КАТЕГОРИИ: Архитектура-(3434)Астрономия-(809)Биология-(7483)Биотехнологии-(1457)Военное дело-(14632)Высокие технологии-(1363)География-(913)Геология-(1438)Государство-(451)Демография-(1065)Дом-(47672)Журналистика и СМИ-(912)Изобретательство-(14524)Иностранные языки-(4268)Информатика-(17799)Искусство-(1338)История-(13644)Компьютеры-(11121)Косметика-(55)Кулинария-(373)Культура-(8427)Лингвистика-(374)Литература-(1642)Маркетинг-(23702)Математика-(16968)Машиностроение-(1700)Медицина-(12668)Менеджмент-(24684)Механика-(15423)Науковедение-(506)Образование-(11852)Охрана труда-(3308)Педагогика-(5571)Полиграфия-(1312)Политика-(7869)Право-(5454)Приборостроение-(1369)Программирование-(2801)Производство-(97182)Промышленность-(8706)Психология-(18388)Религия-(3217)Связь-(10668)Сельское хозяйство-(299)Социология-(6455)Спорт-(42831)Строительство-(4793)Торговля-(5050)Транспорт-(2929)Туризм-(1568)Физика-(3942)Философия-(17015)Финансы-(26596)Химия-(22929)Экология-(12095)Экономика-(9961)Электроника-(8441)Электротехника-(4623)Энергетика-(12629)Юриспруденция-(1492)Ядерная техника-(1748) |
Групповое занятие № 2. Расширение газов с отдачей внешней работы
Учебный вопрос № 1. Назначение и классификация детандеров
Слово "детандер" происходит от французского detendre, что значит уменьшать давление, и является общеупотребительным в нашей технической литературе. Процесс сжижения воздуха первым осуществил в 1902 году французский академик Ж.Клод при помощи сконструированного им детандера. В последние годы, наряду с этим термином, стало применяться название "расширительные машины''. Детандеры или расширительные машины предназначены для расширения газа с целью генерации холода в циклах низкотемпературных установок, для чего в этих машинах осуществляется преобразование энергии сжатого газа в работу, передаваемую тормозному устройству. Существует два больших класса детандерных машин: - газодинамические (или поточные); - объемные. В газодинамических машинах преобразование энергии сжатого газа в работу переходит через стадию преобразования энергии сжатого газа в кинетическую энергию потока. Газодинамические детандеры получили распространение под названием турбодетандеров. В объемных машинах энергия сжатого газа преобразуется в работу непосредственно за счет газовых сил давления. Наиболее распространенным типом объемных детандеров, нашедшим широкое применение в низкотемпературных установках, являются поршневые детандеры. Поршневые детандеры классифицируются: по роду рабочего тела (газа): воздушные; водородные; гелиевые и т.п.; по уровню давления на входе: детандеры высокого давления (ориентировочно Рвх> 10 МПа); детандеры среднего давления (1,5 ÷ 10 МПа); детандеры низкого давления (Рвх< 10 МПа). по способу газораспределения: классического типа (с клапанами впуска и выпуска);
прямоточные (с впускным клапаном и выпуском газа через окна в цилиндре или через специальный клапан); бесклапанные (газораспределение осуществляется движущимся поршнем); с золотниковым газораспределением; по общей структуре: расположенные вниз цилиндром, вверх цилиндром, горизонтально и др.; одноцилиндровые и однорядные, многоцилиндровые и многорядные; одинарного (простого) и двойного действия; по способам торможения: с электрогенератором; с фрикционными и гидравлическими тормозом; детандер-компрессоры; детандер-насосы и т.п.; по типу поршневого уплотнения: смазываемые; не смазываемые с кольцами; с манжетами; с газовой смазкой и др.
Учебный вопрос № 2. Общее устройство и рабочий процесс поршневых детандеров.
В установках разделения воздуха методом глубокого охлаждения для покрытия холодопотерь обычно используются холодильные циклы с применением детандеров. Рабочим телом в таких циклах является воздух или азот. Детандерная машина, работающая в холодильном цикле, является, как правило, наиболее ответственной частью цикла, от которой в значительной степени зависит его эффективность, надежность. Детандером называется машина, предназначенная для получения холода методом расширения газа с отдачей работы во внешнюю среду. Давление газа в детандере уменьшается, как и в дроссельном вентиле; принципиальное отличие детандера состоит в том, что достигается уменьшение энтальпии газа, сопровождающееся производством внешней работы, т.е. передачей энергии (механической, электрической и т.п.) внешним телам, т.е. окружающей среде. Поршневые детандеры применяются обычно в воздухоразделительных установках с холодильными циклами среднего и высокого давления при относительно небольших расходах газа и сравнительно больших перепадах энтальпий. Массовый расход газа находится в пределах от 0,01 до 2 кг/сек. Степень расширения или относительное противодавление Рк = Ркон / Рнач при этом превышает 0,03÷0,05, а удельный изоэнтропийный перепад - величина порядка 150 кдж/кг.
На воздухоразделительных установках транспортного типа нашли применение поршневые детандеры типа ДК-50, ДВД-7, ДВД-9, ДВД-11, ДВД-13. Основными узлами поршневых детандеров являются: станина-картер; кривошипно-шатунный механизм; цилиндр с головкой; поршень с крейцкопфом; впускной и выпускной клапаны; механизм газораспределения; механизм регулирования производительности; механизм предохранения от разноса детандера; система смазки; тормозной электродвигатель-генератор. Рабочий процесс в поршневом детандере обратен процессу сжатия воздуха в поршневом компрессоре и складывается из: впуска сжатого газа в цилиндр детандера; расширения газа в цилиндре; выпуска расширенного газа из цилиндра; поджатия оставшегося в цилиндре газа. Рабочий процесс производится с помощью рабочих органов детандера - цилиндровой группы (цилиндра и поршня) и органов распределения - клапанов. Движение клапанов строго согласовано с движением механизма, перемещающего поршень. Рабочий процесс поршневого детандера наглядно изображается графически индикаторной диаграммой в координатах Р-V. Различают три вида индикаторных диаграмм: - теоретическая; - расчетная; - действительная. Теоретическая индикаторная диаграмма изображает процесс "идеального детандера", т.е. воображаемой расширительной машины, работающей без потерь, при абсолютной плотности клапанов и поршневого уплотнения. Диаграмма позволяет установить понятие отсечки (момент окончания впуска) и связь между величиной площади диаграммы и холодопроизводительностью детандера. По точкам, соответствующим моментам открытия и закрытия каждого из клапанов (впускного и выпускного), строится фазовая диаграмма поршневого детандера. Каждый из четырех секторов диаграммы - впуск, расширение, выпуск и поджатие газа - соответствует определенным участкам рабочего процесса. Представление о механическом воздействии рабочей среды (детандируемого газа) с окружающей средой дает индикаторная диаграмма, отражающая зависимость давления газа в цилиндре от положения поршня или соответствующего объема:
где х - расстояние между положением поршня и верхней мертвой точкой (в.м.т); S - ход поршня; Vц - объем цилиндра; Vвр- объем вредного пространства машины, обычно составляет 3-4 % общего объема цилиндра. Диаграмма P-V удобна тем, что ее площадью измеряется механическая работа. Проследим рабочий процесс детандера по его теоретической индикаторной диаграмме, которая строится в предположении отсутствия теплопритока извне и ряда других факторов (рис. 1). При движении поршня отв.м.т. впускной клапан открыт (участок 1-2), газ поступает в цилиндр и давление
в цилиндре остается постоянным и равным давлению газа перед детандером. В точке 2, когда угол между кривошипом и осью машины достигает значения α2, происходит отсечка впуска. К этому моменту поршнем описан объем отсечки впуска Vотс и, следовательно, находящийся в цилиндре газ наполняет объем V2 = Vотс + Vвр; масса газа G2 = ρ2V2, где ρ - плотность газа. Процесс расширения (участок 2-3) сопровождается интенсивным охлаждением газа, количество которого в этом процессе неизменно (G2 = G3), поскольку предполагается полная герметичность поршневого уплотнения и клапанов. Давление газа в конце расширения Р3 обычно превышает величину противодавления Рк. Поэтому, когда в точке 3 (с некоторым опережением L3 по отношению к нижней мертвой точке (н.м.т.)) открывается выпускной клапан, происходит выхлоп (участок 3-4), также сопровождающийся охлаждением газа. К концу выхлопа поршень остается в районе н.м.т., так как процесс выхлопа протекает достаточно быстро; в цилиндре остается G4 = ρ4V4 кг газа (термодинамические параметры газа в точке 4 могут быть определены из условии Р4 = Рк и S4 = S3). При движении поршня из положения н.м.т. вверх газ выталкивается из цилиндра через выпускной клапан, который продолжает оставаться открытым (участок 4-5). Таким образом, период выпуска газа из цилиндра детандера состоит из двух участков: выхлопа (участок 3-4) и выталкивания (участок 4-5). В течение полного периода выпуска из цилиндра удаляется газ в количестве G = G3 – G5.
После того, как выпускной клапан закрывается (точка 5), оставшийся в цилиндре газ (в количестве G5 = ρ5V5) сжимается поршнем, который продолжает двигаться к в.м.т. Этой фазе процесса (поджатию) соответствует участок 5-6. При нормальной работе машины давление газа в конце поджатия Р6 ≤ Рн. В точке 6 (с опережением α6 по отношению кв.м.т.) открывается впускной клапан, газ в цилиндре занимает в этот момент объем V6 ≈ Vвр. На первой стадии впуска при заполнении вредного объема (участок 6-1), объем V = const = Vвр. Давление газа в цилиндре достигает величины Р1 = Рн, количество газа увеличивается с G6 до величины G1 = ρ1Vвр, а температура растет и может намного превысить значение начальной температуры газа (Т1>Тм). Вторая часть впуска - наполнение рабочего объема цилиндра сжатым газом (участок 1-2) - сопровождается смешением его с газом массой G1 при Р = const и, как указывалось выше, идет до момента отсечки, т.е. до закрытия впускного клапана (точка 2), после чего следует расширение газа (участок 2-3) и т.д. Клапаны детандера открываются принудительно от кулачков распределительного вала, а закрываются под действием спиральных пружин. Профиль кулачков рассчитан таким образом, чтобы опережение впуска α6 составляло 1÷1,2 %, опережение выпуска α3 было равно 2÷3,5% и сжатие α5 достигало 3÷6 % хода поршня. Ход отсечки α2 устанавливается в зависимости от давления воздуха перед детандером и составляет от 17 до 50 % хода поршня. На практике принимают следующие углы (в градусах): угол отсечки впускного клапана α2 = 30÷50; угол предварения выпуска α3 = 0÷10; угол закрытия выпускного клапана α5 = 15÷30; угол опережения впуска α6 = 0÷10. Наиболее важным является угол отсечки α2, так как от его величины зависит холодопроизводительность детандера и расход газа через детандер.
Дата добавления: 2014-01-04; Просмотров: 779; Нарушение авторских прав?; Мы поможем в написании вашей работы! Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет |