Поршневые детандеры (90

УДК 621.56, 621.59

Составители: доц. С.В. Визгалов, доц. И.И. Шарапов

Поршневые детандеры: методические указания к лабораторным работам / С.В. Визгалов, И.И. Шарапов; Федер. агентство по образованию, Казан. гос. технол. ун-т. − Казань: КГТУ, 2010. – 24 с.

Содержат описание лабораторной работы, посвященной изучению расширительных машин низкотемпературной техники – детандеров, в рамках дисциплин «Теория и расчет объемных ком- прессорных и расширительных машин» и «Машины низкотемпературной техники».

Лабораторная работа предусматривает изучение теоретического материала, знакомство с принципом действия, конструкцией поршневых воздушных детандеров типа ДВД и их элементов, выполнение теплового расчета, также приводятся контрольные вопросы.

Предназначены для аудиторной и самостоятельной работы студентов 3-го курса специально- стей 140401 «Техника и физика низких температур» и 140504 «Холодильная, криогенная техника и кондиционирование», изучающих дисциплины «Объемные компрессорные и расширительные машины» и «Машины низкотемпературной техники» очной и заочной форм обучения.

Подготовлены на кафедре холодильной техники и технологии.

Печатаются по решению методической комиссии института химического и нефтяного маши- ностроения.

Рецензенты: заведующий отделом криогенной техники КФТИ РАН, канд. физ.-мат.наук С.Я. Хлебников, ст. преподаватель каф. КМУ А.Г. Егоров

2

Поршневые детандеры

Цель: изучение назначения, принципа действия, основных конструктивных схем поршневых воздушных детандеров, конструкции детандеров типа ДВД, ознакомление с методикой теплового расчета воздушного детандера.

1. Общие сведения

Термин «детандер» происходит от французского détendre – что означает «уменьшать дав- ление» и является общеупотребительным в нашей технической литературе. Он введен француз- ским ученым Ж. Клодом, который в 1902 г. первым осуществил процесс ожижения воздуха по циклу среднего давления при помощи сконструированного им поршневого детандера.

Детандеры или расширительные машины предназначены для расширения газа при совер- шении им внешней работы с целью понижения температуры газа и создания холодопроизводи- тельности в циклах низкотемпературных криогенных1 установок. Рабочим телом детандера явля- ется, как правило, ожижаемый газ – воздух и его компоненты (в основном азот) в воздухораздели- тельных установках, а также такие газы, как гелий, водород, применяемые для создания сверхниз- ких температур в экспериментальной физике и для криостатирования сверхпроводящих обмоток магнитов при температуре 4,5÷2 К. Расширение газа в детандере происходит до уровня атмосфер- ного давления или несколько более высокого – 0,55 ÷ 0,6 МПа. При этом на входе в детандер газ должен иметь достаточную потенциальную энергию для совершения работы, уровень энергии в данном случае характеризуется давлением газа. Это означает, что в цикле перед детандером всегда следует ступень сжатия (компримирования), в которой компрессор повышает давление газа.

Подобно компрессорам существует два основных класса детандерных машин – объемные и газодинамические (турбодетандеры). В газодинамических машинах поток газа сначала ускоряется в неподвижных каналах, образованных лопатками направляющего аппарата, а затем газ совершает работу − воздействует на лопатки рабочего колеса, заставляя его вращаться с большой скоростью, вращение вала передается внешнему устройству, осуществляющему отбор энергии или торможе- ние. Таким образом, преобразование потенциальной энергии сжатого газа в работу происходит через стадию ее преобразования в кинетическую энергию потока. Турбомашины отличаются по- вышенными скоростями, как газового потока, так и выходного вала, непрерывностью потока, от- сутствием загрязнений расширяемого газа смазывающей жидкостью (маслом). Область примене- ния турбомашин – большие расходы газа, достигающие сотен кубических метров в минуту (м3/мин) при относительно малых степенях расширения в ступени

pк = рн = 6 ÷ 8 ,

рк

где рн, рк – начальное и конечное давления в детандере (рн > рк).

В объемных машинах энергия сжатого газа преобразуется в работу непосредственно за счет сил давления газа на поршень или другую подвижную стенку и передачи их через механизм дви- жения, например КШМ, на тормозящее устройство. Процесс расширения газа идет в замкнутых полостях переменного объема. Объемные машины предназначены для меньших расходов газа, чем в турбомашинах при больших степенях расширения в одной ступени − pк достигает 40÷50. Труд- ности создания турбодетандеров на такие параметры связаны с резким ростом скорости ротора и уменьшения диаметра рабочих органов (рабочего колеса) при снижении расхода газа.

Роль тормозящего устройства выполняют электрогенераторы переменного тока либо пнев- матические, масляные тормоза. В первом случае торможение производится магнитным полем ге- нератора, и энергия газа в конечном итоге преобразуется в электрическую энергию, отдаваемую в энергосеть. В случае применения масляных или газовых тормозов энергия газа преобразуется в тепловую энергию, которая расходуется, например, на нагрев воды.

