книги из ГПНТБ / Криогенные поршневые детандеры
..pdf
КРИОГЕННЫЕ
ПОРШНЕВЫЕ
ДЕТАНДЕРЫ
Под редакцией д-ра техн. наук проф. А. М. АРХАРОВА
Москва•«Машиностроение»•1974
К 82 |
|
н а у ч н о - |
|
УДК 621.592.3 |
\ |
‘ |
|
|
библио;.- -■ ■ |
||
|
: |
зНЗ£*:” ' |
<• |
имТАЛЬКОГО„&АЛА,
1№ /
Криогенные поршневые детандеры. Под ред. д-ра техн. наук проф. А. М. Архарова. М., «Машинострое ние», 1974, с. 240. Авт.: А. М. Архаров, К. С. Буткевич, канд. техн. наук И. К. Буткевич, канд. техн. наук А. 3. Миркив.
В книге изложены основы теории, принципы кон струирования, методы экспериментального и теорети ческого исследования криогенных поршневых детан деров низкого, среднего и высокого давления для расширения воздуха, азота, водорода и гелия. Рас смотрены конструкции детандеров в целом и их от дельных узлов. Большое внимание уделено гелиевым и водородным детандерам. Изложены методы расче та узлов и элементов поршневых детандеров.
Книга рассчитана на инженерно-технических ра ботников конструкторских бюро и исследовательских лабораторий и может быть использована при подго товке специалистов криогенного профиля.
Ил. 111, табл. 23, список лит. 92 назв.
Рецензент — канд. техн. наук Б. Г. Кузнецов
30316—231
231—74
038(01)—74
© Издательство «Машиностроение», 1974 г.
КРИОГЕННЫЕ ПОРШНЕВЫЕ ДЕТАНДЕРЫ
АРХАРОВ Алексей Михайлович, БУТКЕВИЧ |
Константин Стефанович, |
|
||||
БУТКЕВИЧ Игорь Константинович, МИРКИН Анатолий Захарович |
|
|||||
Редактор издательства Я. А. Кунин |
|
|
|
|
||
Технические редакторы Л. А. Макарова и А. И. Захарова |
|
|
||||
Корректор А. А. Снастина |
Художник £. Г. Байтман |
|
|
|||
Сдано в набор |
15/XI 1973 г. |
Подписано |
к печати 17/1V |
1974 г. |
Т-06376. |
|
Формат 60 |
X 90/ie |
Бумага № |
1. |
Усл.-печ. |
л. 15,0 |
Уч.-изд. л. 16,0 |
Тираж 3000 экз. |
|
Заказ |
№ 1397. |
Цена 1 |
р. 09 к. |
|
Отпечатано на двухкрасочной офсетной машине с переворачивающим устройством
Издательство «Машиностроение», 107885, Москва, Б-78, 1-й Басманный пер., 3
Экспериментальная типография ВНИИ полиграфии Государственного комитета Совета Министров СССР по делам издательств, полиграфии и книжной торговли Москва, К-51, Цветной бульвар, 30
ПРЕДИСЛОВИЕ
Криогенные поршневые детандеры широко применяются в низ котемпературных установках, предназначенных для охлажде ния и термостатирования, а также в установках ожижения га зов. Основные потребители этих машин — предприятия криоген ной, химической, газовой, радиоэлектронной промышленности,
научно-исследовательские лаборатории и др. |
Несмотря на от |
||
четливо выраженную в технике низких |
температур тенденцию |
||
к расширению применения турбодетандеров, |
всегда |
остается |
|
область параметров, где преимущество |
принадлежит |
поршне |
|
вым машинам. |
|
|
|
Интенсивное развитие криогенного машиностроения в течение последнего двадцатилетия и появление новых областей приме нения низких температур поставили перед конструкторами и
исследователями поршневых детандеров |
ряд новых вопросов. |
В их числе: задача изучения различных |
составляющих потерь |
холодопроизводительности, как основа увеличения эффективно сти машин; задача совершенствования методов расчета и моде лирования машин с различными индикаторными диаграммами; создание микромашин; вопросы оптимизации основных парамет ров и температурного индицирования машин; вопросы, связанные с повышением технологичности, надежности, производительно сти; задача накопления и обобщения получаемых эксперимен тальных результатов; разработка парожидкостных детандеров.
