Тема 4. Поршневые детандеры Принцип работы поршневого детандера; холодопроизводительность, кпд и отводимая мощность поршневого детандера.

Детандер (от франц. détendre - ослаблять), машина для охлаждения газа путём его расширения с отдачей внешней работы. Детандер относится к классу расширительных машин, но применяется главным образом не с целью совершения внешней работы, а для получения холода. Расширение газа в Детандере - наиболее эффективный способ его охлаждения. Детандер используется в установках для сжижения газов и разделения газовых смесей методом глубокого охлаждения, в криогенных рефрижераторах, в установках, имитирующих высотные и космические условия, в некоторых системах кондиционирования воздуха и т.д.

Наиболее распространены поршневые Детандер (рис. 1) и турбодетандеры. Поршневые Детандер - машины объёмного периодического действия, в которых потенциальная энергия сжатого газа преобразуется во внешнюю работу при расширении отдельных порций газа, перемещающих поршень. Они выполняются вертикальными и горизонтальными, одно- и многорядными. Торможение поршневых Детандер осуществляется электрогенератором и реже компрессором. Применяются в основном в установках с холодильными циклами высокого 15-20 Мн/м2 (150-200 кгс/см2) и среднего 2-8 Мн/м2 (20-80 кгс/см2) давлений для объёмных расходов газа при температуре и давлении на входе в машину (физических расходов) 0,2-20 м3/ч.

Рис. 1. Схема поршневого детандера: 1 - поршень; 2 - цилиндр; 3 - впускной клапан; 4 - выпускной клапан; 5 - кривошипно-шатунный механизм.

Устройство. Действие. Классификация.

Поршневой криогенный детандер — тепловая машина объемного действия, в которой периодически происходит расши­рение криоагента в цилиндре при перемещении поршня. Энергия сжатого газа превращается в механическую работу, а энтальпия криоагента 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 криоагента. Совокупность этих процессов, последовательно повторяющихся при каждом обороте вала, можно назвать циклом поршневого де­тандера (ПД).

Рассмотрим отдельные процессы цикла ПД. Когда поршень приближается к мертвой точке, происходит открытие впускного клапана в точке 6 (рис. 1), при этом газ высокого давления заполняет мертвое пространство, и давления в цилиндре и трубо­проводе выравниваются (процесс 6—/). 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, давление и тем­пература криоагента. 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 криоагент (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 принудительного действия и механизм управления клапанами. Клапаны принудительного действия открываются при определенном положении поршня. Самодействующие клапаны, открываемые и закрываемые вслед­ствие перепада давления газа, не находили применения в детанде­рах, так как считалось, что специфика рабочего процесса такова,

Рис. 1. Схема поршневого детандера.

что не может привести к закрытию и открытию клапана, ибо давление во впускном трубопроводе всегда выше, чем в цилиндре, а в цилиндре выше, чем в выпускном трубопроводе. Однако последние разработки ЛТИХП показали принципиальную воз­можность использования самодействующего впускного клапана на детандере высокого давления. Роль механизма газораспреде­ления поршневого детандера состоит в обеспечении оптимального режима и возможности регулирования расхода криоагента.

В зависимости от способа газораспределения поршневые детан­деры можно разделить на три группы: детандеры с клапанным (имеющие впускной и выпускной клапаны), бесклапанным (име­ющие впускные и выпускные окна) и комбинированным газорас­пределением (принудительный или самодействующий впускной клапан и выпускные окна или наоборот).

По конструкции привода клапанов расширительные машины классифицируются на детандеры с внешним приводом клапанов, в которых действие клапанов осуществляется через специальный механизм привода от вращающегося коленчатого вала, и детан­деры с внутренним приводом, в которых клапаны приводятся в действие поршнем, через специальное устройство. В последнее время для привода клапанов используются электромагниты, а управление приводом осуществляется микропроцессором.

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 криоагента (детандер-компрессоры), на перекачку жидкости. В последнее время для отвода энергии в детандерах используются электромаг­нитные тормоза.

Наиболее распространенным вариантом использования детанде­ров в низкотемпературных установках является использование его как внешнеадиабатной ма­шины (в детандере процесс рас­ширения протекает при мини­мальном теплоподводе, опреде­ляемом трением и теплоприто-ком из окружающей среды). Подвод тепла от охлаждаемого объекта осуществляется за ма­шиной в теплообменном аппа­рате (рис. 2, а). Такие машины условно в литературе называются «адиабатными» или «внешнеадиабатными». Вместе с тем если охлаждаемый объект имеет постоянную температуру тер-мостатнрования, то между объектом и криоагентом будут значи­тельные разности температур. Поэтому казалось бы целесообраз­нее процесс расширения в детандере приблизить к изотермному, подводя тепло от объекта непосредственно в процессе расширения через стенки цилиндра. Это так называемый «неадиабатный» детандер (рис. 2, б).

Рис. 2. Адиабатные (а) и неадиабатные (б) поршневые детандеры.

Термодинамический анализ показал, что применение «неади­абатных» детандеров позволяет повысить эффективность установок криостатирования на 20% при температурном уровне 15—30 К. Вместе с тем следует отметить, что неадиабатные ПД применения не получили. Очевидно, это связано с тем, что внутренняя поверх­ность цилиндра детандера ограничена, коэффициент теплообмена имеет тоже вполне определенное значение . Максимальный коэффициент теплообмена характерен для про­цессов впуска и наполнения, что объясняется турбулизацией и высокой плотностью потока, а подвод тепла к криоагенту проис­ходит в процессах выталкивания и обратного сжатия при невысо­ких коэффициентах теплообмена. Следовательно, для передачи больших тепловых нагрузок через стенку цилиндра неминуемо надо будет увеличивать AT, т. е. необратимые потери. Попытки интенсификации теплообмена и увеличения внутренней поверх­ности цилиндра к положительным результатам не привели. Поэтому очевидно, что осуществление «неадиабатного:» детандера возможно только при очень малых тепловых нагрузках и соот­ветственно при малых размерах цилиндра, лежащих вне области применения поршневых детандеров.

Вместе с тем к «неадиабатным» детандерам следует отнести машины, в которых в процессе расширения осуществляется фазо­вый переход с выделением теплоты конденсации или кристал­лизации.

В современных ПД рабочий процесс может осуществляться как в области газовой среды, когда криоагент на входе и выходе не меняет фазового состояния, так и в области влажного пара, когда в процессе расширения происходит фазовый переход и на выходе из машины криоагент частично находится в сконденсированном состоянии. Такие ПД используются в криогенных уста­новках вместо дросселя и называются «влажнопаровыми», «газо-жидкостньми» или «двухфазными».

В ПД наиболее часто используются следующие криоагенты: воздух, гелий, водород и др. Следует отметить, что хотя рабочий процесс при любом криоагенте в принципе одинаков, специфика рабочего вещества обусловливает существенные конструктивные различия машин. На рис. 3 приводится классификация ПД, в которой обобщены все характерные особенности этих машин.

Рис. 3. Классификация поршневых детандеров.