webdonsk.ruТурбодетандер своими руками
Добавил пользователь Валентин П. Обновлено: 09.09.2024
Турбодетандерный агрегат ТДА (turbo-expanding assembly) - турбинная лопаточная машина непрерывного действия для охлаждения газа путем его расширения с совершением внешней работы.
Турбодетандер, работающий на перепадах давления, позволяет получать механическую и электрическую энергию.
- на нефтегазовых промыслах - в установках низкотемпературной обработки газа и установках сжижения газа;
- на предприятиях ТЭК, химической и нефтехимической отраслей промышленности - в установках низкотемпературного разделения многокомпонентного газовых смесей;
- в черной металлургии, где работа плавильных печей сопровождается мощным потоком доменного газа.
- корпус,
- ротор,
- регулируемый сопловой аппарат,
- направляющий аппарат компрессора с резьборычажными механизмами поворота.
Турбодетандерный агрегат герметичен и не потребляет электроэнергии.
- центробежные,
- центростремительные,
- осевые (радиальные);
- активные - понижение давления происходит только в неподвижных направляющих каналах,
- реактивные - давление понижается также и во вращающихся каналах ротора);
- одноступенчатые,
- многоступенчатые.
КПД ТДА зависит от изменения режима работы, от параметров рабочей среды (давления, температуры, расхода газа) и др.
При оптимальных режимах работы достижимы значения КПД до 0,8 и выше.
КПД снижается при наличии жидкой фазы в потоке входящего газа, а также при конденсации газа в ТДА.
В промышленности нередко используются ТДА для выработки электрической или механической энергии, приводящей в движение вентиляторы или компрессоры.
Однако при чрезмерном количестве или мощности ТДА вероятно избыточное производство пара под низким давлением, что предполагает стравливание пара в атмосферу и снижение эффективности.
Первый ТДА был внедрен для установки НТК газа на Шебелинском газоконденсатном месторождении во времена СССР в 1968 г.
Для установок подготовки газа (УПГ) и для газоперерабатывающих установок выпускаются ТДА с турбодетандерами и компрессорами центробежного и центростремительного типов.
ТДА рассчитан на работу в УПГ при температуре сепарации до -10 о С в диапазоне рабочих давлений 8 - 0,2 МПа.
Пропускная мощность ТДА с помощью поворотного соплового аппарата турбодетандера плавно регулируется в интервале 2 - 4 млн м 3 /сутки. Максимальная холодопроизводительность ТДА при давлении 8 МПа и температуре -26 о С - 4,19 млн*кДж/час, производительность по газу 2,5 млн м 3 /сутки.
Краткая история развития поршневых и турбодетандеров установок. Основные элементы, классификация ТД и их назначение. Принципиальная схема традиционного турбодетандера радиального типа. Основные процессы использования УТДУ в системе газораспределения.
| Рубрика | Физика и энергетика |
| Вид | реферат |
| Язык | русский |
| Дата добавления | 14.11.2012 |
| Размер файла | 1,8 M |
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Реферат по теме:
Энергосберегающие технологии на базе турбодетандерных установок
Краткая история развития поршневых и турбодетандеров установок
Основные элементы ТД и их назначение
Основные схемы использования УТДУ в системе газораспределения
Детандер (от франц. dйtendre -- ослаблять) -- устройство, преобразующее потенциальную энергию газа в механическую энергию. При этом газ, совершая, работу охлаждается. Самыми распространенными являются поршневые и турбодетандеры.
Турбодетандер - машина для производства холода. В основу положен принцип турбины. При расширении на лопатках рабочего колеса газ производит работу, отдавая энергию, за счёт чего происходит понижения его температуры. А отданная газом энергия отводится. Передача энергии от газов к рабочему телу происходит за счёт силового взаимодействия потока газа с лопатками вращающегося рабочего колеса. Частично она поглощается сопротивлением в подшипниках, а остальная может быть полезно преобразована в электрическую, тепловую, или работу вращающегося колеса компрессора или нагнетателя. В этом и кроется наибольший потенциал для применения ТД установок для энергосбережения.
КПД современных турбодетандеров находится на уровне 80% (выполненных по схеме Капицы).
Так же созданы промышленные турбодетандеры, работающие при числе оборотов 100-300 тысяч в минуту с начальным давлением 15-20 МПа и отношением начального и конечного давления равному от 10 до 30 раз.
