![](/user_photo/2706_HbeT2.jpg)
- •Учебно-методический материал Раздел №1 «Теоретические основы криогенной техники»
- •Оглавление
- •Тема № 1. Сжатие газов Лекция №1. Назначение, содержание дисциплины. Принцип работы компрессоров и воздухоразделительных установок Учебный вопрос № 1. Назначение и содержание дисциплины
- •Учебный вопрос № 2. Роль газов в обеспечении полетов авиации
- •Учебный вопрос № 3. Назначение, классификация, характеристики и области применения компрессоров
- •Учебный вопрос № 4. Построение диаграммы s – т.
- •Групповое занятие № 1. Процессы одноступенчатого и многосту-пенчатого сжатия газов Учебный вопрос № 1. Одноступенчатое сжатие и его предел
- •Учебный вопрос № 2. Многоступенчатое сжатие.
- •Тема № 2. Очистка и осушка воздуха. Лекция №1. Очистка и осушка воздуха Учебный вопрос № 1. Необходимость очистки и осушки воздуха
- •Учебный вопрос № 2. Способы очистки воздуха
- •Групповое занятия №2. Комплексная очистка и осушка воздуха синтетическими цеолитами Учебный вопрос № 1. Характеристики адсорбентов
- •Учебный вопрос № 2. Комплексная очистка и осушка воздуха синтетическими цеолитами
- •Практическое занятие № 1. Адсорберы воздухоразделительных установок и взрывобезопасность. Учебный вопрос № 1. Адсорберы вру и взрывоопасность
- •Тема № 3. Расширение газов. Лекция № 1. Дросселирование газов. Учебный вопрос № 1. Сущность процесса дросселирования
- •Сжатый газ
- •Учебный вопрос № 3. Применение процесса дросселирования и влияние различных факторов на его эффективность
- •Групповое занятие № 2. Расширение газов с отдачей внешней работы. Учебный вопрос № 1. Назначение и классификация детандеров
- •Учебный вопрос № 3. Общее устройство и рабочий процесс турбодетандеров
- •Учебный вопрос № 4. Сущность процесса расширения газов с отдачей внешней работы
- •Учебный вопрос № 5. Характеристика процесса расширения газов
- •Тема № 4. Глубокое охлаждение. Лекция № 1.Глубокое охлаждение и его циклы. Учебный вопрос № 1. Классификация циклов глубокого охлаждения
- •Учебный вопрос № 2. Абсорбционная холодильная установка
- •Учебный вопрос № 3. Пароэжекторная холодильная установка
- •Учебный вопрос № 4. Газовые холодильные машины
- •Групповое занятие № 2. Основные способы получения холода. Учебный вопрос № 1. Основные способы получения холода, используемые в действительных циклах глубокого охлаждения
- •Учебный вопрос № 2. Холодильные циклы с дросселированием
- •Групповое занятие № 2. Холодильные циклы с расширением воздуха в детандерах
- •Учебный вопрос № 1. Холодильный цикл среднего давления с расширением воздуха в поршневом детандере
- •Учебный вопрос № 2. Холодильный цикл высокого давления с расширением воздуха в поршневом детандере
- •Учебный вопрос № 3. Цикл низкого давления с расширением воздуха в турбодетандере (цикл Капицы)
- •Тема № 5. Ректификация. Лекция № 1. Процессы испарения и конденсации. Учебный вопрос № 1. Общая характеристика процессов испарения и конденсации
- •Учебный вопрос № 2. Равновесие между жидкостью и паром в системе «кислород-азот» и диаграммы её равновесного состояния
- •Групповое занятие № 1. Процесс ректификации Учебный вопрос № 1. Сущность процесса ректификации
- •Учебный вопрос № 2. Однократная ректификация бинарной смеси
- •Учебный вопрос № 3. Двукратная ректификация бинарной смеси
- •Тема № 6. Процессы и аппараты воздухораздели-тельных установок. Лекция № 1. Теплообменники. Учебный вопрос № 1. Назначение и классификация теплообменных аппаратов
- •Учебный вопрос № 2. Рекуперативные теплообменники
- •Групповое занятие № 2. Конденсаторы-испарители Учебный вопрос № 1. Классификация и характеристики конденсаторов-испарителей.
