры и без клапанного газораспределения. Их заменяют специальные окна или отверстия, которые в необходимые моменты перекрываются и открываются при движении поршня или другого механизма. Поэтому под механизмом привода клапанов или механизмом газораспределения будем понимать клапаны и их привод или систему отверстий, окон и клапанов в цилиндре и поршне машины.

Изоэнтропийное или идеальное расширение газа, а поршневом детандере можно реализовать только в случае, если в нем отсутствует вредное пространство, теплообмен газа с окружающей средой, гидравлическое сопротивление в клапанах и обеспечивается полное расширение газа в пределах заданных давлений. Такой детандер можно назвать идеальным. Рабочий процесс идеального детандера представлен диаграммой, изображенной на рис. 1.

Рис. 1. Теоретическая диаграмма рабочего процесса и основные элементы

поршневого детандера: 1 – цилиндр; 2 – поршень; 3 – рабочий объем;

4 – впускной клапан; 5 – выпускной клапан; 6 – поршневое уплотнение;

7 – шток; 8 – крейцкопф; 9 – шатун; 10 – кривошип; 11 – генератор для

отбора мощности

Он состоит из трех отдельных процессов: 1'–2' – процесса наполнения, который протекает при постоянном начальном давлении и постоянной начальной температуре . Поршень в это время двигается вправо, увеличивая рабочий объем; 2'–4' – изоэнтропийного расширения от и до конечных давления и температуры , поршень продолжает движение в право; 4'–5' – процесса выталкивания расширенного и охлажденного газа при постоянных конечных давлении и температуры , поршень в это время двигается в обратном направлении. При идеальном процессе впускной клапан открывается в момент, соответствующей на диаграмме точке 1', и закрывается в момент, соответствующей точке 2'. Расширение газа в процессе 2'–4' происходит при закрытых клапанах. Выпускной клапан открывается в момент, соответствующей точке 4', после чего поршень 2 начинает движение в обратном направлении и выталкивает расширенный и охлажденный газ из цилиндра через открытый выпускной клапан в трубопровод. В момент, соответствующий точке , выпускной клапан закрывается и одновременно открывается впускной клапан, после чего рабочий процесс идеального детандера повторяется.

Реальные процессы в поршневом детандере существенно отличаются от идеального. На рис. 1 показана также теоретическая диаграмма клапанного поршневого детандера, имеющего вредный объем , который от объема , описываемого поршнем, составляет от 4 до 12 % в клапанном детандере, т. е.

Полный рабочий объем равен сумме :

Описываемый объем поршнем определяется внутренним диаметром цилиндра d и ходом поршня S.

.

Теоретическая диаграмма включает в себя шесть отдельных процессов (рис. 1). Это процессы: 1 - 2 наполнения цилиндра сжатым газом при начальном давлении , когда впускной клапан открыт; 2 - 3 – расширения сжатого газа от начального давления до промежуточного , когда оба клапана закрыты; 3 - 4 – процесс выхлопа газа при открытом в т.3 выпускном клапане; 4 - 5 – выталкивания расширенного газа в трубопровод при открытом выпускном клапане; 5 - 6 – обратного поджатия после закрытия в т.5 выпускного клапана и 6 - 1 впуска сжатого газа в цилиндр, когда в т.6 открывается впускной клапан. Моменты открытия и закрытия клапанов определяет привод клапанов, который имеет самую разнообразную конструкцию. Он обеспечивает четкое открытие или закрытие клапанов в необходимые моменты времени для наиболее эффективной работы детандера.

Холодопроизводительность детандера численно равна работе расширения газа.

Поршневое уплотнение в детандере служит для уменьшения утечек сжатого газа, и может быть смазываемым или не смазываемым. Механизм движения детандера обеспечивает поступательное движение поршня. Он включает шток 7, соединяющий поршень 2 с крейцкопфом 8, который снимает нормальные усилия на цилиндр, возникающие от движения кривошипно-шатунного механизма 9 и 10 , и электрический генератор 11, который преобразует механическую энергию механизма движения в электрическую. В результате внутренняя энергия рабочего тела при его расширении через поршень передается механизму движения, а его механическая энергия при вращении генератора преобразуется, в данном случае, в электрическую, которая передается в электрическую сеть. Однако величина внутренней энергии, передаваемой механизму движения, в значительной степени определяется рабочей диаграммой, которая, в свою очередь, зависит от конструкции механизма газораспределения. Механизм газораспределения определяет способ газораспределения и во многом конструкцию и эффективность работы поршневых детандеров. По этому классификацию поршневых детандеров удобнее проводить по способу их газораспределения. В зависимости от способа газораспределения поршневые детандеры можно разделить на три основные группы:

1. Детандеры с клапанным газораспределением, имеющие впускной и выпускной клапаны, которые в свою очередь, можно подразделить на:

- детандеры с внешним приводом клапанов;

- детандеры с внутренним приводом клапанов;

- детандеры с самодействующими клапанами;

2. Детандеры с бесклапанным газораспределением, имеющие впускные и выпускные окна;

3. Детандеры со смешанным газораспределением, имеющие впускной клапан и выпускные окна, или наоборот, впускные окна и выпускной клапан.

Каждый из перечисленных способов газораспределения имеет свои преимущества и недостатки и характеризуется своей теоретической и рабочей диаграммой.

Модуль 3 "Нагнетатели кинетического действия"