Для них так же характерен широкий диапазон расход газа: 300-130000.
Диапазон изменения диаметров рабочих колес: от 600 - 700 мм до 8 - 10 мм.
По существующем магистральным газопроводам газ транспортируется с давлением до 10 МПа. Потом по отводам газопровода газ направляется к ГРС и ГРП в которых давление уменьшается до 1,2 и 0,15 МПа соответственно.
Уменьшение давления газа обычно производится обычно в дросселирующих устройствах различных типов, в которых энергия избыточного давления газа расходуется на преодоление гидравлических сопротивлений, и таким образом безвозвратно теряется.
Если учесть существующие и постоянно растущие в мире расходы природного газа, то при подобном дросселировании потери энергии могут составить многие десятки миллиардов киловатт-часов энергии в год.В целом ряде государств сейчас уделяется большое внимание утилизации энергии избыточного давления природного газа. Внедряются новые установки, мощность некоторых из них достигает 10-12 МВт.
Краткая история развития поршневых и турбодетандеров
Идея создания машин для охлаждения газа при адиабатном расширении возникла еще в начале XIX столетия. Но только в 1902 - 1904 гг. французским ученым Жаком Клодом был создан первый работоспособный поршневой детандер [39]. Детандер Клода работал на воздухе при давлении 4,0 МПа, предварительно охлажденном до температуры (133 - 138 К) и предназначался для кислородных установок среднего давления.
В 1907 - 1915 гг. в Германии Гейляндт разработал и осуществил установку для ожижения воздуха с поршневой расширительной машиной высокого давления [7]. В детандер поступал воздух при давлении примерно 16,0 МПа и температуре, близкой к температуре окружающей среды.
Первый гелиевый низкотемпературный поршневой детандер был создан в 1934 году выдающимся советским ученым, академиком П.Л. Капицей [37].
Работы Клода, Гейляндта, Капицы по поршневым детандерам явились началом широкого применения их в криогенной технике. С созданием этих машин образовались две области применения поршневых детандеров: область воздухоразделительных установок и область гелиевых ожижителей и рефрижераторов. Первые два типа детандеров легли в основу разработки поршневых машин для воздухоразделительных установок среднего и высокого давлений. По типу машин Клода изготавливались детандеры среднего давления; по типу Гейляндта - детандеры высокого давления. Детандер Капицы послужит основой для создания машин, работающих в гелиевых ожижителях и рефрижераторах.
После этих работ в СССР и за рубежом появился целый ряд ученых, школ, институтов, предприятий и НПО (Научно-производственных объединений), которые продолжали совершенствовать конструкции поршневых расширительных машин, порой создавая свои оригинальные детандеры. К их числу можно отнести институт физических проблем, где под руководством П.Л. Капицы продолжали исследование и совершенствование гелиевых поршневых детандеров Данилов И.Б. [38], Ковачев В.Т. [41] и др.
Во ВНИИ кислородного машиностроения был создан целый ряд поршневых детандеров для воздухоразделительных установок среднего и высокого давлений. Большой вклад в создание этих машин внесли Буткевич К.С., Гильман И.И., Епифанова В.И. и др. [23, 31, 35, 36].
Большую ценность в теорию и практику поршневых детандеров внесли работы Василенко А.Н., который исследовал детандер-компрессор ДК-50, Клименко А.П.[40] и Максимука Б.Я. [42] по изучению особенностей работы детандера на природном газе.
Дальнейшее совершенствование поршневых детандеров проводилось в ряде учебных институтов. В МВТУ им. Баумана в 50-х годах Гридиным В.Б. была создана оригинальная конструкция прямоточного, быстроходного детандера высокого давления [27]. Ряд других ученых и инженеров МВТУ им. Н.Э. Баумана своими работами внесли большой вклад в развитие детандеростроения в СССР, это А.Г. Головинцов , А.М.Архаров, В.В.Шишов [1, 5] и др.
К этой же школе можно отнести В.А. Белушкина и И.Ф. Готвянского, которые разработали оригинальную конструкцию прямоточного детандера с внутренним приводом клапанов для водородного ожижителя [48].
Большой вклад в теорию поршневых детандеров внесли ученые ЛТИХП К.К. Страхович [48] , К.Я. Шмалько, В.Н. Новотельнов [49] и др.