Наряду с простотой принципа действия поршневых расши рительных машин рабочий процесс в них протекает при весьма низкой температуре рабочей среды (до 7нас) и переменном ее количестве, вследствие чего он характеризуется сложной физи ческой обстановкой, сопутствующей процессам тепло- и массообмена в рабочем пространстве над поршнем. Поэтому сущест вующие методы расчета и исследования этих машин,
3
в частности развитые авторами и изложенные в данной моно графии, не являются исчерпывающими и дают приближенные результаты. Работа по исследованию и созданию низко температурных детандеров, и по разработке соответствующего курса лекций в МВТУ им. Баумана, убедила нас в необходимо сти написать эту книгу, стремясь сделать это предельно ясно, просто, широко и в то же время конкретно. Как это получи лось в действительности будут судить читатели и мы заранее благодарим за деловые замечания, советы и критику.
Главы I, И, III и IV (кроме п. 6 и 8) написаны А. М. Арха ровым. Глава V написана А. М. Архаровым, К- С. Буткевичем, И. К- Буткевичем и А. 3. Миркиным. П. 1 главы VI, п. 2 гла вы VII, п. 2 главы VIII и п. 3 и 4 главы IX написаны К. С. Бут
кевичем. Глава X, п. 2 главы IX, п. |
3 главы VII, |
п. |
6 и 8 гла |
вы IV написаны И. К. Буткевичем. |
Глава VIII |
(кроме п. 2), |
|
п. 1 главы VII и п. 2 и 3 главы VI написаны А. 3. |
Миркиным. |
||
П. 1 главы IX написан К. С. Буткевичем и А. 3. Миркиным.
В написании глав III, V, VII участвовали В. Б. Гридин, В. М. Кулаков и В. В. Шишов.
При подготовке рукописи к изданию неоценимую помощь оказала О. А. Алентьева, которой авторы выражают искреннюю признательность. Авторы благодарят Б. Г. Кузнецова за крити ческие замечания, сделанные при просмотре рукописи.
Глава I. ГЕНЕРАЦИЯ ХОЛОДА В ЦИКЛАХ НИЗКОТЕМПЕРАТУРНЫХ УСТАНОВОК
СДЕТАНДЕРАМИ
1.Общие сведения о детандерах
Слово «детандер» происходит от французского detendre — что значит уменьшать давление и является общеупотребительным
внашей технической литературе. Название это введено выдаю щимся ученым — французским академиком Ж. Клодом, кото рый, несмотря на неудачи свои и своих предшественников, веря
всправедливость теории, настойчиво искал и первым осущест вил в 1902 г. процесс ожижения воздуха при помощи сконструи рованного им детандера. В последние годы, наряду с этим термином, стало применяться название «расширительные машины».
Назначение. Детандеры или расширительные машины пред назначены для расширения газа с целью генерации холода в циклах низкотемпературных установок, для чего в этих маши нах энергия сжатого газа преобразуется в работу, передавае мую тормозному устройству.
Два класса детандеров. Существуют два основных класса детандерных машин — газодинамические (или поточные) и объемные. В газодинамических машинах преобразование энер гии сжатого газа в работу проходит через стадию преобразова ния энергии сжатого газа в кинетическую энергию потока. В объемных машинах энергия газа преобразуется в работу не посредственно за счет сил давления газа.
Диапазон параметров рабочего тела. Параметры рабочего тела на входе в детандер в каждом конкретном случае опре деляются температурным уровнем требуемого охлаждения, тепловой нагрузкой и типом цикла, применяемого для этих целей.
