13. Устройство и принцип действия поршневого детандера.

Поршневой детандер – тепловая машина объемного действия, в которой периодически происходит расширение хладагента в цилиндре при перемещении поршня. Энергия сжатого газа превращается в механическую работу, а энтальпия хладагента снижается.

Поршневой детандер состоит из картера с размещенным в нем механизмом движения, цилиндра и поршня, а также органов газораспределения, управляющих рабочим процессом. Действие машины сводится к наполнению цилиндра, расширению с совершением работы, выталкиванию и сжатию оставшегося хладагента. Совокупность этих процессов, последовательно повторяющихся при каждом обороте вала, можно назвать циклом поршневого детандера (ПД).

Р ассмотрим отдельные процессы цикла ПД. Когда поршень приближается к мертвой точке, происходит открытие впускного клапана в точке 6 (рис. 3.1), при этом газ высокого давления р_вх заполняет мертвое пространство, и давления в цилиндре и трубопроводе выравниваются (процесс 6–1). Клапан впуска остается открытым на части хода поршня, и происходит наполнение цилиндра (процесс 1–2). В точке 2 закрывается впускной клапан и вследствие увеличения объема газа, заключенного в цилиндре, при движении поршня уменьшаются плотность, давлений и температура хладагента. В точке 3 происходит открытие выпускного клапана, давления в цилиндре и выпускном трубопроводе выравниваются. Процесс 3–4 называем процессом выхлопа. Выпускной клапан остается открытым на части обратного хода поршня, и происходит выталкивание (процесс 4–5). В точке 5 закрывается выпускной клапан, и оставшийся в цилиндре хладагент (газ) сжимается до давления в точке 6.

Цикл ПД состоит из последовательности термодинамических процессов, протекающих с постоянной или переменной массой.

Управляют циклом поршневого детандера органы газораспределения, которые включают клапаны, открывающиеся при определенном положении поршня, и механизм управления клапанами. Роль механизма газораспределения поршневого детандера состоит в обеспечении оптимального режима и возможности регулирования расхода хладагента.

В процессе работы ПД происходит выделение механической энергии, которую необходимо отводить. Наиболее распространен отвод энергии через электрогенератор в сеть, но также встречаются машины, в которых работа расходуется на сжатие хладагента (детандер-компрессоры), на перекачку жидкости. В последнее время для отвода энергии в детандерах используются электромагнитные тормоза.

14. Процессы, протекающие в цилиндре с реальным хладагентом. Процесс заполнения мертвого пространства.

Рассмотрим процесс заполнения мертвого пространства 6–1, описываемый зависимостью

.

Допустим, что в процессе 6–1 входит газ с энтальпией i_вх в количестве ∆M=M₁–M₆. Интегрируя исходную зависимость, получаем

.

Известно, что в конце процесса 6–1 давление становится равным p₁, поэтому термодинамические параметры точки 1 должны находиться на изобаре р₁, следовательно, в систему уравнений надо ввести условие при р₁=const.

Теплообмен между газом и стенками цилиндра и поршня осуществляется за время протекания процесса 6–1:

,

где ∆φ_6–1 – угол на круговой диаграмме (см. рис. 3.1), соответствующий этому процессу; n – частота вращения, с^-1.

Теплота, отведенная в процессе неравновесного сжатия, определится по формуле

,

где α – коэффициент теплообмена; – средняя площадь поверхности теплообмена; F_П – площадь поршня; θ – средняя температура стенки. Эти два уравнения могут быть решены методом последовательных приближений, при этом вначале следует принять ∆Q_6–1=0, определить i₁ найти Т₁=f(i₁, p₁) и после этого, определив ∆Q_6–1, сделать следующие приближения до получения заданной сходимости.

Для идеального газа первое уравнение для адиабатного процесса может быть преобразовано после подстановки i₁=c_рT₁; i_вх=c_pT_вх; i₆=с_pT₆ и уравнения состояния идеального газа к виду

,

справедливому для определения конечной температуры в процессе неравновесного сжатия.