книги из ГПНТБ / Зайдель Р.Р. Турбодетандеры кислородных установок

ТУРБОДЕТАНДЕРЫ

КИСЛОРОДНЫХ

УСТАНОВОК

МАШГИЗ

ГОСУДАРСТВЕННОЕ НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКОЕ ИЗДАТЕЛЬСТВО

МАШИНОСТРОИТЕЛЬНРЙ ЛИТЕРАТУРЫ

Москва 1960

ГОС. ПУБЛИЧНАЯ НАУЧМ-ТЕХиИЧЕСИАЯ

ЭИбЛИОТВКА ОООА .

В книге излагаются теория, расчет и методы кон­ струирования турбодетандеров — расширительных ма­ шин, применяемых для расширения газов в кислород­ ных установках. Методы расчета поясняются подроб­ ными примерами. Специальная глава посвящена опи­ санию конструкций турбодетандеров, применяемых в промышленности.

Книга предназначена для инженерно-технических работников конструкторских бюро, проектных органи­ заций и заводов, занимающихся конструированием и эксплуатацией турбодетандеров.

Книга может быть также полезной для студентов техникумов и втузов при изучении технологии глубо­ кого охлаждения.

Все замечания по книге, просьба направлять по ад­ ресу: Москва Б-66, 1-ый Басманный пер. д. 3, Машгиз.

Рецензент доц. К. С. Буткевич

Редактор инж. В. В. Быстрицкая

Редакция общетехнической литературы

Зав. редакцией инж. А. П. КОЗЛОВ

ОСНОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

ГЛАВА I

ВВОДНЫЕ понятия

§ 1. НАЗНАЧЕНИЕ И ОБЛАСТЬ РАБОТЫ ТУРБОДЕТАНДЕРОВ

Промышленный способ разделения воздуха на кислород, азот и другие компоненты состоит из трех основных процессов: сжи­

жения воздуха, разделения способом ректификации, рекупера­

ции холода той части продуктов разделения, которая выводится

из воздухоразделительной установки в газообразном виде.

Поскольку воздух является смесью низкокипящих газов и

разделение способом ректификации требует их предваритель­ ного сжижения, то процессы в воздухоразделительной установке

всегда протекают при температурах более низких, чем темпера­

тура окружающей среды. Наиболее низкая из температур, имею­

щих место в воздухоразделительной установке, соответствует,

примерно, температуре сжижения азота при атмосферном дав­

лении —196°.

Вследствие конечной поверхности теплообменной аппарату­

ры, холод продуктов разделения не может быть полностью пе­

редан воздуху, вступающему в установку на разделение. Кроме

того, неизбежны также потери холода в окружающую среду. Поэтому для нормальной работы воздухоразделительная уста­

новка должна иметь непрерывный, количественно определен­ ный, приток холода.

. Количество холода, необходимого для поддержания нормаль­ ной работы установки, как это следует из закона сохранения энергии, не зависит от характера процессов, протекающих вну­

три воздухоразделительной установки, а определяется лишь ее внешним тепловым балансом. Численно количество1 необходи­

мого холода равно разности между теплосодержанием (энталь­

пией) массы воздуха, вступающей в установку, и теплосодер­ жанием продуктов, выводимых из установки, плюс потери в ок­ ружающую среду.

Ввоздухоразделительных установках, вырабатывающих

лишь газообразные продукты, это количество составляет 2—

3 ккал на 1 кг перерабатываемого воздуха. Конечно, оно мно­ гим выше в том случае, когда продукты или их часть выводятся

5

из установки в жидком виде, поскольку теплосодержание сжи­ женного' газа меньше его теплосодержания при окружающей температуре на величину теплоты перегрева и теплоту конден­

сации,

В установках для разделения воздуха необходимый холод

получают путем расширения низкокипящих сжатых газов. Боль­ шей частью для этого применяют воздух или азот.

Наиболее просто можно получить холод, на основе эффекта

Джоуля-Томсона путем расширения сжатого газа в дроссельном

вентиле. Однако значительно большее охлаждение можно полу­

чить расширением сжатого газа в расширительной машине — детандере поршневого или турбинного типа, с одновременным

производством внешней работы.

Лишь в маломощных установках для получения газообраз­

ного кислорода, в целях максимального упрощения, весь холод

получают на основе эффекта Джоуля-Томсона, несмотря на его малую экономичность.

В крупных установках по выработке газообразного кисло­

рода подавляющую часть холода получают расширением газа в детандере.

Количество холода, получаемого при расширении газа 'в де­ тандере, измеряется разностью его теплосодержаний до и по­

сле расширения. Само собой разумеется, что детандер во избе­ жание теплопритока из окружающей среды должен быть воз­ можно лучше изолирован, поскольку теплоприток означает по­

терю холода.

Из закона сохранения энергии следует, что при отсутствии теплообмена с внешней средой (идеальная теплоизоляция) па­ дение теплосодержания (теплоперепад) /г расширяемого в де­ тандере газа эквивалентно количеству внешней работы L-.

h = (i.o — iK) = AL,

где 4 — теплосодержание газа в начальном состоянии, опреде­ ляемое его начальным давлением ро и начальной темпе­ ратурой То;

ik—теплосодержание газа в конечном состоянии. Очевидно, что при отсутствии теплообмена с внешней сре­

дой наибольшее количество внешней работы Lo, а следователь­ но, и наибольшее возможное падение теплосодержания h0 газа

в детандере можно получить тогда, когда процессы в нем про­

заданного противодавления рг-

6

теплообмена с внешней средой величина г] характеризует также

степень превращения располагаемой удельной энергии в работу

на валу.

Тип детандера зависит от параметров расширяемого в нем

потока, т. е. от весового секундного расхода G газа, его началь­

ного давления р0, начальной температуры То, противодавле­

ния р2, а следовательно и степени понижения давления ъ = ро1Рг,

и объемного расхода Gv. В свою очередь параметры потока за­

висят в основном от давления холодильного цикла.

Втехнике глубокого холода применяются холодильные циклы

сразличным начальным давлением расширяемого в детандере

газа: от 200 до 6 ат [25], [26]. Для холодильного цикла высокого

давления характерны высокие начальные давления ро, большие степени понижения давления, сравнительно высокие начальные температуры на входе То и малые удельные объемы и объемные

расходы расширяемого газа. По мере уменьшения начального

давления цикла степень понижения давления и начальная тем­ пература уменьшаются, а объемный расход повышается.

В том случае, когда начальное давление высокое, удельный объем и объемный расход газа малы, а начальная температура

не очень низкая, притом такая, что во время расширения газ

не достигает области насыщения, детандер выполняется в виде

поршневой машины.

Когда же начальное давление умеренное или низкое, удель­

ный объем и объемный расход велики, а начальная температура низкая, или во время расширения охлаждаемый газ достигает

состояния насыщения или даже частично конденсируется, при­

менение поршневых машин из-за целого ряда обстоятельств

становится невозможным.

■Прежде всего, в поршневой машине газ подается и уда­ ляется периодически. Кроме того, для передачи движения на

вал требуется включение промежуточной передачи для преобра­

зования поступательно-колебательного движения поршня в рав­

номерно вращательное движение вала. Из-за инерционных уси­ лий, возникающих в передаче, средняя скорость движения порш-

8