На рис. 1 приведены параметры некоторых детандеров по условиям на входе. Границы или области применения тех или иных машин являются ориентировочными. Когда конструктор не связан какими-либо специфическими требованиями, то вы бор детандера определяется в основном экономическими сооб ражениями — сравнением затрат на создание различных детан деров с учетом затраты на разработку технологии и последую щих эксплуатационных расходов. В то же время, как это видно
5
л,
500 |
|
■Л ' |
|
|
|
|
|
100 г ------- |
h |
|
|
|
|
|
|
50 |
|
|
|
|
|
|
|
|
Ч |
|
|
|
|
|
|
ssi j[£ |
|
hrc |
|
|
|
|
|
|
h r. |
Т» г |
|
|
|
||
|
|
Ъ7Г |
|
Tf < |
|
' ..Л |
|
10 |
|
Qm |
|
|
|||
5 |
|
|
|
т |
/ .. |
|
|
|
|
П,г у |
*( У |
|
|
|
|
|
|
|
У Ь о"ИГ |
|
|
|
|
|
|
ъог |
7 'Н |
|
|
|
|
1,0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
------- "Л-Отт— |
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|||
0,5 |
|
|
<? |
|
|
|
|
|
|
|
"21 |
|
|
|
|
|
|
|
0 |
|
|
|
|
|
|
|
£ 0 |
|
|
|
|
|
|
l * |
п,г |
|
|
|
|
0,1 |
|
F |
|
|
|
|
|
|
--------- Ь- — |
|
|
|
|
||
0,05 |
|
t — |
|
|
|||
0,1 |
0,2 |
0,3 0,40,50fi 0JU,0 |
2,0 |
3 |
4 |
5 |
6 18310 |
У
у
!>Дв
*л._ .
0
п
'h2f
П
П17 0 ,Пщ П,ос п„
'Itu "ю
hs,Ь
20 30 40 5060ps/b /M2
Рис. 1. Диапазон параметров рабочего тела на входе для некоторых детан деров (см. табл. 1 и 2)
из рис. 1, есть области параметров, где с наибольшим эффектом применяются те или иные виды детандеров.
Конструктивные разновидности объемных детандеров:
поршневые, ротационные, винтовые, зубчатые, сильфонные, мембранные и разнообразные роторные детандеры. Помимо общего принципа действия детандеры объемного класса объеди няет однотипность рабочих процессов, хотя в разных машинах эти процессы имеют разные количественные характеристики и свои специфические особенности.
Принцип работы поршневых детандеров и их основные эле менты. Основные элементы поршневого детандера и принцип работы его пояснены на рис. 2. Преобразование энергии сжато го га на в работу, снимаемую с вала детандера, осуществляется путег действия сил давления газа на поршень и передачи их через механизм движения на тормозное устройство. Работа де-
6
Рис 2. Основные эле менты поршневого де тандера и основные эле менты рабочего про цесса:
I — поршень; |
II |
— |
ци |
||
линдр; III — органы газо |
|||||
распределения; |
IV |
— |
пор |
||
шневое |
уплотнение; |
V — |
|||
привод |
органов |
газорас |
|||
пределения, |
обеспечиваю |
||||
щий |
их |
работу |
в строго |
||
определенных |
ф аэах |
дви |
|||
жения |
поршня; |
VI |
— меха |
||
низм движения; VII — тор |
|||||
моз; |
VIII — |
органы |
регу |
||
лирования. Процессы: 12 —
наполнение, |
23 — |
внут |
реннее расширение, |
34 — |
|
выхлоп или свободный вы
пуск, |
45 |
— |
выталкивание, |
56 — сжатие |
оставшегося |
||
газа |
или |
обратное сжа |
|
тие, 61 — впуск газа. Тер модинамические системы: а — изолированный от ох
лаждаемого тела |
поршне |
|
вой детандер |
с |
рабочим |
газом; б — |
рабочее про |
|
странство под поршнем
тандера носит циклический характер. В течение каждого цикла повторяется определенная совокупность процессов в рабочем объеме машины, т. е. в пространстве между стенками цилиндра и поршнем. Эта последовательность процессов отражена теоре тической индикаторной диаграммой (рис. 2). Характер инди каторной диаграммы определяется органами газораспределе ния. Эти органы и их привод выполняются как регулируемыми, так и нерегулируемыми. В последнем случае основные пара метры индикаторной диаграммы (отсечки наполнения, вытал кивания, мертвое пространство) не могут быть изменены в процессе работы.
Типы поршневых детандеров. Отличия известных поршневых детандеров столь разнообразны, что представляется необходи мым отметить лишь основные:
По роду рабочего тела (газа): воздушные, водородные, ге
лиевые и т. п.
По уровню давления и температуры на входе: детандеры вы сокого давления (ориентировочно рвх > 10 МН/м2 (100 кгс/см2), среднего давления ( р в х 1,5 -f- 10 МН/м2 (15 -т- 100 кгс/см2) и низкого давления (рвх < 1,5 МН/м2 (15 кгс/см2). Согласно меж дународной договоренности температуры ниже 120° К отнесены к области криогенных, поэтому детандеры, работающие при таких температурах, могут быть названы криогенными.
