2293

Разность температур потока на входе Т0 и равновесной ТР на выходе из турбодетандера Т = Т0 – ТР при расширении в двухфазную область меньше, чем при расширении "сухих" продуктов сгорания топлива ТС = = Т0 Т2С вследствие нагрева потока выделившейся теплоты кристаллизации диоксида углерода: Т = 8,6 К; ТС = 32 К. Удельный выход твердого СО2 составил gТ = 0,0366, а степень вымораживания gT / gС = 0,0183.

Таким образом, для процесса течения ПСТ в проточной части турбодетандера характерны следующие особенности:

1)метастабильность процесса расширения. Срабатывание большей части теплоперепада в проточной части машины не приводит к заметному развитию процесса кристаллизации – поток перенасыщен;

2)скачок кристаллизации происходит на относительно малой длине и заканчивается в пределах проточной части детандера (в рабочем колесе), при этом перенасыщение резко снижается;

3)процесс расширения приближенно разделяется на три зоны: первая – расширение "сухой" парогазовой смеси и рост переохлаждения; вторая – спонтанная кристаллизация паров СО2 при максимальном переохлаждении; третья – рост частиц при малом переохлаждении.

130

ваются на 900 и устанавливаются в положение, указанное на рис. 5.1 пунктирной линией.

16

1 9

Атмосферный воздух

Рис. 5.1. Схема экспериментальной установки: 1 – турбонагнетатель; 2 – теплообменник; 3 – компрессор; 4 – камера сгорания; 5 – газовая турбина; 6 – котелутилизатор; 7 – влагоотделитель; 8 – блок регенераторов; 9 – турбодетандер;10 – сепаратор СО2 ; 11 – электродвигатель; 12 – мультипликатор; 13 – байпасная линия; 14, 15 – регулирующий и дроссельный вентили; 16, 17 – клапанные коробки

Байпасная линия 13, регулирующий 14 и дроссельный 15 вентили с электрическими приводами позволяют разгрузить электродвигатель 11 при запуске нагнетателя, раскрутить ротор газотурбогенератора до номинальных оборотов запуска и вывести установку из режима возможного помпажа турбонагнетателя. Перед запуском установки открываются вентили 14,

132

15 и осуществляется пуск турбонагнетателя. После выхода его на номинальную частоту вращения вентиль 15 закрывается, и воздушный поток по байпасной линии 13, минуя газотурбогенератор, направляется в холодильную часть установки. В случае возникновения помпажа турбонагнетателя, что иногда наблюдалось в начальный период после пуска установки, вентиль 15 приоткрывался. По мере "захолаживания" установки, т.е. при понижении температуры потока в регенераторах и турбодетандере вентиль 15 прикрывался, а далее закрывался полностью.

Асинхронный двигатель 11 осуществляет дополнительный подвод мощности к нагнетателю, что позволяет поддерживать постоянный режим его работы при снижении температуры потока газов перед турбодетандером. Кроме того, электродвигатель позволяет осуществить запуск газотурбогенератора потоком сжатого воздуха от турбонагнетателя и обеспечить в целом ускоренный выход ТХЭА на рабочий режим.

При запуске газотурбогенератора вентиль 14 прикрывался, и воздушный поток направлялся в тепловую часть установки, раскручивая ротор газотурбогенератора. При частоте вращения ротора 60 100 Гц включалась система зажигания, и в камеру сгорания подавалось топливо (керосин). Топливо воспламенялось, и ротор газотурбогенератора раскручивался до рабочей частоты вращения.

Для получения характеристик турбодетандера на воздухе с температурой на входе в ступень Т0 = 330 370 К, исключающих процесс конденсации водяного пара, горячий поток воздуха после турбонагнетателя направляется через теплообменник 2 по обводной линии 13 в регенеративный теплообменник с отключенным механизмом переключения и далее в детандер. Для получения температур с Т0 до 293 К в теплообменник 2 подается охлаждающая вода. При испытании детандера с Т0 до 283 К газотурбогенератор желательно демонтировать, а на его место установить патрубок. В этом случае поток воздуха из нагнетателя через теплообменник по патрубку направляется в котел-утилизатор, где с помощью регулирования подачи холодной воды можно обеспечить необходимую Т0 . Для получения температур Т0 ниже 283 К в работу необходимо включать механизм переключения регенераторов.