Оригинальные работы по исследованию поршневых детандеров были проведены В. Чернецким и А.З. Миркиным [43]. Весомый вклад в теорию поршневых детандеров внесли авторы ряда работ А.А. Старцев, К.З. Бочавер [50, 51].
Дальнейшее совершенствование поршневых детандеров проводили и проводят И.К. Буткевич, разработавший гелиевый поршневой детандер с манжетным уплотнением [24], В.М. Добров применивший подобное уплотнение в прямоточном поршневом детандере, Е.А. Докшицкий, исследовавший прямоточный поршневой детандер-ожижитель, работающий в области влажного пара [33].
Разработка детандеров, работающих в области влажного пара, является в настоящее время очень актуальной задачей. Ряд работ как зарубежных, так и советских авторов показали, что применение детандеров в двухфазной области вместо дросселей существенно повышает эффективность работы всей криогенной установки.
За рубежом значительные работы по созданию и совершенствованию поршневых детандеров были проведены в Массачусетском технологическом институте (США) С.К. Коллинзом, создавшим оригинальную диафрагмовую расширительную машину, работающую в гелиевом рефрижераторе [55], и гелиевый детандер с гибким штоком. Как было уже отмечено, большой интерес представляет его работа по применению поршневого детандера для работы в области влажного пара гелия.
В 1956 - 1964 гг. Долл и Эдер спроектировали, изготовили и исследовали быстроходный бесклапанный детандер [54].
Начало промышленного применения турбодетандеров относится к 30-м годам двадцатого столетия. Первые турбодетандеры выполнялись осевыми; ввиду сравнительно малых расходов адиабатный КПД их в то время не превышал 60 %.
В 1939 году академик П.Л. Капица создал конструкцию радикального центростремительного турбодетандера реактивного типа с длинными лопатками [37, 38]. Адиабатный КПД такого турбодетандера сразу был поднят до 80% и выше. В настоящее время все лучшие отечественные и зарубежные фирмы выполняют конструкцию турбодетандеров по схеме П.Л. Капицы.
поршевый турбодетандерный газораспределение
Основные элементы турбодетандера и их назначение
Принципиальная схема традиционного турбодетандера радиального типа, применяемая в воздухоразделительных установках низкого давления, показана на рис. 1 и 2.
Рис.1 Схема турбодетандерного агрегата
Рис.2 Движение потоков криоагента в рабочем колесе ТД
Основными элементами его являются улитка или входной патрубок - 1; направляющий или сопловый аппарат - 2; рабочее колесо или вращающаяся решетка - 3; диффузор - 4; корпус - 5; уплотняющие элементы (лабиринтные уплотнения) - 6; редуктор - 7; генератор для отбора мощности - 8.
Улитка или входной патрубок служит для равномерного подвода газа по окружности к направляющему аппарату.
Направляющий или сопловой аппарат выполнен из ряда сопел по окружности и служит для придания потоку газа на его выходе определенной скорости и направления. При течении в соплах часть внутренней энергии сжатого газа преобразуется в кинетическую энергию потока. Увеличивается скорость рабочего потока до определенной величины, которая может быть дозвуковой, звуковой и сверхзвуковой, при этом понижаются давление и температура газа.
Вращающее рабочее колесо с лопатками или вращающаяся решетка необходимо для преобразования внутренней и кинетической энергии потока в механическую работу.
Энергия потока передается рабочему колесу за счет силового взаимодействия потока с лопатками вращающегося рабочего колеса. При этом и скорость потока, и давление, и температура понижают свои значения.
Диффузор служит для дальнейшего торможения потока и понижения его скорости до значения в выходящем патрубке и трубопроводе. Температура рабочего тела при этом повышается
Уплотнение рабочего колеса и проточной части необходимо для уменьшения или полного исключения утечек и перетечек газа через неплотности вращающегося рабочего колеса.
Редуктор, установленный на выходящем валу турбодетандера, служит для понижения скорости вращения ротора до скорости двигателя - генератора и передачи мощности на вал генератора, который, как правило, вращается с меньшей скоростью, чем ротор турбодетандера.
Генератор (двигатель - генератор) преобразует механическую энергию вращающегося ротора турбодетандера в электрическую и передаёт ёе в электрическую сеть.
Классификация турбодетандеров проводится:
- по применяемому давлению;
- по характеру процесса расширения;
- по направлению движения газа;
- по состоянию рабочего тела;
- по числу ступеней.