Рабочие параметры некоторых поршневых детандеров
Марка
детандера
Г-1 (I ступень)
Г-1 (11 ступень)
ГДСД-1
ГДСД-2М
Фирмы Линде (ФРГ)
ГД 42/50
ГДСД-11 (I ступень)
ГДСД-11 (II ступень)
ГД С Д -5
ГД 80/80
ДВД -6
ДВД-7
ДВД-9
р в х |
г вх |
|
квых |
Гвых |
|
кгс/сма |
°к |
|
22 |
120 |
|
1,1 |
60 |
|
22 |
28 |
|
1,1 |
12 |
|
22 |
28 |
|
1,3 |
12 |
|
20—24 |
28—24 |
|
1,2— 1,4 |
13,5— 11,5 |
|
30—35 |
25—27 |
|
1 ,2 - 1 ,3 |
14— 15 |
|
25 |
22—24 |
|
1,3 |
8 -1 1 |
|
18 |
80 |
|
0,92 |
|
|
17 |
20 |
|
0,96 |
|
|
25/2,0 |
27—25 |
|
14— 11 |
||
|
||
26 |
27,5 |
|
1,6 |
12,4 |
|
170 |
238 |
|
6 |
|
|
200 |
303 |
|
6 |
— |
|
200 |
293 |
|
6 |
|
Рабочее G тело
кг/ч —
15—20
18—25
5 - 8
48—77
3,6 —4,5
14
Гелий
0,75
15
400
80— 100
3000
820
Воздух
Л
d u
об/мнн ММ
320 78
400 50
400 35
310—400 60
450—700 37,5
300 42
230 28
230 20
340 110
375 80
145 1.55
200 80
155 |
325 |
36 |
8
|
|
|
|
|
Т а б л и ц а |
1 |
|
|
Масса |
|
|
|
|
S |
^ад |
без |
Тип |
Обозна |
|
|
электро |
Комплектуемая установка |
|||||
|
|
генератора |
поршневого |
чення |
||
|
|
уплотнения |
на рис. |
1 |
|
|
ММ |
_ |
кг |
|
|
|
|
70 |
0,7 |
70 |
|
Л2г |
Гелиевый ожижитель Г-1 |
|
|
|
|
|
|
||
50 |
0,7 |
55 |
|
Л зг |
<3ж = 18,5 л/ч |
|
|
|
|
||||
35 |
0,8 |
45 |
|
п^т |
Гелиевый ожижитель |
Г-2, |
Щелевое |
<2ж = 8 л/ч |
|
||||
|
|
|
|
|
||
75 |
0,75 |
115 |
|
п 1г |
Гелиевый ожижитель |
Г-45, |
|
производительность |
|
||||
С?ж = 40 л/ч
80 |
0,6 —0,7 |
10 |
|
|
50 |
0,75 —0,8 |
— |
Кожаные |
|
манжеты |
||||
|
|
|
||
40 |
0,6 |
— |
|
|
|
|
|
Щелевое |
|
34 |
0.7 |
— |
|
|
|
|
|
Несмазы |
|
|
|
|
ваемые |
|
140 |
0,75—0,8 |
— |
поршневые |
|
кольца |
||||
|
|
|
(материал — |
|
|
|
|
— АФГМ) |
|
80 |
0 ,8 |
— |
Кожаные |
|
манжеты |
||||
|
|
|
||
290 |
до 0,8 |
10 000 |
|
|
180 |
— |
3310 |
Металли |
|
|
|
|
ческие |
|
|
|
|
кольца |
|
130 |
0,7 |
650 |
|
Лбг
П7т
Л9Г
/79г
Л юг
Лиг
л8
Л9
Лю
Гелиевый ожижитель фир мы Линде, Q = 3 л/ч
Газовад гелиевая экспери ментальная установка ИТЭФ, Q = 180 Вт
Гелиевый рефрижератор
Гелиевая газовая рефриже раторная установка,
Q х 4000 Вт
Гелиевый рефрижератор для реконденсации паров во дорода Qx x 120 -ь 130 л/ч
Установки КЖ 1000 и
КТ 1600А
Транспортная установка КТ 1000
Установки АКДС-30-30;
АЖА-0,04; КЖ-АЖ-0,04.
