Обновлено: 04.07.2024

Способы получения искусственного холода. Основные группы холодильных установок, работающих в области умеренного холода. Принцип получения низких температур в газовых холодильных машинах. Стадии теоретического регенеративного и нерегенеративного циклов.

Рубрика	Производство и технологии
Вид	реферат
Язык	русский
Дата добавления	23.12.2013
Размер файла	482,6 K

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

КАФЕДРА ЭЭ

Реферат по дисциплине:

Выполнил: ст. гр. ЭОм-1-12

Сираев Р.Р.

Проверил: Мутрисков А.Я.

Казань 201

СОДЕРЖАНИЕ

Введение

Газовые холодильные машины

Теоретический цикл нерегенеративной ГХМ с детандером

Теоретические циклы регенеративных ГХМ с детандером

Общие сведения о работе каскадных холодильных машин

Газовые холодильные машины с вихревыми трубами

Список использованной литературы

ВВЕДЕНИЕ

К холодильной технике относятся технические устройства, предназначенные для создания и поддержания температур ниже температуры окружающей среды. До температуры окружающей среды (атмосферный воздух, вода естественных водоемов, грунт) любое тело можно охладить естественным путем.

Искусственный холод получают двумя способами. Первый основан на аккумулировании естественного холода и относится к области ледяного и льдосоляного охлаждения и в данном курсе не рассматривается.

Второй способ составляет основу машинного охлаждения. Согласно второму закону термодинамики для получения холода необходимо затратить внешнюю работу или теплоту. При этом от охлаждаемого тела отводится теплота и подводится к источнику окружающей среды. Охлаждаемое тело называют источником теплоты низкой температуры.

Диапазон температур, достигаемых с помощью холодильных машин, достаточно широк: от положительных значений температур, близких к температуре источника окружающей среды, до температуры предела искусственного охлаждения - абсолютного нуля (0 К, или -273,15 ?С).

В данном курсе рассматриваются способы получения температур и циклы различных типов холодильных машин, работающих в области умеренных температур охлаждения (-160 ?С Т_о.с. После регенератора воздух проходит клапанную коробку Ж₁ и выбрасывается в атмосферу, где, смешиваясь с окружающим воздухом, охлаждается в процессе тепломассообмена до температуры Т_о.с.

Особенностью работы ГХМ с тепломассообменом является непрерывное всасывание в компрессор атмосферного воздуха, который всегда содержит влагу. При охлаждении в регенераторе влага сначала выпадает в виде жидкости, а затем при t

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

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"

Папиллярные узоры пальцев рук - маркер спортивных способностей: дерматоглифические признаки формируются на 3-5 месяце беременности, не изменяются в течение жизни.

Поперечные профили набережных и береговой полосы: На городских территориях берегоукрепление проектируют с учетом технических и экономических требований, но особое значение придают эстетическим.

Опора деревянной одностоечной и способы укрепление угловых опор: Опоры ВЛ - конструкции, предназначен­ные для поддерживания проводов на необходимой высоте над землей, водой.

Общие условия выбора системы дренажа: Система дренажа выбирается в зависимости от характера защищаемого.

Низкотемпературные процессы в газопереработке приобретают все большее распространение в связи с повышением потребности в таких индивидуальных углеводородах, как этан, пропан и бута- ны, а также увеличением спроса на сжиженные газы. Процессы разделения углеводородных газов основаны на различии физикохимических свойств их компонентов. Наиболее важный показатель, влияющий на технологические параметры процессов разделения, — давление насыщенных паров различных компонентов. Четкость разделения углеводородных газов в значительной степени определяется относительной летучестью их компонентов:

где Хь %2 — коэффициенты активности разделяемых компонентов; р_ъ р₂ — давление насыщенных паров компонентов; к_ъ к₂ — константы фазового равновесия.

С внешним холодильным циклом, когда применяются специальные вещества — хладагенты, совершающие круговой процесс в холодильном цикле. При этом могут использоваться не только однокомпонентные хладагенты (пропан, этан, этилен, аммиак и т. д.), но и многокомпонентные смешанные хладагенты, например смесь легких углеводородов. Для глубокого охлаждения используют каскадные холодильные циклы, которые основаны на использовании нескольких последовательных холодильных циклов с различными хладагентами, отличающимися по температурам кипения.

С внутренним холодильным циклом, когда используется непосредственное охлаждение технологических потоков путем их дроссельного (изоэнтальпийного) или детандерного (изоэнтропийного) расширения.

С комбинированным холодильным циклом, например с использованием внешнего хладагента на начальном этапе с последующим дросселированием или детандированием потока.