Необходимую степень расширения в детандере можно устанавливать дроссельным вентилем 15, а температурный режим – нагревательными элементами, установленными в сепараторе твердого диоксида углерода и имитирующими тепловую нагрузку в холодильной камере.

Для уменьшения теплопритоков из окружающей среды регенеративный теплообменник, турбодетандер, влагоотделитель и трубопроводы, их соединяющие, следует теплоизолировать стекловолокном, пенопластом, поролоновыми матами с гидроизоляцией полиэтиленовой пленкой.

133

134

Сепаратор твердого СО2 и трубопровод «турбодетандер-сепаратор» должны иметь смотровые окна из органического стекла для визуальных наблюдений за процессами кристаллизации СО2 и конденсации водяных паров.

После окончания испытаний и отогрева стенда необходимо слить воду, которая накапливается в регенеративном теплообменнике, циклоне, влагоотделителе и наиболее низко расположенных участках системы. Для этого

внижней части аппаратов предусмотрены продувочные окна.

Сцелью повышения концентрации диоксида углерода на входе в турбодетандер в отдельных случаях следует осуществлять рециркуляцию продуктов сгорания топлива с выхода теплохладоэнергетического агрегата на вход в турбонагнетатель.

Экспериментальный стенд расположен на двух этажах (см. рис. 5.2): на первом этаже размещены влагоотделитель, блок регенераторов и сепаратор твердого диоксида углерода; на втором установлены все остальные машины и аппараты стенда. Такое расположение оборудования позволяет отделить аппараты холодильной части стенда от машин и аппаратов, работающих с повышенной температурой, чем достигается снижение теплопритоков в холодильную часть вследствие конвективного теплообмена. Установкой сепаратора ниже турбодетандера предотвращается возможность забивания детандера твердым СО2 .

Для предотвращения воздействий температурных расширений трубопроводов на работоспособность турбодетандера перед и за ним желательно установить температурные компенсаторы, представляющие собой сильфоны с приваренными к ним фланцами. Для очистки газового потока от механических примесей на входе в турбодетандер необходимо установить фильтр в виде конуса из металлической сетки.

Программа экспериментальных работ на стенде должна предусматривать опытное определение ряда параметров, разносторонне характеризующих рабочие процессы машин и аппаратов в широком диапазоне изменения геометрических и режимных параметров. Для выполнения программы испытаний стенд оборудуется комплексом измерительной и регистрирующей аппаратуры.

Котел-утилизатор

Котел-утилизатор (рис. 5.3) теплохладоэнергетического агрегата предназначен для получения горячей воды в принятой разомкнутой системе водоснабжения. Он состоит из корпуса 1 и трубного пучка 2, навитого на сердечник 3. Корпус закрывается двумя крышками 4 и 5 с фланцами входа 6 и выхода газа 7. Подвод и отвод питательной воды осуществляется через

135

Питательная вода движется противотоком, поступая во входной патрубок 8 и распределяясь по змеевикам через кольцевой коллектор 11. В змеевиках котла вода нагревается и через выходной коллектор 10 и патрубок 9 направляется к потребителю.

В зависимости от режима работы ТХЭА начальная температура газа может достигать 400 800 0С, в то время как на выходе из котла температура продуктов сгорания должна находиться в пределах 15 30 0С для обеспечения нормальной работы холодильной установки. При этом температура воды на выходе из котла-утилизатора должна быть равной 75 80 0С, что характерно для систем горячего водоснабжения. При любых отклонениях температур от оптимальных значений котел-утилизатор должен обеспечивать нормальную работу агрегата.

Отличительной особенностью котла-утилизатора ТХЭА по сравнению с существующими является его работа при повышенном давлении и относительно "глубокое" охлаждение ПСТ (до 15 30 0С). При столь низких температурах происходит конденсация части водяных паров, содержащихся в ПСТ, а выделение соответствующей теплоты конденсации водяных паров используется для подогрева питьевой воды.

Конденсация водяных паров начинается при охлаждении ПСТ ниже температуры точки росы, изменяющейся в зависимости от режима работы установки в пределах 30 35 0С. Переход к теплообмену, сопровождающемуся конденсацией водяных паров, приводит к существенному увеличению коэффициента теплоотдачи со стороны ПСТ. Наличие конденсирующихся водяных паров может привести к коррозии внутренних поверхностей, поэтому котел-утилизатор изготовлен из нержавеющей стали Х18Н9Т.

136