- •Учебный вопрос № 2. Теплоотдача при конденсации пара
- •Учебный вопрос № 3. Теплоотдача при кипении
- •Групповое занятие № 3. Регенераторы Учебный вопрос № 1. Принцип действия регенераторов
- •Учебный вопрос № 2. Очистка воздуха от воды и двуокиси углерода в регенераторах
- •Учебный вопрос № 3. Способы обеспечения незабиваемости регенераторов
- •Практическое занятие № 4. Ректификационные колонны Учебный вопрос № 1. Назначение и состав ректификационных колонн
- •Учебный вопрос № 2. Классификация ректификационных колонн.
- •Учебный вопрос № 3. Конструкция ректификационных колонн промышленных установок разделения воздуха
- •Тема № 7. Контроль качества газов, применяемых в авиации Лекция № 1. Определение содержания веществ в газе. Учебный вопрос № 1. Требования к качеству газов, применяемых в авиации
- •Учебный вопрос № 2. Виды и объемы контроля качества газов, применяемых в авиации.
- •Учебный вопрос № 3. Определение содержания кислорода и азота в газовых смесях.
- •Учебный вопрос № 4. Определение содержания ацетилена, масла и вредных примесей в кислороде
- •Групповое занятие № 2. Приборы для определения влажности и качества газов, применяемых в авиации. Учебный вопрос № 1. Приборы для определения влажности газов
- •Учебный вопрос № 2. Современные методы и приборы контроля качества газов
- •Расчетные
- •Визуально
- •Инструментальные
- •Учебный вопрос № 3. Методы измерений и приборный парк
Групповое занятие № 2. Расширение газов с отдачей внешней работы. Учебный вопрос № 1. Назначение и классификация детандеров
Слово "детандер" происходит от французского detendre, что значит уменьшать давление, и является общеупотребительным в нашей технической литературе. Процесс сжижения воздуха первым осуществил в 1902 году французский академик Ж.Клод при помощи сконструированного им детандера. В последние годы, наряду с этим термином, стало применяться название "расширительные машины''.
Детандеры или расширительные машины предназначены для расширения газа с целью генерации холода в циклах низкотемпературных установок, для чего в этих машинах осуществляется преобразование энергии сжатого газа в работу, передаваемую тормозному устройству.
Существует два больших класса детандерных машин:
- газодинамические (или поточные);
- объемные.
В газодинамических машинах преобразование энергии сжатого газа в работу переходит через стадию преобразования энергии сжатого газа в кинетическую энергию потока. Газодинамические детандеры получили распространение под названием турбодетандеров.
В объемных машинах энергия сжатого газа преобразуется в работу непосредственно за счет газовых сил давления. Наиболее распространенным типом объемных детандеров, нашедшим широкое применение в низкотемпературных установках, являются поршневые детандеры.
Поршневые детандеры классифицируются:
по роду рабочего тела (газа):
воздушные;
водородные;
гелиевые и т.п.;
по уровню давления на входе:
детандеры высокого давления (ориентировочно Рвх> 10 МПа);
детандеры среднего давления (1,5 ÷ 10 МПа);
детандеры низкого давления (Рвх< 10 МПа).
по способу газораспределения:
классического типа (с клапанами впуска и выпуска);
прямоточные (с впускным клапаном и выпуском газа через окна в цилиндре или через специальный клапан);
бесклапанные (газораспределение осуществляется движущимся поршнем);
с золотниковым газораспределением;
по общей структуре:
расположенные вниз цилиндром, вверх цилиндром, горизонтально и др.;
одноцилиндровые и однорядные, многоцилиндровые и многорядные;
одинарного (простого) и двойного действия;
по способам торможения:
с электрогенератором;
с фрикционными и гидравлическими тормозом;
детандер-компрессоры;
детандер-насосы и т.п.;
по типу поршневого уплотнения:
смазываемые;
не смазываемые с кольцами;
с манжетами;
с газовой смазкой и др.