Получение холода связано с передачей тепла от менее нагретого тела к более нагретому, в то время как самопроизвольная передача тепла может осуществляться только наоборот, от более нагретого к менее нагретому телу. Следовательно, процесс получения холода возможен только с затратой работы. В качестве переносчика тепла с низшего температурного уровня на более высокий используется рабочее вещество (хладагент), совершающее круговой процесс.

Если в качестве хладагентов используются газы с критической температурой более высокой, чем температура окружающей среды, охлаждение называется умеренным, если же с более низкой — это глубокое охлаждение. Различие между процессами умеренного и глубокого охлаждения заключается в том, что в процессе умеренного охлаждения сжатые до определенного давления газы конденсируются, отдавая тепло окружающей среде (воздуху или воде), а в процессе глубокого охлаждения для конденсации хладагента необходимо охлаждать его до температуры более низкой, чем температура окружающей среды.

Способы получения умеренного холода. В процессах получения умеренного холода нижний температурный предел (до минус 120 °С) достигается при использовании в качестве хладагента этилена. В зависимости от способа сжатия хладагента и изменения его состояния в рабочем цикле для достижения умеренного охлаждения используют следующие холодильные установки:

• — парокомпрессионные холодильные машины, в которых сжатие хладагента осуществляется поршневым, турбинным или винтовым компрессором, и сжатый газ подвергается конденсации;
• — абсорбционные холодильные машины, в которых хладагент сжимается термокомпрессором и подвергается сжижению.

Принципиальная схема парокомпрессионной холодильной машины показана на рис. 6.5.

Рис. 6.5. Схема парокомпрессионной холодильной машины:

К — компрессор; ХК — холодильник-конденсатор; X — холодильник;

Д — дроссель; И — испаритель

Пары циркулирующего хладагента направляются на прием компрессора К и сжимаются в нем до рабочего давления. Сжатые пары хладагента поступают в холодильник-конденсатор ХК, где при охлаждении водой или воздухом конденсируются и поступают для доохлаждения в холодильник X. Переохлажденный жидкий хладагент затем дросселируется в дросселе Д, в результате чего его температура понижается. После дросселя Д хладагент направляется в испарители, где происходит его испарение за счет подвода тепла охлаждаемым потоком. Верхняя температура парокомпрессионного цикла примерно одинакова при использовании всех хладагентов, так как зависит от температуры охлаждаемой воды и колеблется от 0 до 30 °С. Нижнюю температуру цикла задают в зависимости от назначения холодильной установки. Выбор хладагента зависит от необходимого интервала температур в работе холодильной установки, т. е. от требуемого нижнего температурного предела. При выборе хладагента и температурного интервала цикла стремятся также к тому, чтобы давление насыщенных паров хладагента при нижней температуре цикла было близко к атмосферному.

В настоящее время для холодильных установок используются различные хладагенты: этан, этилен, пропан, аммиак и т. д. Широкое применение в практике работы парокомпрессионных холодильных установок получил аммиак. При температуре 20 °С давление насыщенных паров аммиака составляет 857 кПа, в то время как температура насыщения, равная -34 °С, соответствует давлению 98 кПа. Следовательно, создание аммиачной парокомпрессионной холодильной установки на конечные температуры до -34 °С не требует применения вакуума, что значительно упрощает ее конструкцию. Кроме того, по сравнению с другими хладагентами аммиак имеет более высокую холодопроизводительность на 1 кг хладагента. Аммиак имеет и недостатки: токсичность и коррозионную активность. Поэтому в промышленности широкое применение в качестве хладагентов находят углеводороды, в частности пропан, этан или этилен, которые хотя и имеют более низкую холодопроизводительность по сравнению с аммиаком, но не обладают коррозионной активностью и нетоксичны.

В абсорбционных холодильных машинах необходимо выбрать не только подходящий хладагент, но и дешевый и доступный растворитель, в котором легко растворяется хладагент. Схемы абсорбционных циклов отличаются от парокомпрессионных способом сжатия паров хладагента после испарителя. Схема абсорбционной холодильной машины приведена на рис. 6.6.