екде-зо
9
Марка |
Рвх |
твх |
|
рвых |
Твых |
||
детандера |
|||
|
кгс/сх2 |
°к |
|
ДВД-10 |
190 |
293 |
|
6 |
|
||
|
|
||
ДВД-12 |
200 |
288 |
|
|
6 |
|
|
ДВД-13 |
200 |
293 |
|
6 |
|
||
|
|
||
ДВД 70/180 |
200 |
303 |
|
6 |
|
||
|
|
||
ДВД-11 |
200 |
293 |
|
6 |
|
||
|
|
||
Д С Д -5 |
60 |
223 |
|
6 |
|
||
|
|
||
Эксперименталь |
180 |
293 |
|
ный прямоточный |
6 |
|
|
конструкции |
|
||
В. Б. Гридина |
|
|
|
Экспериментальный |
200 |
270 |
|
свободнопоршне |
|||
вой детандер- |
6 |
|
|
компрессор |
|
||
|
|
||
БДК-1МВТУ |
|
|
|
Эксперименталь |
30 |
26,2 |
|
ный бесклапанный |
1,5 |
12,6 |
|
Эдера |
|||
|
|
||
Водородный |
100— 150 |
48—42 |
|
о и я и |
6—40 |
— |
|
Модель FXA-1 |
211 |
290 |
|
|
|
||
Модель JX-1 |
211 |
290 |
|
|
|
||
Бесклапанный |
26 |
24 |
|
свободнопоршневой |
|
|
|
Для ожижителя |
137 |
75—72 |
|
тоннажного |
7 |
35—30 |
|
водорода (США) |
о |
Рабочее |
п |
|
тело |
|
||
кг/ч |
_ |
об/мин |
ММ |
2500 |
|
400 |
85 |
1230 |
|
350 |
80 |
340 |
|
370 |
50 |
450 |
|
200 |
70 |
78 |
|
320 |
28 |
|
Воздух |
|
|
450 |
|
180 |
80 |
450 |
|
1200 |
40 |
195 |
1500 |
54 |
9 |
гелий |
1200 |
28,5 |
100 |
водород |
до 400 |
40 |
5000 |
|
327 |
127 |
8500 |
воздух |
|
|
|
257 |
162 |
|
20 |
гелий |
1800— |
32 |
|
|
—2700 |
|
656 |
водород |
125—300 |
125 |
Продолжение табл. 1
|
|
Масса |
|
|
|
S |
|
без |
Тип |
Обозна |
|
^ад |
электро- |
||||
поршневого |
чения |
||||
|
генератора |
уплотнения |
на рис. 1 |
||
|
|
|
|||
ММ |
_ |
кг |
|
|
|
190 |
0,75 |
5400 |
|
Я „ |
|
180 |
0,75 |
2710 |
|
П 12 |
|
160 |
0,7 |
865 |
|
|
|
180 |
0,7 |
3300 |
Металли |
Я н |
|
|
|
|
ческие |
|
|
130 |
0,65—0,7 |
480 |
кольца |
Я ,5 |
|
|
|||||
180 |
До 0,7 |
3300 |
|
Я is |
|
60 |
0,7 —0,75 |
130 |
|
я„ |
|
|
|
|
Кольца |
|
|
|
|
|
из ФН-202 |
я ,8 |
|
40—50 |
0,7 |
250 |
со сталь |
||
|
|
|
ными эспан- |
|
|
дерными
кольцами
Комплектуемая установка
Кислородная установка
Кислородная установка-
Установка АКДС-70М
Установка КГ300-2Д КГСН-150м
Установка АКДС-17
АЖК-0,02; СКДС-17
Установка УКГС-100
По данным [32]
По данным [77]
32 |
0,76 |
— |
Щелевое |
я 18Г По данным [82] |
100 |
0 |
о г» |
|
|
1 |
267 —
355 —
32 0,7
260 0,80
—
Кожаные
манжеты
—Металлические
кольца
—
—Щелевое
Несмазыва
— емое на баз е тефлона
— |
По данным [15] |
я 19 |
Фирмы Cooper Bessemer |
|
(США) |
Яго |
Фирмы Cooper Bessemer |
Яа1 |
По данным [78, 79] |
Я ,8 |
По данным [86] фирмы Co |
oper Bessemer |
10 |
11 |
|