книги из ГПНТБ / Зайдель Р.Р. Турбодетандеры кислородных установок
.pdfР. Р. ЗАЙДЕЛЬ |
ЧИТ. ЗАЛ |
|
ГПНТБ СОС |
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
ПРЕДИСЛОВИЕ
В крупных кислородных установках процесс расширения в'
холодильном цикле осуществляется в основном в специальных
расширительных машинах — детандерах.
При неизменных значениях коэффициента полезного дейст
вия компрессора и детандера эффективность холодильного цикла возрастает с увеличением начального давления, поэтому
расход энергии при высоком давлении меньше.
Однако при высоком давлении компрессор и детандер могут быть выполнены эффективными лишь в виде поршневых ма
шин. Это накладывает определенные ограничения на мощность
кислородной установки. Между тем промышленность предъяв ляет спрос на большие количества кислорода, измеряемые де сятками и сотнями тысяч кубометров в час. Поэтому, естест
венно, изыскиваются пути для повышения экономичности холо дильного цикла при умеренных и низких давлениях, так как
в этом случае сжатие и расширение можно производить в тур-
бомашинах, а теплообмен в регенераторах, т. е. в машинах и
аппаратах, которые могут быть осуществлены для больших
расходов. Для повышения экономичности холодильного цикла
низкого давления в первую очередь нужно повысить к. п. д. тур
бодетандеров. Путь для этого был указан академиком П. Л. Ка
пицей, предложившим конструировать турбодетандеры по типу радиальных гидротурбин [2]. Им же был построен первый обра
зец такого турбодетандера и осуществлено сжижение воздуха
при давлении цикла всего в 6 ата [7].
В настоящее время для турбодетандеров принят одноступен чатый вариант, по типу тихоходных центростремительных гид
ротурбин. Хотя метод расчета и конструирования последних хорошо известен, однако для турбодетандеров он неприемлем,
поскольку расширяемый в турбодетандерах воздух, несмотря на очень низкую температуру и высокую плотность, все же яв
ляется газом, и поэтому при данной степени понижения давле
ния он на единицу веса обладает несравненно большей энергией, чем вода, и кроме того расходы через турбодетандеры многим меньше, чем в гидротурбинах. Эти особенности накладывают определенный отпечаток на конструкцию турбодетандера и тре буют определенных способов расчета и конструирования.
Несмотря на кажущуюся простоту, работа турбодетандера зависит от ряда незначительных, на первый взгляд, моментов,,
пренебрежение которыми может привести к малой величине его к. п. д., а следовательно, и кислородной установки в целом.
Предлагаемая вниманию читателей работа представляет
собой попытку изложения основ теории расчета, конструировав
ния и эксплуатации этого нового типа машин.
ОСНОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ
А — термический эквивалент |
ра |
||||
боты. |
|
|
|
|
ра |
£>! — периферический диаметр |
|||||
бочего |
колеса. |
|
выход |
||
JD2 — диаметр |
окружности |
||||
ных кромок лопастей ко |
|||||
леса. |
|
выходной |
воронки |
||
De — диаметр |
|||||
рабочего |
колеса. |
|
|
|
|
Ол — средний |
диаметр кольцевых |
||||
щелей лабиринтового уплот |
|||||
нения. |
|
выходных |
|
кромок |
|
Dc — диаметр |
|
||||
лопаток соплового |
аппарата. |
||||
G — расход |
газа. |
|
|
|
|
Gy — утечка |
газа через |
лабирин |
|||
товые |
уплотнения. |
удельная |
|||
Z-o — располагаемая |
|||||
энергия. |
работа |
на |
лопа |
||
Ьл — удельная |
|||||
стях. |
|
дискового |
трения. |
||
Ng — мощность |
Й—■ газовая постоянная.
Т— абсолютная температура га
за.
с — абсолютная скорость. |
|
||||
Со — располагаемая |
скорость. |
|
|||
Ло — располагаемый |
|
удельный |
|||
|
теплоперепад. |
теплоперепад |
|||
Л01 — изоэнтропный |
|||||
|
в сопловом аппарате. |
|
|||
Лоз — изоэнтропный |
теплоперепад |
||||
|
в рабочем колесе. |
|
|||
i |
— теплосодержание |
(энталь |
|||
|
пия) . |
|
|
|
|
k — показатель адиабаты. |
|
||||
1С — длина |
выходной |
кромки |
ло |
||
/, |
патки |
сопла. |
|
кромки |
ло |
— длина |
входной |
|
|||
|
пасти |
колеса. |
|
|
ло |
12 |
— длина |
выходной |
кромки |
||
|
пасти |
колеса. |
в минуту. |
||
п — число |
оборотов |
р— абсолютное давление газа.
Яв — удельная потеря энергии с выходной скоростью.
Як — удельная |
потеря |
энергии |
в |
каналах |
колеса. |
|
в |
Яс — удельная |
потеря |
энергии |
|
соплах. |
потеря |
от диско |
|
Яд—удельная |
вого трения.
Яу —■ удельная потеря энергии от утечки.
s—длина щелевого зазора в ла
|
биринтовом |
уплотнении. |
|
||||
и — окружная |
скорость. |
|
|
||||
v — удельный |
объем газа. |
|
|||||
w — относительная |
скорость. |
|
|||||
х, х0 — коэффициенты |
окружной |
||||||
|
скорости. |
|
|
в лабиринто |
|||
z — число |
гребней |
||||||
|
вом уплотнении. |
|
|
||||
гл — число лопастей рабочего |
ко |
||||||
|
леса. |
сопел |
|
соплового |
ап |
||
zc — число |
|
||||||
<i* |
парата. |
|
|
|
скорости |
||
— угол |
абсолютной |
||||||
аа |
входа |
в |
колесо. |
скорости |
|||
— угол |
абсолютной |
||||||
|
выхода из |
колеса. |
|
|
|||
! — угол относительной |
скорости |
||||||
|
входа |
в колесо. |
|
|
|||
2 — угол относительной скорости |
|||||||
|
выхода из |
колеса. |
|
|
|||
7 — удельный |
вес |
газа. |
|
|
г— степень понижения давле ния расширяемого в турбо
детандере |
газа. |
|
||
т] — к. |
п. |
д. турбодетандера. |
||
т(лч — к. |
п. |
д. |
проточной части |
|
турбодетандера. |
радиаль |
|||
р —■ обратная |
степень |
|||
ности. |
|
|
|
|
■V — кинематический |
коэффици |
ент вязкости.
—относительная потеря . энер гии в соплах.
—относительная потеря энер гии в каналах колеса.
—относительная потеря энер гии с выходной скоростью.
—относительная потеря энер гии от дискового трения.
—относительная потеря энер
гии от утечки.
р — степень реактивности.
т — коэффициент стеснения.
<р — скоростной коэффициент со пел.
ф— скоростной коэффициент ка налов колеса.
ш— угловая скорость.
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
текают без потерь |
(обратимо). |
В этом случае энтропия расши |
||
ряемого газа остается неизменной и поэтому |
(1) |
|||
где |
i’2t— |
Ао — (zfl |
lit}— AL0, |
|
теплосодержание, соответствующее состоянию при об |
||||
|
ратимом |
адиабатном |
(изоэнтропном) расширении до |
заданного противодавления рг-
6
- |
Величину |
Lo — |
называют |
располагаемой удельной энергией, |
|||||
а |
эквивалентную |
ей величину |
ho — |
располагаемым удельным |
|||||
теплоперепадом. |
|
i'2t |
|
h0. |
|
1) можно непосредственно |
|||
|
Пользуясь is-диаграммой |
(фиг. |
|||||||
определить величины i0, |
|
и |
|
|
|
|
В ри-диаграмме (фиг. 2) |
Фиг. 2. ри-диаграмма процесса изо- |
||||||||
|
энтропного |
расширения. |
|
|
|||||
располагаемая удельная энергия |
|||||||||
|
площадью диаграммы |
ABCD. |
|
|
|
А |
Lo |
||
изображается |
Здесь точка |
со |
|||||||
ответствует состоянию на входе в детандер. |
Очевидно |
|
|
|
|||||
|
|
|
Ро |
|
|
|
|
|
|
Для совершенного газа, |
Pi |
|
|
|
|
|
|
||
вводя уравнение состояния |
pv — RT |
||||||||
и изоэнтропы |
pvk — |
const, вычисляют интеграл |
и находят |
|
(2) |
||||
|
|
||||||||
|
|
k — 1 |
|
|
|
|
|
|
Этим выражением следует пользоваться только в тех пре
делах, в каких газ можно принять за совершенный. В осталь
ных случаях следует производить вычисления с помощью is-диаграммы на основе выражения (1).
В реальном детандере из-за ряда потерь (которые описаны
ниже), в том числе из-за внешнего теплопритока, расширение происходит с увеличением энтропии и поэтому понижение теп лосодержания расширяемого газа (фиг. 1) до теоретического
значения i'2( невозможно. Действительное теплосодержание на
выходе определяется точкой К, лежащей правее начальной точ
ки |
А. |
В результате теплосодержание |
iK |
в конце |
|
расширения |
|||||||||
газа всегда выше теоретического |
i'2t |
и конечная температура |
Tk |
||||||||||||
всегда выше теоретической |
T'2t . |
Поэтому и действительный теп- |
|||||||||||||
лоперепад h, |
всегда ниже, чем |
|
располагаемый |
|
h0, |
|
|
||||||||
|
|
h |
|
|
|
|
|
|
|
|
1г0. |
|
|
|
|
|
Поскольку количество полученного холода характеризуется |
||||||||||||||
величиной |
а максимально возможное величиной |
|
|
то за меру |
|||||||||||
совершенства детандера7]принимают отношение: |
|
|
|
|
|
||||||||||
|
|
|
= _L_ 4>-к.. |
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
*° |
|
|
z0 — 4 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Отношение 13 мы будем называть коэффициентом полезного |
||||||||||||||
действия (к. п. д.) детандера. |
Естественно, что |
при |
|
отсутствии |
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