Учебный вопрос № 2. Общее устройство и рабочий процесс поршневых детандеров.
В установках разделения воздуха методом глубокого охлаждения для покрытия холодопотерь обычно используются холодильные циклы с применением детандеров. Рабочим телом в таких циклах является воздух или азот.
Детандерная машина, работающая в холодильном цикле, является, как правило, наиболее ответственной частью цикла, от которой в значительной степени зависит его эффективность, надежность.
Детандером называется машина, предназначенная для получения холода методом расширения газа с отдачей работы во внешнюю среду.
Давление газа в детандере уменьшается, как и в дроссельном вентиле; принципиальное отличие детандера состоит в том, что достигается уменьшение энтальпии газа, сопровождающееся производством внешней работы, т.е. передачей энергии (механической, электрической и т.п.) внешним телам, т.е. окружающей среде.
Поршневые детандеры применяются обычно в воздухоразделительных установках с холодильными циклами среднего и высокого давления при относительно небольших расходах газа и сравнительно больших перепадах энтальпий. Массовый расход газа находится в пределах от 0,01 до 2 кг/сек. Степень расширения или относительное противодавление Рк = Ркон / Рнач при этом превышает 0,03÷0,05, а удельный изоэнтропийный перепад - величина порядка 150 кдж/кг.
На воздухоразделительных установках транспортного типа нашли применение поршневые детандеры типа ДК-50, ДВД-7, ДВД-9, ДВД-11, ДВД-13.
Основными узлами поршневых детандеров являются:
станина-картер;
кривошипно-шатунный механизм;
цилиндр с головкой;
поршень с крейцкопфом;
впускной и выпускной клапаны;
механизм газораспределения;
механизм регулирования производительности;
механизм предохранения от разноса детандера;
система смазки;
тормозной электродвигатель-генератор.
Рабочий процесс в поршневом детандере обратен процессу сжатия воздуха в поршневом компрессоре и складывается из:
впуска сжатого газа в цилиндр детандера;
расширения газа в цилиндре;
выпуска расширенного газа из цилиндра;
поджатия оставшегося в цилиндре газа.
Рабочий процесс производится с помощью рабочих органов детандера - цилиндровой группы (цилиндра и поршня) и органов распределения - клапанов.
Движение клапанов строго согласовано с движением механизма, перемещающего поршень.
Рабочий процесс поршневого детандера наглядно изображается графически индикаторной диаграммой в координатах Р-V . Различают три вида индикаторных диаграмм:
- теоретическая;
- расчетная;
- действительная.
Теоретическая индикаторная диаграмма изображает процесс "идеального детандера", т.е. воображаемой расширительной машины, работающей без потерь, при абсолютной плотности клапанов и поршневого уплотнения.
Диаграмма позволяет установить понятие отсечки (момент окончания впуска) и связь между величиной площади диаграммы и холодопроизводительностью детандера.
По точкам, соответствующим моментам открытия и закрытия каждого из клапанов (впускного и выпускного), строится фазовая диаграмма поршневого детандера. Каждый из четырех секторов диаграммы - впуск, расширение, выпуск и поджатие газа - соответствует определенным участкам рабочего процесса.
Представление о механическом воздействии рабочей среды (детандируемого газа) с окружающей средой дает индикаторная диаграмма, отражающая зависимость давления газа в цилиндре от положения поршня или соответствующего объема:
πD2
х
V
= х + Vвр = Vц + Vвр,
4
S
где х - расстояние между положением поршня и верхней мертвой точкой (в.м.т);
S - ход поршня;
Vц - объем цилиндра;
Vвр- объем вредного пространства машины, обычно составляет 3-4 % общего объема цилиндра.
Диаграмма P-V удобна тем, что ее площадью измеряется механическая работа.
