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.