По применяемому начальному давлению на входе турбодетандеры подразделяются на машины низкого, среднего и высокого давлений.
У машин низкого давления - среднего давления высокого давления -
По характеру процесса расширения турбодетандеры подразделяются на активного и реактивного действия.
В турбодетандерах активного действия понижение энтальпии, давления и температуры происходит в основном на 85 % в сопловом аппарате, где сжатый газ, понижая свое давление и температуру в процессе расширения, разгоняется до высокой скорости, как правило, выше скорости звука. В рабочем колесе происходит преобразование только кинетической энергии потока в механическую работу.
В турбодетандерах реактивного действия понижение энтальпии, давления и температуры происходит как в сопловом аппарате, так и рабочем колесе. В сопловом аппарате в процессе расширения газ, понижая свое давление и температуру, разгоняется до относительно высокой скорости, но не выше местной скорости звука, а в рабочем колесе и внутренняя энергия сжатого газа, и кинетическая энергия потока преобразуется в механическую работу путем силового взаимодействия потока с лопатками рабочего колеса.
Отечественные турбодетандеры в основном выпускаются реактивного действия.
По направлению движения газа турбодетандеры подразделяются на радиальные, осевые и радиально - осевые или диагональные. В свою очередь радиальные турбодетандеры подразделяются на центростремительные и центробежные (рис. 2.31).
В радиальных турбодетандерах движение газа осуществляется в плоскости, перпендикулярной оси вращения. Соответственно, в центростремительных движение газа направлено от периферии к оси машины, в центробежных, наоборот, от оси машины к периферии. В осевых, движение газа происходит по цилиндрическим поверхностям параллельным оси, а в радиально - осевых по промежуточным поверхностям между осевыми и радиальными.
Турбодетандеры осевого типа применяются крайне редко. Эти машины требуют очень больших расходов. В основном используются радиальные и радиально - осевые турбодетандеры. В центростремительных машинах движение газа происходит против действия поля центробежных сил, что способствует понижению энтальпии газа. В центробежных поле центробежных сил способствует увеличению энтальпии газа. Поэтому для турбокомпрессорных машин центробежное движение газа целесообразно, для турбодетандеров выгоднее центростремительное движение газа. По этой причине турбодетандеры в основном исполняются центростремительного типа.
По состоянию рабочего тела турбодетандеры за последнее время стали подразделяться на газовые и парожидкостные. В газовых машинах рабочее тело не меняет своего фазового состояния, и расширение происходит только в газовой области. В парожидкостных машинах расширение происходит из области газа в двухфазную область влажного пара с образованием части жидкости.
По числу ступеней турбодетандеры бывают одноступенчатые и двухступенчатые.
В настоящее время турбодетандеры, как правило, изготавливаются одноступенчатые даже при относительно высоких отношениях давлений Увеличение отношения давлений приводит к повышению частоты вращения вала машины. Применяемые в настоящее время подшипники скольжения и тормозные устройства позволяют развивать достаточно высокие числа оборотов в турбодетандерах, 200 тыс. об/мин и выше.
Рис. 3 Схемы а) центростремительного и б) центробежного турбодетандеров; радиального турбодетандера:
1 - направляющий аппарат;
2 - рабочее колесо
В свое время ограничение частоты вращения вала привело к необходимости ограничивать отношение давлений в ступени и выполнять двухступенчатые турбодетандеры.
Однако известно, что уменьшение отношения давлений в ступени приводит к повышению изоэнтропийного КПД турбодетандера. Поэтому турбодетандеры высокого давления целесообразнее выполнять двухступенчатыми.
В низкотемпературной технике современные турбодетандеры выполняются, как правило, центростремительные радиального или радиально - осевого типа, одноступенчатые или двухступенчатые с реактивным характером расширения газа.
Основные схемы использования утилизационных турбодетандерных установок в системе газораспределения
Для выработки электроэнергии на ГРС (ГРП):
Служит для выработки электроэнергии. Турбодетандерная установка подключается параллельно ГРС (ГРП). Для повышения стабильности выходных параметров электроэнергии, при малых расходах газа целесообразно иметь повышенную частоту вращения, для этого между ТД и генератором целесообразно размещать редуктор. При больших расходах связь между ними осуществляется напрямую.
На сахарном заводе города Феррара по аналогичной схеме вырабатывается 70% электроэнергии необходимой для подогрева газа. Срок окупаемости 3 года.