Рис. 6.6. Схема абсорбционной холодильной машины:

• 1 — испаритель; 2 — абсорбер; 3 — рекуперативный теплообменник;
• 4 — насос; 5 — отпарная колонна; 6 — холодильник-конденсатор;
• 7 — холодильник; 8, 9 — дроссель

Пары хладагента из испарителя 1 поступают в абсорбер 2, где они поглощаются растворителем, при этом предусмотрен отвод тепла абсорбции. Процесс поглощения паров хладагента аналогичен процессу всасывания паров в компрессор в схеме парокомпрессионной холодильной машины. Насыщенный растворитель из нижней части абсорбера проходит рекуперативный теплообменник 3 и насосом 4 подается в отпарную колонну с кипятильником 5. За счет подвода тепла к кипятильнику большая часть хладагента испаряется из насыщенного раствора и в виде паров под высоким давлением отводится из отпарной колонны. Пары конденсируются в холодильнике-конденсаторе 6, и затем сжиженный хладагент доохлаждается в холодильнике 7, проходит через дроссель 8 и при более низкой температуре поступает в испаритель 1. Обедненный раствор хладагента из отпарной колонны с кипятильником 5 через дроссель 9 и теплообменник 3 подается в верхнюю часть абсорбера.

Основная сложность в использовании абсорбционных холодильных машин — подбор соответствующей пары хладагент — растворитель, к которым предъявляются весьма жесткие требования: не- токсичность, низкая коррозионная активность, высокая взаимная растворимость и др. Первым из хладагентов в абсорбционных холодильных машинах начали использовать аммиак, который обладает хорошими холодильными свойствами и хорошо растворим в воде, используемой в этом случае в качестве абсорбента. Все большее применение находит система бромистый литий — вода. Исследованиями некоторых авторов показана также перспективность использования систем пропан — углеводородная жидкость. Капитальные затраты на создание парокомпрессионных и абсорбционных холодильных машин примерно одинаковы. Преимуществом парокомпрессионных машин являются компактность и меньшая металлоемкость, а абсорбционных — простота оборудования и эксплуатации.

Способы получения глубокого холода. Для получения глубокого холода в процессах газопереработки используются:

• — внутренние холодильные циклы;
• — каскадные холодильные циклы;
• — комбинированные холодильные циклы.

Внутренние холодильные циклы действуют за счет изоэнталь- пийного (дросселирование) или изоэнтропийного (детандеры) расширения газового потока.

В дроссельных холодильных циклах используется эффект Джоуля — Томсона. Эти циклы эффективны при больших перепадах давления на дросселе. В условиях небольших перепадов давления более эффективно расширение газа в детандерах. На практике используют два основных способа расширения газа — процесс дросселирования предварительно сжатого и охлажденного газа и процесс расширения с производством внешней работы.

Эффект снижения давления струи газа или жидкости в процессе протекания через сужение называется дросселированием. Процесс расширения газа путем дросселирования является изоэнтальпий- ным и необратимым. Принципиальная схема дроссельного расширения показана на рис. 6.7, а. Газ с давлением р-, и температурой Т_]? изотермически сжимается в компрессоре К до давления р₂. Сжатый газ, пройдя дроссельное устройство Д, расширяется до первоначального давления р_ь при этом его температура снижается до Т₂. Расширение в дросселе происходит при постоянной энтальпии. Охлажденный газ нагревается в теплообменнике Т-0 до первоначальной температуры, отнимая тепло от охлаждаемого потока. Холодопроиз- водительность дроссельного цикла равна разности энтальпии газа до и после изотермического сжатия в компрессоре, т. е. работе сжатия в компрессоре в тепловых единицах.

Рис. 6.7. Схемы дроссельного (а) и детандерного (б) расширения сжатого газа:

К — компрессор; Д — дроссель; Д-Р — детандер-расширитель; Т-0 — теплообменник

Расширительные машины делятся на два основных класса:

• 1) машины статического (объемного) действия, в которых расширение газа происходит в переменном объеме с возвратно-поступательным движением поршней или при вращательном движении. В технике глубокого охлаждения из машин этого класса наибольшее распространение получили одноступенчатые поршневые детандеры. Иногда используют ротационные или винтовые детандеры;
• 2) поточные машины динамического действия, в которых расширение газа происходит в результате его движения через системы неподвижных направляющих каналов и межлопаточных каналов. Это турбодетандеры, рабочей средой в которых является газ. Работа в турбодетандерах создается в результате взаимодействия потока газа с кольцевыми лопаточными решетками, т. е. системами лопастей, расположенных вокруг оси вращения. Основное назначение вращающихся лопаточных решеток состоит в изменении энергетического уровня рабочей среды, что достигается изменением момента количества движения протекающего газа. Возникающий при этом момент сил, действующий на лопатки вращающейся решетки, определяет передаваемую внешним телам работу, называемую технической.