Известны объемные детандеры двух типов – поршневые и ротационные, последние имеют рабочие органы в виде одного или нескольких вращающихся роторов. Из них наибольшее распро-

1 Криогенные циклы предназначены для получения температур менее 120 К в основном для ожижения газов.

3

странение в холодильной, криогенной технике получили детандеры поршневого типа. Наряду с ними в установках большой производительности широко применяются турбодетандеры. Поршне- вые детандеры различаются по принципу организации потока, роду вещества, расположению ци- линдров, компоновке органов газораспределения.

2. Рабочие процессы и кинематические схемы детандеров объемного типа

Общей особенностью всех машин объемного принципа действия является циклический ха- рактер их процессов. В течение каждого цикла повторяется определенная совокупность процессов

врабочем объеме машины – цилиндре. Эта последовательность процессов отражается индикатор- ной диаграммой. Будем рассматривать индикаторные диаграммы теоретической ступени детанде- ра, имеющей мертвый объем Vм, но не учитывающей потери давления в процессах наполнения и выталкивания газа, теплообмен в этих процессах, предполагая постоянство показателей политроп

впроцессах расширения и сжатия.

Классическим поршневым детандером является детандер с впускным и выпускным клапа- нами. Схема поршневого детандера классического типа и его теоретическая индикаторная диа- грамма изображены на рис. 1. Основными рабочими органами детандера являются поршень 1 с уплотнительными кольцами, совершающий возвратно-поступательное движение в цилиндре 2; механизм движения, включающий шток 3, крейцкопф 4, шатун 5, кривошип (коленчатый вал) 6; органы газораспределения, включающие клапаны впуска 7, выпуска 8 и механизм их привода 9. Вал детандера соединен с помощью клиноременной передачи с тормозящим устройством 10. Так- же имеется маховик 13, одновременно выполняющий роль приводного шкива. Так как в рабочей полости детандера достигаются низкие температуры, уплотнительные кольца стараются вынести в теплую зону поршня. Преобладают конструкции с крейцкопфом из-за большой разности давлений на поршне (10÷20 МПа) и значительного давления на боковую поверхность поршня. Применение крейцкопфа позволяет перенести боковую нагрузку с поршня на ползун крейцкопфа и сделать

Рис. 1. Схема детандера классического типа и его индикаторная диаграмма

4

поршень самоцентрирующимся. Поршень из-за его малого диаметра часто выполняют как единое целое со штоком, а сочленение штока и крейцкопфа для возможности центрирования выполняют по сферической поверхности. Рабочая полость здесь располагается только с одной стороны порш- ня.

Рабочие процессы в детандере удобно рассматривать при помощи индикаторной диаграм- мы в координатах p-V (давление – объем цилиндра). Открытие впускного клапана производится в точке 5, далее в процессе 5-6 происходит мгновенный впуск газа начального давления рн, объем полости при этом может незначительно уменьшиться или оставаться постоянным. Затем в процес- се 6-1 при увеличении объема полости происходит процесс ее наполнения газом при давлении рн, который заканчивается в момент закрытия впускного клапана в точке 1. В процессе 1-2 при увели- чении объема происходит расширение газа с одновременным понижением его температуры и со- вершением внешней работы − газ движет поршень. В точке 2 открывается выпускной клапан и, так как давление в рабочей полости больше конечного давления рк в патрубке, происходит резкий сброс давления – выпуск 2-3 до момента выравнивания с давлением в выпускном патрубке, объем полости достигает максимума Vh в точке 3. Далее при ходе поршня в сторону уменьшения объема за счет энергии маховика, в процессе 3-4 происходит выталкивание расширенного газа в выпуск- ную магистраль. В точке 4 выпускной клапан закрывается и при дальнейшем уменьшении объема и закрытых клапанах происходит сжатие, а точнее поджатие оставшегося газа до давления в точ- ке 5, при котором открывается впускной клапан. Клапаны детандера открываются принудительно от кулачков механизма привода, а закрываются под действием спиральных пружин (на рис. не показаны).

Мертвое пространство (мертвый объем) Vм характеризуется относительной величиной ам=Vм / Vh, где Vh – объем, описываемый поршнем.

Длительность различных процессов детандера определяется соответствующими отсечками. Одной из основных является относительная отсечка наполнения а1, которая определяет ход поршня на участке наполнения 6-1 по отношению к полному ходу поршня

а1 = Vотс/Vh.

Эта величина обычно составляет 17÷50% в зависимости от начального давления, причем большие величины соответствуют меньшему давлению рн. Изменяя величину отсечки наполнения, регулируют объем наполнения и соответственно расход газа и холодопроизводительность детан- дера. Моменты открытия и закрытия выпускного клапана определяют опережение выпуска а3=(V2–V 3)/Vh, обычно 2÷3,5% ( в данном случае а3 = 0) и отсечку сжатия а4 = Vсж/Vh, обычно со- ставляет 3÷6%.