Для выработки электроэнергии на ГТКС (ТЭС):
В утилизационных установках на ГТКС и ТЭС обычно в электричество преобразуется потенциальная энергия избыточного давления топливного газа, поступающего в камеру сгорания ГТД, как правило он берётся из магистрального газопровода параллельно узлу редуцирования топливного газа. Топливный газ может поступать в утилизационную установку может поступать от одного или нескольких ГТД.
С помощью УТДУ ДГА-500 созданного АО Криокор на ТЭС установка по данной схеме может выработать с 1 кг газа 130-200 КВт электрической мощности, и как следствие выбросы вредных веществ(окислы азота, серы и двуокись углерода) уменьшаются на 100 тонн в год.
Для выработки холода и электроэнергии на ГРС:
Отличие схемы 1 состоит в том что за ТД размещён потребитель холода.
Для сжижения метана на ГРС.
Таким образом, сжижается до 5% потребляемого газа. Характерными особенностями этой УТДУ являются отсутствие подогрева газа, применение теплообменника для охлаждения газа перед турбодетандером холодным обратным потоком газа и дожимного компрессора.
В системе охлаждения масла ГПА.
Масло, сливаемое из системы смазки агрегата, сначала охлаждается воздухом в радиаторе, через который прогоняется холодный воздух с помощью эжектора приводимого в движение ТД. Затем поток масла доохлаждается в теплообменнике, где ему навстречу идут два потока газа один из магистрального трубопровода, другой из ТД.
Подобные документы
Источники тепловой энергии. Котельные установки малой и средней мощности. Основные и вспомогательные элементы котельных установок. Паровые и водогрейные котлы. Схема циркуляции воды в водогрейном котле. Конструкция и компоновка котельных установок.
контрольная работа [10,0 M], добавлен 17.01.2011
Работа энергетических установок. Термодинамический анализ циклов энергетических установок. Изохорный, изобарный, изотермический, адиабатный и политропный процессы. Проведение термодинамического исследования идеального цикла теплового двигателя.
методичка [1,0 M], добавлен 24.11.2010
Термодинамические циклы поршневых двигателей внутреннего сгорания. Прямые газовые изохорные и изобарные циклы неполного расширения. Термодинамические циклы газотурбинных установок и реактивных двигателей. Процессы, происходящие в поршневых компрессорах.
реферат [1,5 M], добавлен 01.02.2012
Описание и принцип действия газотурбинной технологии, ее основные элементы и назначение. Установки с монарным и бинарным парогазовым циклом, с высоконапорным парогенератором. Характеристика и оптимизация энерготехнологических парогазовых установок.
реферат [1,8 M], добавлен 18.05.2010
Принцип работы газотурбинных установок. Принципиальная схема газотурбинной установки типа ТА фирмы "Рустом и Хорнсби", ее компоновка, габаритный чертеж. Техническая характеристика установки, преимущества и недостатки. Конструктивная схема камеры сгорания.
контрольная работа [2,2 M], добавлен 19.12.2010
Назначение, устройство и принцип работы аккумуляторных установок, их типы. Техническое обслуживание аккумуляторных установок, устранение неисправностей. Назначение аккумуляторных коммутаторов. Техника безопасности при работе с аккумуляторными батареями.
реферат [522,7 K], добавлен 13.11.2014
Термодинамический анализ работы теплового двигателя. Основные понятия, используемые в термодинамическом анализе работы ядерных энергетических установок. Промежуточная сепарация и промежуточный перегрев пара в идеальных циклах паротурбинных установок.
Выпускная квалификационная работа (ВКР) посвящена решению задач по созданию энергетически эффективного отечественного оборудования и экологически чистых технологий при транспортировке природного газа. В ВКР рассматривается актуальность применения струйно-реактивной турбины и турбодетандора на её основе. Задачей работы является разработка технических предложений по конструкциям турбодетандеров на основе струйно-реактивных турбин.
Проведены численные эксперименты, в ходе которых определены: рациональная область применения агрегата, его основные геометрические параметры, характеристики потока газа во всех основных элементах конструкции и мощностные показатели машины. На основе результатов расчетов разработана конструкторская документация в составе: принципиальная схема, чертеж общего вида, сборочный чертеж, рабочие чертежи. С помощью разработанной документации подготовлены трехмерные модели агрегата, проведен прочностной анализ основных элементов конструкции во SolidWorks Simulation и смоделированы физические процессы истечения газа с помощью SolidWorks FlowSimulation, построены графики распределения основных параметров газа по всей длине дросселирующего канала турбодетандера.