Проследим рабочий процесс детандера по его теоретической индикаторной диаграмме, которая строится в предположении отсутствия теплопритока извне и ряда других факторов (рис. 1). При движении поршня отв.м.т. впускной клапан открыт (участок 1-2), газ поступает в цилиндр и давление
Рис.1. Принципиальная схема рабочих органов поршневого детандера и теоретическая индикаторная программа
в цилиндре остается постоянным и равным давлению газа перед детандером. В точке 2, когда угол между кривошипом и осью машины достигает значения α2, происходит отсечка впуска. К этому моменту поршнем описан объем отсечки впуска Vотс и, следовательно, находящийся в цилиндре газ наполняет объем V2 = Vотс + Vвр; масса газа G2 = ρ2V2, где ρ - плотность газа.
Процесс расширения (участок 2-3) сопровождается интенсивным охлаждением газа, количество которого в этом процессе неизменно (G2 = G3), поскольку предполагается полная герметичность поршневого уплотнения и клапанов. Давление газа в конце расширения Р3 обычно превышает величину противодавления Рк. Поэтому, когда в точке 3 (с некоторым опережением L3 по отношению к нижней мертвой точке (н.м.т.)) открывается выпускной клапан, происходит выхлоп (участок 3-4), также сопровождающийся охлаждением газа. К концу выхлопа поршень остается в районе н.м.т., так как процесс выхлопа протекает достаточно быстро; в цилиндре остается G4 = ρ4V4 кг газа (термодинамические параметры газа в точке 4 могут быть определены из условии Р4 = Рк и S4 = S3). При движении поршня из положения н.м.т. вверх газ выталкивается из цилиндра через выпускной клапан, который продолжает оставаться открытым (участок 4-5). Таким образом, период выпуска газа из цилиндра детандера состоит из двух участков: выхлопа (участок 3-4) и выталкивания (участок 4-5). В течение полного периода выпуска из цилиндра удаляется газ в количестве G = G3 – G5.
После того, как выпускной клапан закрывается (точка 5), оставшийся в цилиндре газ (в количестве G5 = ρ5V5) сжимается поршнем, который продолжает двигаться к в.м.т. Этой фазе процесса (поджатию) соответствует участок 5-6. При нормальной работе машины давление газа в конце поджатия Р6 ≤ Рн. В точке 6 (с опережением α6 по отношению кв.м.т.) открывается впускной клапан, газ в цилиндре занимает в этот момент объем V6 ≈ Vвр. На первой стадии впуска при заполнении вредного объема (участок 6-1), объем V = const = Vвр. Давление газа в цилиндре достигает величины Р1 = Рн, количество газа увеличивается с G6 до величины G1 = ρ1Vвр, а температура растет и может намного превысить значение начальной температуры газа (Т1>Тм). Вторая часть впуска - наполнение рабочего объема цилиндра сжатым газом (участок 1-2) - сопровождается смешением его с газом массой G1 при Р = const и, как указывалось выше, идет до момента отсечки, т.е. до закрытия впускного клапана (точка 2), после чего следует расширение газа (участок 2-3) и т.д.
Клапаны детандера открываются принудительно от кулачков распределительного вала, а закрываются под действием спиральных пружин.
Профиль кулачков рассчитан таким образом, чтобы опережение впуска α6 составляло 1÷1,2 %, опережение выпуска α3 было равно 2÷3,5% и сжатие α5 достигало 3÷6 % хода поршня.
Ход отсечки α2 устанавливается в зависимости от давления воздуха перед детандером и составляет от 17 до 50 % хода поршня.
На практике принимают следующие углы (в градусах):
угол отсечки впускного клапана α2 = 30÷50;
угол предварения выпуска α3 = 0÷10;
угол закрытия выпускного клапана α5 = 15÷30;
угол опережения впуска α6 = 0÷10.
Наиболее важным является угол отсечки α2, так как от его величины зависит холодопроизводительность детандера и расход газа через детандер.