Рассмотренная схема поршневого детандера является непрямоточной, так как газ между фазами впуска и выпуска вынужден совершать в полости поворот на угол 180°. Альтернативными схемами являются прямоточные схемы детандеров, в которых один из клапанов или оба клапана отсутствуют. На рис. 2а представлена схема детандера с одним впускным клапаном 7, управляе- мым также механизмом привода. Выпускной клапан отсутствует, а его роль выполняют выпуск- ные окна (отверстия) 11 в стенке цилиндра, расположенные ближе к НМТ, через которые выходит расширившийся газ в момент достижения поршнем НМТ. Газ выходит из цилиндра в процессе выхлопа 2-3 – резкого понижения давления при практически неподвижном поршне. Процесс вы- талкивания газа отсутствует, точка 4 совпадает на диаграмме с точкой 3. При движении поршня в сторону уменьшения объема выпускные отверстия перекрываются поршнем и начинается процесс сжатия газа 4–5. Таким образом отсечка сжатия а4 = 1. Процессы впуска, наполнения, расширения происходят аналогично классической схеме. Газ движется в цилиндре слева направо, не изменяя своего направления.

В прямоточном детандере с одним выпускным клапаном (см. рис. 2б), напротив, впуск газа производится при положении поршня в ВМТ через впускные окна (отверстия) в цилиндре 12, вблизи НМТ и отверстия в поршне. Выпуск газа – через выпускной клапан 8. В этом случае газ входит в полость только в процессе впуска 5-6, процесс наполнения отсутствует, точки 6 и 1 сов- падают, отсечка наполнения а1 равна нулю, а относительная протяженность процесса расширения 1-2 составляет 100 %. Процессы выпуска, сжатия идут аналогично классической схеме. Газ дви-

5

Вточке 1 открывается впускное окно и

начинается наполнение полости. Машины внешнего расширения имеют большую производительность, но менее экономичны из-за энергетических потерь в процессах резкого изменения давления.

Большинство поршневых детандеров имеют один цилиндр, расположенный вертикально, см. рис. 5а – вертикальная одноцилиндровая схема – так как, кроме упрощения конструкции, это дает увеличение КПД из-за уменьшения поверхности трения и снижения утечек. Цилиндр может располагаться как сверху от механизма движения (воздушные детандеры), так и снизу, что характерно для гелиевых и водородных детандеров, вмонтированных в низкотемпературный блок ожижения

свакуумной теплоизоляцией. Также существуют

преимущества, так как в ней полностью уравновешены силы инерции поступательного движения поршней. Внешний вид детандера с оппозитным расположением цилиндров приведен на рис. 6.

Рис. 5. Кинематические схемы поршневых детандеров:

а) вертикального; б) горизонтального; в) оппозитного. 1 – цилиндр; 2 – поршень; 3 – направляющие крейцкопфа; 4 – крейцкопф; 5 – шатун.

Логичное соединение детандерной и компрессорной машин на одном валу и в едином кор- пусе привело к созданию детандерно-компрессорного агрегата. В такой машине детандер разгру- жает компрессор, компенсируя часть затрат работы в процессах сжатия и нагнетания газа. В целом агрегат имеет привод от двигателя. Нашли применение схемы компрессорно-детандерного агре- гата с кривошипно-шатунным механизмом и свободнопоршневые схемы без КШМ, в которых движение от компрессорного поршня непосредственно передается детандерному и обратно.

7

9

жении максимума открываются окна выпуска 9, через которые газ выпускается из цилиндра (по- ложение поршней – рис. 9б), процесс 2-3. Одновременно с этим в цилиндрах компрессора при уменьшении их объема происходит сжатие 7-8 и затем нагнетание газа 8-9 через клапаны. При расширении газа из мертвого пространства компрессорных цилиндров 9-10 происходит встречное движение поршней к центру, уменьшение объема полости детандера и сжатие газа в ней в процес- се 4-5 до достижения минимального объема. При достижении начального давления в полости компрессора происходит открытие всасывающего клапана и всасывание газа в процессе 10-7 до достижения максимального объема компрессорной полости.

Рис. 9. Схема оппозитного свободнопоршневого детандер-компрессора и его индикаторная диаграмма[2]

3. Уплотнение поршня

Одной из основных проблем в конструкции детандера является уплотнение зазора между движущимся поршнем и неподвижным цилиндром. Основными требованиями к поршневым уп- лотнениям являются снижение величины утечек газа через кольцевой зазор между поршнем и ци- линдром при малом выделении тепла трения в поршневой паре. В связи с созданием детандеров для получения сверхнизких (гелиевых) температур появляется дополнительное требование от- сутствия жидкостной смазки.

Основные типы поршневого уплотнения детандеров следующие:

–уплотнения с поршневыми кольцами;

–уплотнения с манжетами;

–щелевое или лабиринтное уплотнение (с газовой смазкой).

Как правило, в криогенных детандерах зона трения поршневого уплотнения удаляется от холодной зоны расширения газа в рабочей полости. Поршень выполняется удлиненным, причем часть, контактирующая с расширяемым газом, делается из неметаллического материала с низкой теплопроводностью (например, текстолита).

Детандеры высокого давления уплотняются поршневыми кольцами из перлитного чугуна, требующими наличия смазки или из несмазываемых материалов (рис. 10а). В последнем случае

10