В части безопасности и экологичности проекта выявлены вероятные чрезвычайные ситуации при эксплуатации турбодетандера на ГРС и намечены мероприятия по их предотвращению. Произведен расчет искусственного освещения операторной. В качестве экономического расчета произведена оценка экономической эффективности от внедрения струйно-реактивного турбодетандера на ГРС в качестве теплогенератора.
Результаты конструкторских и исследовательских работ позволяют сделать вывод о перспективности применения струйно-реактивных турбин для решения актуальных проблем энергосбережения.
Пояснительная записка содержит 147 страниц, 52 рисунка, 30 таблиц и 82 использованных источника и литературы.
Исходные данные: Конструкция струйно-реактивной турбины выполнена с использованием технических решений, нацеленных на эффективное использование энергии сжатого газа. Мощность турбины – 100 кВт. Частота вращения ротора турбины – 14590 об/мин. Давление газа на входе в турбину – 5,5 МПа. Давление газа на выходе турбины – 0,6 МПа.
Турбодетандеры — лопаточные машины непрерывногодействия, в которых поток проходит через неподвижныенаправляющие каналы (сопла), преобразующие часть потенциальной энергии газа в кинетическую, и системувращающихся лопаточных каналов ротора, где энергияпотока преобразуется в механическую работу, в результате чего происходит охлаждение газа. Они делятся понаправлению движения потока на центростремительные,центробежные и осевые; по степени расширения газа всоплах—на активные и реактивные; по числу ступенейрасширения—на одно- и многоступенчатые. Торможение турбодетандеров может осуществляться электрогенератором, гидротормозом, нагнетателем, насосом[6].Однако следует отметить, что при этом часть этой энергии должна быть затрачена на подогрев газа. Газ должен быть подогрет для предотвращения выпадения из него газогидратов в лопастных каналах турбины, приводящего к снижению ее надежности.
Содержание:
ВВЕДЕНИЕ
ГЛАВА 1. ОБЗОР НАУЧНО ТЕХНИЧЕСКОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
1.1 Основные сведения о турбодетандерах
1.2 Струйно-реактивный турбодетандер
1.3 Теория истечения газов
1.4 Патентный поиск
1.5 Выводы к главе 1
ГЛАВА 2. ТЕХНИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ РАЗРАБАТАННОЙ МОДЕЛИ АГРЕГАТА
2.1 Описание конструкции и принцип действия разработанного агрегата
2.2 Особенности и конструктивное исполнение деталей конструкции
2.3 Технологическая схема сборки и разборки агрегата
2.4 Выводы к главе 2
ГЛАВА 3. РАСЧЕТНАЯ ЧАСТЬ ОСНОВНЫХ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ДЕТАНДЕРА
3.1 Разработка математической модели и расчет параметров турбодетандера
3.2 Расчет 3D элементов конструкции в среде SolidWorks Flow Simulation
3.3 Расчет посадки струйно-реактивной турбины на вал в среде Mathcad
3.4 Расчет шпоночного соединения турбины на прочность
3.5 Статический расчет струйно-реактивной турбины на прочность
3.6 Выводы к главе 3
ГЛАВА 4. БЕЗОПАСНОСТЬ И ЭКОЛОГИЧНОСТЬ ПРОЕКТА
ГЛАВА 5. ЭКОНОМИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ ПРОЕКТА
ВЫВОДЫ
ИСТОЧНИКИ ИФОРМАЦИИ
ПРИЛОЖЕНИЕ А. РЕЗУЛЬТАТЫ КОМПЬЮТЕРНОГО 3D МОДЕЛИРОВАНИЯ
ПРИЛОЖЕНИЕ Б. КОНСТРУКТОРСКАЯ ДОКУМЕНТАЦИЯ
Презентация на тему: " ЛЕКЦИЯ 5 Расширение газа с совершением работы. Детандеры и их использование. Ожижитель воздуха Клода. Турбодетандер Капицы. Получение жидкого кислорода." — Транскрипт:
1 ЛЕКЦИЯ 5 Расширение газа с совершением работы. Детандеры и их использование. Ожижитель воздуха Клода. Турбодетандер Капицы. Получение жидкого кислорода. Ожижение водорода и гелия. Гелиевые ожижители Симона и Капицы. Методы ожижения газов и конструкции ожижителей II Практическая реализация методов ожижения
2 Расширение газа с совершением работы При дросселировании газа (эффект Джоуля-Томсона) охлаждение достигается за счет внутренней работы, которую совершает газ против сил притяжения молекул. Рассмотрим процесс, в котором газ совершает работу против внешних сил (например, толкая поршень). При таком процессе также происходит охлаждение. Согласно первому началу термодинамики dQ = dU + dA = dU + PdV При адиабатическом расширении (dQ = 0) dU = C P T = - Pdv Это означает, что газ, расширяясь и выполняя при этом работу, уменьшает свою внутреннюю энергию, а, следовательно, и температуру. Этот вывод в одинаковой мере относится к идеальным и реальным газам. Причиной охлаждения газа при совершении им внешней работы является уменьшение скорости молекул при их ударах о поршень, которому они передают часть своей кинетической энергии.
