12. Процесс расширения газа в активном и реактивном турбодетандерах, их изображение в «ts» или «hS» координатах.

На рисунке показана диаграмма рабочего процесса расширения газа в координатах s-h для одноступенчатого радиального турбодетандера реактивного действия.

Предполагается, что рабочий процесс протекает в адиабатных условиях, скорости в начальном и конечном сечениях малы. Начальное и конечное состояния характеризуются соответственно точками «0» и «к», точка 1 отвечает выходу из соплового аппарата и входу в рабочее колесо в действительном процессе расширения, точки 1s и ks – состояниям газа на выходе из соплового аппарата и из турбодетандера в изоэнтропийном процессе расширения s0=const. В рассматриваемом процессе расширения газа предполагается, что точки 2 (выход из колеса) и «к» (выход из турбодетандера) расположены выше пограничной кривой, так что температуры и выше температуры конденсации газа при давлении . Это соответствует типичным условиям работы турбодетандера в криогенных установках. Однако в последние годы начали применять ТД в условиях, при которых процесс расширения захватывает и двухфазную область – жидкая фаза появляется в проточной части машины. На диаграмме показны следующие основные величины, характеризующие рабочий процесс расширения газа:

и - изоэнтропный и действительный перепады энтальпии в турбодетандере; и – изоэнтропный и действительный перепады энтальпии в сопловом аппарате; – изоэнтропный перепад энтальпии в рабочем колесе; - потеря холода в турбодетандере от диссипации энергии. Составляющие общей потери холода потери холода соответственно в сопловом аппарате, рабочем колесе, с выходной скоростью, от внутренних перетечек газа и на трение дисков; потеря кинетической энергии от диссипации энергии в сопловом аппарате. Гидравлические потери холода в проточной части турбодетандера сумму потерь холода от внутренних перетечек и на трение дисков считаем равной потерям технической работы .

13. Степень реактивности турбодетандера: определение, уравнение связи со степенью активности и приведённой окружной скоростью.

Степень реактивности наряду с приведённой окружной скоростью колеса является важнейшей безразмерной характеристикой и расчётным параметром турбодетандетра. Эти характеристики связаны уравнениями энергии для соплового аппарата и для рабочего колеса, на основе которых можно получить расчётные уравнения для определения и . В уравнение энергии для рабочего колеса подставим выражения для потерь холода в колесе и потерь холода с выходной скоростью и . Кроме того, используем уравнение для технической работы в виде . Разделив почленно уравнение на и используя определения , и , получим уравнение для степени реактивности . Как видно, степень реактивности зависит от приведённой окружной скорости колеса (и через неё – от скоростного коэффициента соплового аппарата), от приведённого диаметра колеса , приведённых относительных скоростей и и от скоростного коэффициента рабочего колеса. Исходя из уравнения , степень реактивности можно представить в виде двух частей , где – степень реактивности, обусловленная действием центробежных сил, и – степень реактивности, обусловленная изменением относительной скорости колеса и называемая кинематической. Каждая из этих величин может быть положительной, отрицательной и равной нулю. Обозначим с целью сокращения записей . Тогда уравнение для определения степени реактивности примет вид . Величины и связаны ещё уравнением энергии , которое получено, исходя из уравнения энергии для соплового аппарата. Совместное решение этих двух уравнений приводит к уравнению для определения приведенной окружной скорости колеса:

Для реактивных турбодетандеров, рассчитанных на оптимальные параметры, в большинстве случае . Уравнения для определения приведённой окружной скорости и степени реактивности являются весьма важными расчётными уравнениями. В процессе расчёта сначала определяют значение , а затем и .