10.4 Машины для разделительных установок
В кислородном цеху используются компрессоры воздушные давлением сжатия 6–30атм – поршневые до 120 м3/мин или центробежные (свыше 120 м3/мин). Применяют комбинированную схему: до 6-8атм воздух сжимают центробежными компрессорами, а выше – поршневыми. Воздушные компрессоры обычного исполнения не требуют применения специальных материалов.
Для реализации холодильного цикла применяют расширительные машины – детандеры поршневые (ПД) и турбинные (ТД).
Поршневые детандеры – при степени расширения до 200 и производительности до 50 м3/мин.
Турбодетандеры - степень расширения до 30, производительность свыше 50 м3/мин.
Рассмотрим рабочий процесс расширения в поршневом детандере, который обратен процессу сжатия в поршневом компрессоре и происходит с выработкой полезной работы (рис. 10.3).
.
Рисунок 10.3 - Рабочий процесс в поршневом детандере:
Е – впуск (начало);
ЕАБ – впуск полный ;
Б – точка закрытия впускного клапана;
БВГ – расширение;
В – открытие выпускного клапана;
ГД – выталкивание газа;
Д – выпускной клапан закрывается;
ДЕ – сжатие остатков газа
Клапаны открываются и закрываются принудительно от кулачкового механизма с пружинами.
КПД поршневого детандера – 70-80%.
Конструкция ПД во многом сходна с ПК: коленвал, шатуны, поршни, клапаны, система смазки.
Турбодетандеры имеют преимущества:
1) отсутствие трущихся элементов;
2) возможность полного расширения в рабочем колесе до заданного противодавления;
3) отсутствие клапанов;
4) возможность работы при низких температурах и давлениях;
5) непрерывность действия;
6) малые холодопотери.
ТД низкого давления работают обычно при параметрах:
Рвх=5 атм ; tвх=-135-150 оС;
Рк=0,3-0,4 атм ; tк=-175-180 оС;
т.е. конечная температура близка к точке конденсации воздуха (-192 оС) при нормальном давлении.
Если воздух находится при критическом давлении Ркр=37,2 атм, то он начинает сжижаться раньше, уже при 141оС.
Иногда применяются ТД среднего (Рвх=30-60 атм) и ТД высокого давления (Рвх=60–200 атм). ТД НД и СД- одноступенчатые, ТД ВД- 2 ступенчатые.
Первые турбодетандеры применены в 1932 г.
ТД бывают активного и реактивного типов:
активные – весь перепад давления срабатывается в сопловом аппарате, а в рабочем колесе кинетическая энергия преобразуется в работу;
реактивные – часть перепада давления преобразуется и в рабочем колесе.
В активных ТД требуются очень большие скорости истечения газов, что требует очень высоких оборотов. В таких ТД велики потери на трение рабочего колеса (р.к.) о воздух, на преодоление центробежных сил, на удар при входе струй в межлопаточные каналы р.к. Их КПД всего 50-70%.
Регулирование - парциальное - перекрытием части сопел.
В реактивных ТД только часть энергии сжатого газа передается р.к. в виде скоростного напора, а остальная часть в виде реакции струй газа, расширяющегося в каналах р.к.
Степень реактивности - отношение теплового перепада на р.к. к общему перепаду, срабатываемому в ТД. Оптимальной величиной считается ρ = 0,4-0,5.
В реактивном ТД уровни скоростей меньше и поэтому потери энергии меньше, меньшие и потери на протечку. КПД таких ТД достигает 0,75-0,85.
Конструкция ТД реактивного типа предложена Капицей П.Л. в 1939 г.
Регулируют реактивные ТД поворотом сопловых лопаток.
Частота вращения ТД от 6 до 60 000 об/мин. Редуктор снижает частоту до 3000 об/мин для привода электрогенератора (рис. 10.5). Мощность ТД от 30 до 600 кВт. При небольшой мощности применяют масляной тормоз для поглощения вырабатываемого крутящего момента.
Система автоматики предохраняет ТД от разноса в случае падения нагрузки.
В цеху компрессии устанавливают также кислородные компрессоры. Они служат для сжатия и подачи кислорода:
– непосредственно на дутье в печи (35 атм);
– на наполнение баллонов (150-165 атм);
К кислородным компрессорам предъявляются особые требования, что связано с повышенной опасностью возгорания кислорода в контакте с маслом и др. горючими веществами. Эта вероятность тем больше, чем выше параметры кислорода.
Отсюда вытекают требования к конструкции компрессоров:
– нельзя допускать контакта масла с кислородом;
– нельзя применять алюминий и его сплавы;
– строгие меры по обезжириванию деталей.
Применяются поршневые и центробежные компрессоры.
Поршневые компрессоры (ПК). Типичная конструкция ПК – вертикальный 4 ступенчатый (рис. 10.6). В общем он похож на обычный воздушный, но имеет ряд отличий.
Поршни уплотняются фибровыми манжетами, а для смазки применяют дистиллированную воду. Применяются также и бронзовые кольца, смазываемые водно-мыльной эмульсией и поршневые кольца из графита, не требующие смазки.
Рисунок 10.6 – Схема конструкции поршневого
кислородного компрессора:
1, 2, 3 и 4 – цилиндры I, II, III и IV ступеней; 5 - коробка клапанов; 6 – сальники; 7 – разделительный фонарь;
8 – буферные коробки; 9 – шток; 10 – картер; 11 – коленвал
Между станиной (картером) и цилиндрами устанавливают разделительный фонарь, в котором находятся буферные коробки с маслосъемными сальниками. Кривошипно-шатунный механизм смазывается маслом. Части ПК, соприкасающиеся с кислородом, особенно влажным, изготавливаются из латуни, бронзы, нержавеющей стали во избежание быстрой коррозии. Поршни и цилиндры отливают из прочного чугуна. Трубки для холодильников применяются медные, трубные решетки- латунные. Для уплотнения сальников – бронзовые кольца с баббитом, кожаные манжеты, графитовые и фторопластовые кольца.
Кислородные центробежные турбокомпрессоры (КТК) также имеют конструктивные особенности.
Главнейшей задачей здесь является не допустить утечки О2 из корпуса компрессора во вне, а также попадания масла из подшипников вовнутрь. Это достигается установкой, так называемого буферного уплотнения с подачей в него азота, как нейтрального газа под избыточным давлением (рис. 10.7).
Уплотнительные лабиринтные втулки должны быть изготовлены из непарящего и негорючего материала (латунь, бронза), хорошо отводящего тепло из зоны возможного контакта с валом. Электродвигатель и система автоматики должны быть выполнены во взрывобезопасном исполнении.