3 Расширение газа с совершением работы С термодинамической точки зрения суть работы холодильной машины, которая использует адиабатическое расширение газов, хорошо видна на диаграмме зависимости энтропии S от температуры T. P 2 > P 1 Кривые передают особенности энтропии как меры беспорядка: беспорядок и энтропия тем больше, чем выше температура, и тем меньше, чем выше давление. 1. Изотермическое сжатие газа в компрессоре (теплота сжатия отводится в теплообменнике) P 2 > P 1 Т 1 = const 2. Адиабатическое расширение S = const Рост энтропии, вызванный расширением, как бы компенсируется уменьшением ее за счет охлаждения. Устройство, в котором происходит адиабатическое расширение газа, называется детандером. Отбор теплоты сжатия
4 Ожижитель воздуха Клода Первое применение детандеров – 1902 г. машина Клода (Франция) для ожижения воздуха. Расширение в детандере часто служит лишь для предварительного охлаждения сжимаемого газа до возможно более низкой температуры (ниже критической). Само же охлаждение осуществляется с помощью дросселирования уже охлажденного газа. 1. Воздух сжимается (теплота сжатия отводится водой) Р 1 = 1 ат, Р 2 = 40 ат. 2. Сжатый воздух проходит через т/о Е 1 и разделяется на два потока ~ 80% идет в детандер и ~20% в следующий т/о Е Из детандера охлажденный газ возвращается в т/о Е 2, охлаждая встречную порцию газа. 4. Охлажденный в т/о Е 3 газ с помощью дросселя сжижается в сборник. Использование адиабатического расширения газа в детандере позволяет отказаться от предварительного охлаждения водородом в гелиевых ожижителях. Это сильно улучшает безопасность процесса. Детандеры бывают - поршневые (Клод) - турбинные (Капица)
5 Ожижитель воздуха Клода C – компрессор А – холодильник В – осушитель Е – главный теплообменник L – конденсатор F – 2- ступенчатый детандер D - сборник 1 - компрессор 2 - детандер 3 - дроссель 4 - сборник Е1, Е2, Е3 - теплообменники
6 Турбодетандер Капицы В 1938 г. Капица предложил использовать в качестве детандера турбину. Для работы с поршневым детандером необходимы давления 200 атм, с турбодетандером – 6 атм. В турбодетандере имеются расположенный по периферии неподвижный направляющий аппарат и помещенное внутри него вращающееся рабочее колесо. В направляющем аппарате по окружности расположены сопла, расширяясь в которых поток рабочего вещества разгоняется и приобретает определенную скорость. Давление газа снижается с P1 до Рm. Капица изменил конструкцию – в его детандере воздух расширяется не только в соплах, но и на лопатках. К.п.д. повысился с 0,5 до 0,8. Попадая на лопатки рабочего колеса, газ вращает его, отдавая энергию и охлаждаясь. При этом его давление снижается c Pm до P2. Отработавший газ выпускается через патрубок, расположенный в центре колеса. Схема движения потоков газа и распределения давления в активном (а) и активно- реактивном (б) турбодетандерах. 1 - направляющий аппарат; 2 - рабочее колесо.
