Им. И. М. Губкина унц "газохимия" иох им. Н. Д. Зелинского ран ргу нефти и газа им. И. М. Губкина

Рис.35. Схемы дроссельного (а) и детандерного (б) расширения сжатого газа
К - компрессор, Д – дроссель, Д-Р — детандер-расширитель, Т-О – теплообменник

Холодопроизводительность дроссельного цикла равна раз­ности энтальпии газа до и после изотермического сжатия в компрессоре, т.е. работе сжатия в компрессоре в тепловых единицах.

Процесс расширения газа с отдачей внешней работы осуще­ствляется в специальных машинах-детандерах. Название детандер происходит от французского слова detendre - расши­рять сжатое. Теоретически этот процесс может быть полно­стью обратимым, т.е. протекать при постоянной энтропии. Схема детандерного расширения показана на рис. 35б. Газ засасывается компрессором К при давлении р₁ и темпе­ратуре Т₁, и изотермически сжимается до давления р₂. Сжатый газ расширяется в детандере до первоначального давления р₁. Теоретически расширение в детандере происходит при посто­янной энтропии, и газ должен охладиться при этом до темпе­ратуры Т₂. В действительности процесс в детандере несколько отклоняется от адиабатического. Расширительные машины делятся на два основных класса:
- машины статического (объемного) действия, в которых рас­ширение газа происходит в переменном объеме под воздейст­вием поршней с возвратно-поступательным или вращательным движением. В технике глубокого охлаждения из машин этого класса наибольшее распространение получили одноступенча­тые поршневые детандеры. Иногда используют ротационные или винтовые;
- поточные машины динамического действия, в которых рас­ширение газа происходит в результате его движения через системы неподвижных направляющих каналов и межлопаточ­ных каналов. Это турбодетандеры. Рабочей средой в детандерах является газ. Работа в турбо-детандерах создается в результате взаимодействия потока газа с кольцевыми лопаточными решетками, т.е. системами лопас­тей, расположенных вокруг оси вращения. Основное назначе­ние вращающихся лопаточных решеток состоит в изменении энергетического уровня рабочей среды, что достигается изме­нением момента количества движения протекающего газа. Воз­никающий при этом момент сил, действующий на лопатки вращающейся решетки, определяет передаваемую внешним телам работу, называемую технической.
Ступень турбодетандера образует два основных рабочих элемента - неподвижный направляющий аппарат (сопловый аппарат) и вращающееся рабочее колесо.
Рабочий процесс в ступени турбодетандера протекает сле­дующим образом: сжатый газ с небольшой скоростью подво­дится к направляющему аппарату, в котором скорость потока значительно увеличивается с соответствующим понижением давления и энтальпии, затем газ проходит по межлопаточным каналам рабочего колеса, передавая с помощью лопаток свою энергию на вал машины; расширенный и охлажденный газ выводится из машины и направляется к потребителю холода. Механическая энергия с вала машины тоже должна быть отве­дена.
Таким образом, направляющий аппарат служит для полно­го или частичного преобразования потенциальной энергии сжатого газа в кинетическую, а рабочее колесо - для преобра­зования энергии газа (в общем случае и потенциальной, и ки­нетической) в механическую работу, передаваемую внешним телам.
Итак, принцип действия турбодетандера заключается в осуществлении процесса расширения газа с совершением внешней работы путем полного или частичного преобразования энергии сжатого газа в кинетическую энергию в направляю­щем (сопловом) аппарате и последующего преобразования энергии газа в механическую работу во вращающемся рабочем колесе. Этот процесс сопровождается понижением энтальпии газа, т.е. получением холода и передачей внешнему потребите­лю механической энергии.
Каскадные холодильные циклы представляют собой после­довательно соединенные парокомпрессионные машины с раз­личными хладагентами, отличающимися по температурам ки­пения. Принцип взаимодействия последовательно соединенных парокомпрессионных холодильных машин заключается в том, что хладагент, сжижающийся при более высокой температуре, служит для конденсации паров труднее конденсируемого хла­дагента. Например, в стандартном каскадном холодильном цикле, предназначенном для сжижения природного газа, обыч­но применяют три ступени. На первой ступени в качестве хладагента используют пропан, фреон или аммиак, на вто­рой - этан или этилен, на третьей - метан или природный газ. Принципиальная схема каскадного холодильного цикла показана на рис.36.
Пары хладагента первой ступени, например пропана, кон­денсируются водой или воздухом и после расширения в дрос­сельном устройстве поступают в испаритель И-1 для конден­сации паров хладагента второй ступени, например этана. Сконденсированный хладагент второй ступени после дроссе­лирования поступает в И-2 на конденсацию хладагента треть­ей ступени, например природного газа. Несконденсировавший­ся газ из сепаратора С-1 поступает в теплообменник Т-2 для рекуперации холода, а затем в компрессор К-3 для сжатия.
Основное преимущество каскадных циклов - низкий расход энергии. Однако они требуют большое количество оборудова­ния и более сложное управление потоками.