Ступень турбодетандера образует два основных рабочих элемента — неподвижный направляющий аппарат (сопловый аппарат) и вращающееся рабочее колесо. Рабочий процесс в ступени турбодетандера протекает следующим образом: сжатый газ с небольшой скоростью подводится к направляющему аппарату, в котором скорость потока значительно увеличивается с соответствующим понижением давления и энтальпии. Затем газ проходит по межлопаточным каналам рабочего колеса, передавая с помощью лопаток свою энергию на вал машины. Расширенный и охлажденный газ выводится из машины и направляется к потребителю холода. Механическая энергия с вала машины также должна быть отведена. Направляющий аппарат служит для полного или частичного преобразования потенциальной энергии сжатого газа в кинетическую, а рабочее колесо — для преобразования энергии газа (в общем случае и потенциальной, и кинетической) в механическую работу, передаваемую внешним телам. Таким образом, принцип действия турбодетандера заключается в осуществлении процесса расширения газа с совершением внешней работы путем полного или частичного преобразования энергии сжатого газа в кинетическую энергию в направляющем (сопловом) аппарате и последующего преобразования энергии газа в механическую работу во вращающемся рабочем колесе. Этот процесс сопровождается понижением энтальпии газа, т. е. получением холода и передачей внешнему потребителю механической энергии.

Каскадные холодильные циклы представляют собой последовательно соединенные парокомпрессионные машины с различными хладагентами, отличающимися по температурам кипения. Принцип взаимодействия последовательно соединенных парокомпрессионных холодильных машин заключается в том, что хладагент, сжижающийся при более высокой температуре, служит для конденсации паров труднее конденсируемого хладагента. Например, в стандартном каскадном холодильном цикле, предназначенном для сжижения природного газа, обычно применяют три ступени. На первой ступени в качестве хладагента используют пропан, фреон или аммиак, на второй — этан или этилен, на третьей — метан или природный газ. Принципиальная схема каскадного холодильного цикла показана на рис. 6.8. Пары хладагента первой ступени, например пропана, конденсируются водой или воздухом и после расширения в дроссельном устройстве поступают в испаритель И-1 для конденсации паров хладагента второй ступени, например этана. Сконденсированный хладагент второй ступени после дросселирования поступает в И-2 на конденсацию хладагента третьей ступени, например природного газа. Несконденсировавшийся газ из сепаратора С-1 поступает в теплообменник Т-2 для рекуперации холода, а затем в компрессор К-3 для сжатия. Основное преимущество каскадных циклов — низкий расход энергии. Однако это требует большого количества оборудования и более сложного управления потоками.

Рис. 6.8. Схема каскадного холодильного цикла:

К-1, К-2, К-3 — компрессоры первой, второй и третьей ступеней соответственно; Х-1 — холодильник-конденсатор; Т-1, Т-2 — теплообменники;

Применение специальных расширительных машин – детандеров, где происходит адиабатное расширение газа с отдачей внешней работы на вал машины, позволяет получить значительно большее охлаждение, чем при дросселировании газов, при этом, используется и дополнительная работа возвратной части энергии обрабатываемого потока газа.

Работа расширительной машины – детандера оценивается величиной температуры газа на выходе потока и развиваемой мощностью на его валу.

В качестве расширительных машин с успехом применяются:

1. Поршневые детандеры для установок высокого давления с небольшой холодопроизводительностью.
2. Турбодетандеры радиального центростремительного типа для установок со значительной холодопроизводительностью и большим расходом газа среднего и высокого давления.
3. Винтовые детандеры для установок, работающих на неочищенных газах с высоким содержанием частиц жидкой фазы.

Поршневые детандеры

Расширительные поршневые машины используются на рабочих интервалах давлений от 35 до 210 кг/см 2 на входе и до 7-2 кг/см 2 на выходе. Одноцилиндровые детандеры обычно имеют производительность до 30 м 3 /мин, с к.п.д. более 80% при числе оборотов коленчатого вала до 500 об/мин. В качестве холодильного агента предпочтительно применять продукты, отходы или полуфабрикаты данного производства, в частности пропан-бутановые смеси.

Для температур кипения в пределах минус 10°С — минус 40°С рекомендуется применять газовые смеси типа пропан-пропилен. Адиабатическое расширение многокомпонентной углеводородной смеси сопровождается внутренним теплообменом между компонентами, в результате чего температура и теплосодержание определяются как средние величины отдельных компонентов, а внешняя работа определяется как сумма работ отдельных ее компонентов по диаграммам состояния.

Работа расширения смеси сопровождается выпадением жидкой фазы и характеризуется выделением дополнительного тепла конденсации и растворения газов в жидкости. Выделение жидкости интенсивно происходит при изобарическом охлаждении смеси в теплообменниках – конденсаторах.

Турбодетандеры

За рубежом имеется опыт работы газобензиновых заводов (ГБЗ) с турбодетандерными установками в качестве источников холода.

Особенностью работы таких установок является выпадение жидкой фазы в процессе расширения газа. Сжижение газа в турбодетандере значительно повышает эффективность установок для сжижения таких газов, как метан и др.

Современные рабочие циклы сжижения газов, как известно, основаны на использовании более высоких давлений, чем в обычных схемах. Это существенно улучшает технологичность схем, и расширительные машины выполняют здесь не только функции по производству холода и использованию возвратной части энергии, но и функции осушительной установки. При этом поток газа охлаждается менее чем на 20-25%, но зато газ после детандера содержит более чем наполовину жидкую фазу.

Мощность детандерных агрегатов зависит от фактически используемого перепада давления, скорости потока газа и расхода газа. Эти величины определяют габариты и рабочие характеристики расширительно-осушительных установок.

Заводы по сжижению углеводородных газов (метан-этановой фракции) применяют преимущественно высокопроизводительные, малогабаритные одноступенчатые реактивные турбодетандеры с турбокомпрессором на одном валу. При числе оборотов в минуту 60000 и более, они имеют высокий к.п.д., используя высокие скорости газовых потоков.

Однако в заводской практике имеет место и применение осевых турбодетандеров активного типа в одно- и многоступенчатом исполнении. Обычно турбодетандеры комплектуются вместе с турбинным компрессором без редуктора. Турбокомпрессор использует часть энергии, сжимая газ до заданной степени, и поглощает развиваемую детандером мощность с минимальными потерями. Иногда развиваемая детандером мощность поглощается электрогенератором, а иногда для упрощения систем используют обычные тормозные устройства.

Объемная скорость перерабатываемого газа регулируется в турбодетандере реактивного типа соплами переменного сечения, что наиболее эффективно обеспечивает гибкость режима работы при сохранении достаточно высокого к.п.д.

Следует иметь в виду, что турбодетандеры реактивного типа с радиальным расположением лопаток, направляющие поток газа от периферии к центру колеса, совершенно непригодны для проведения процессов расширения газа с образованием жидкой фазы. Колесо турбодетандерв в этом случае отбрасывает капли жидкости на стенки статора и заставляет выделившуюся жидкость рециркулировать, снижая производительность агрегата и вызывая явления эрозии на ободе колеса и на поверхности сопел.

Практикой установлено, что процессы расширения газа с такой рециркуляцией требуют установки на входе в турбодетандер достаточно тонкого фильтра или просто сепаратора для отделения механических примесей в виде твердых пылеватых металлических и льдистых частиц. Это увеличивает срок безаварийной службы турбогенератора.

В осевых турбодетандерах частицы твердых примесей и капельная жидкость проходят через проточную часть машины и лопатки колеса без рециркуляции, но при этом процесс расширения насыщенного газа протекает со значительным понижением к.п.д. машины.

Турбодетандеры небольших габаритов изготавливаются на значительную пропускную способность по газу.

Основные требования к турбодетандерам

1. Надежность и высокая прочность радиальных и упорных подшипников, способных выдерживать значительные перегрузки и вибрации вала из-за осаждения на роторе льда (2-3 г льда при n = 25000 об/мин дает радиальную нагрузку до 1,0 т).
2. Надежная работа системы смазки и выбор масел, пригодных для работы при низких температурах.
3. Специальные методы монтажа обвязки трубопроводов турбодетандера, предупреждающие деформации трубопроводов и установки в целом (компенсация температурных напряжений).
4. Надежность системы очистки газа от попадания во внутрь детандера и компрессора твердых частиц в виде окалин и порошка сернистого железа от металла сварочных швов трубопроводов и т. д.
5. Надежная система очистки газа от H₂O и С0₂ с удалением тяжелых углеводородов в цикле расширения газа.

При монтаже аппаратов и трубопроводов, в связи с возникновением значительных усилий в результате изменения размеров деталей из-за разницы температур необходимо учитывать следующее:

• Монтаж горизонтальных аппаратов производят с закреплением только одной стороны, оставляя другую для свободного движения на скользящей опоре; должны иметь плавающие фланцы трубной системы;
• Трубопроводы снабжаются П-образными или лирообразными компенсаторами;
• Тепловая изоляция трубопроводов и оборудования выполняется со скользящими стенками и оставлением свободных зазоров для их перемещения без нарушения теплоизоляционных покрытий.

Читайте также:

  
• Сбросить настройки сигнализации шерхан 4
  
• Как посмотреть штрафы гибдд по номеру машины по фамилии владельца
  
• 0040 ошибка вольво абс
  
• Какую скорость развивает матиз
  
• Renault can clip какой выбрать