7 Получение жидкого кислорода Воздух сжимается в турбокомпрессоре до 6 бар и далее охлаждается в теплообменнике- регенераторе и ожижителе, после чего часть воздуха направляется на разгонку в ректификационный аппарат для получения концентрированного кислорода. Оставшаяся часть сжатого воздуха поступает на расширение в турбодетандере Капицы до 1,3 бар, где охлаждается и идет в обратном направлении в ожижитель и теплообменник-регенератор для охлаждения поступающего сжатого воздуха. Разгонка жидкого воздуха ведется при давлении 1,3 бар. Концентрированный кислород сливается из нижней части ректификационного аппарата
9 ВОДОРОДНЫЙ ОЖИЖИТЕЛЬ ДЬЮАРА 1 – сжатый водород; 2 – вход газообразного водорода; 3 – управление дросселем; 4 – выход газообразного водорода; 5 – жидкий водород; 6 – дроссель; 7 – жидкий воздух; Т кип ~ 90 K 8 – углекислота. Т кип ~ 195 K
10 Дроссельные ожижители водорода и гелия H 2 T i = 204K T k = 33.2K P k = 13 атм 4 He T i ~ 40K T k = 5.21K P k = 2.26 атм
11 Гелиевый ожижитель Симона 1. Гелий под давлением около 150 атм подается в сосуд А, который охлаждается сначала жидким азотом (5), а затем жидким водородом, заливаемым в резервуар В. (6) – вакуумная рубашка; (1) – откачка рубашки. 2. Давление водорода понижают путем его откачки (2). Температуры в сосудах А и В уменьшаются до ~10 К. При этой температуре водород находится в твердом состоянии, а его давление паров равно 1,7 мм рт. ст. При этом для установления теплового равновесия между твердым водородом и сосудом В требуется достаточно большое время. 3. Закрывают вентиль V1 и прекращают дальнейшую подачу теплого гелия. В сосуде В достигается минимальная температура. 4. Открывают вентиль V2, давая выход сжатому гелию. Когда давление в сосуде А снижается до атмосферного, он оказывается почти целиком заполненным жидким гелием. Ожижение гелия совершается за счет изоэнтропического расширения оставшегося в сосуде А гелия, который совершает работу по выталкиванию остальной части гелия также, как если бы он совершал работу по толканию поршня. Отсутствие значительного трения делает процесс близким к изоэнтропическому.
12 Гелиевый ожижитель Капицы 1 – поршневой компрессор 2, 4, 6, 7 – теплообменники 3 – ванна с жидким азотом 5 – поршневой детандер 8 - дроссель 9 – сборник жидкого гелия 10 – клапан слива гелия В 1934 г. П. Л. Капица предложил и практически осуществил гелиевый ожижитель без жидкого водорода. Предварительное охлаждение осуществляется в расширительной машине – поршневом детандере. Это сделало конструкцию более безопасной. Наибольшие трудности были связаны с созданием детандера, поршень которого должен перемещаться в цилиндре при низкой температуре (около 15 К) без трения и без больших утечек расширяемого газа. Смазки применять было нельзя. Было использовано щелевое уплотнение поршня (малый зазор между поршнем и цилиндром).
13 Турбодетандер Капицы В турбодетандере, как и во всех центростремительных турбинах (и паровых, и водяных), имеются расположенный по периферии неподвижный направляющий аппарат и помещенное внутри него вращающееся рабочее колесо. В направляющем аппарате по окружности расположены сопла, расширяясь в которых поток рабочего тела разгоняется и приобретает определенную скорость. Попадая на лопатки колеса, рабочее тело вращает его, отдавая энергию и охлаждаясь. Отработавшее рабочее тело выпускается через патрубок, расположенный в центре колеса. В направляющем аппарате давление газа снижается с P1 до Рm, и газ приобретает определенную скорость. Попадая на лопатки рабочего колеса, газ вращает его, отдавая энергию; при этом его давление снижается c Pm до P2 В активном турбодетандере практически весь перепад давлений срабатывается в соплах направляющего аппарата, где газ разгоняется до скорости звука. Струи газа на коротких лопатках рабочего колеса меняют направление, и кинетическая энергия газа преобразуется в работу. В активно-реактивном турбодетандере газ разгоняется в направляющем аппарате до значительно меньшей скорости, чем в активном, а работа совершается не только в результате изменения направления потока газа, но и под действием реакции струи в длинных каналах рабочего колеса (в). Поэтому основные потери - гидравлические, связанные со скоростью газа, в активно- реактивном турбодетандере на 25-30% меньше, чем в активном.
Читайте также: