Детандер

от Уикипедия, свободната енциклопедия
Направо към навигацията Направо към търсенето
Схемата на работа на бутален детандер
Турбо-охладител (вдясно) на климатичната система на бомбардировача Ту-95.

Detander (на френски: Détendre – отхлабвам, разхлабвам) е устройство, което преобразува потенциална енергия на несвиваем газ (на границата на парата) или пара в механична енергия, до оросяване, конденз, течност(понякога и скреж), но се използва основно за охлаждане а не за извършване на външна работа [1]. Всмукваната пара подпомага разширението и се охлажда/кондензира, улеснявайки и свиването. Използва се в производствения цикъл за получаване на втечнени газове като кислород, азот, водород и хелий. Най-разпространени са буталните детандери (всмукател-кондензер) и турбодетандерите.

Ефектът на Джаул-Томсън помага да се разбере прилагането на детандерите за втечняване на газове. При този ефект се детандира силно сгъстен реален газ, като възниква слабо увеличаване (за полож. Д-Т ефект) на прилаганата механична работа, за сметка на монотермична топлина. Ако при дадена работна температура, Д-Т коефициентът е отрицателен (отр. Д-Т ефект), то детандиране/дроселиране няма да може да втечни газа.[2]

За газ увеличението на работата е толкова малко, че е пренебрегвано във физиката, за разлика от слабия термичен ефект, който обаче е решаващ за упоменатото по-горе навлизане в паровото състояние на флуида. В паровия участък увеличаването на работата е много по-силно изразено и именно то е причина за втечняването на реалния газ и топлинната рекуперация, респективно – високата ефективност на детандера.[3]

Аналогично на Д-Т ефекта, съществуват вещества, чиито пари (и газове близо до пара) не се охлаждат (респ. втечняват) при „детандиране“ или дроселиране (адиаб. разширяване). Тези пари, наричани обосновано от група български учени „ламбда“ (поради формата на TS-диагрмата им), също могат да са полезни за енергийната ефективност – чрез термопомпите, постигат ефективността на помпата на Карно. Понятието „детандер“ за тях е нонсенс, тъй като те не създават двигателен момент, а поемат такъв. Някои от посочените вещества са забранени за използване фреони. Ефективните термопомпи с „ламбда“ пари са подходящи и за когенерация с парни машини (вкл. детандер), за по-добро усвояване на топлината от топлоизточника. [4]

Приложение[редактиране | редактиране на кода]

Турбодетандерът намира своето основно приложение в технологичните процеси за производство на течен водород, кислород, въздух (азот, кислород, аргон...) и други криогенни газове, както и втечнен природен газ. Освен това, днес турбодетандерите започват да намират приложение за използване на енергията на дроселиран природен газ, в газоразпределителните станции и пунктовете за контрол на налягането. TX е важен компонент на климатичната система на всеки самолет с висока надморска височина или турбовитлов самолет.[5]

Има големи перспективи за използването на турбодетандерите в технологичните процеси на производство, използващи пара като основен носител на енергия (нефтени рафинерии и химически заводи), както и в газови и нефтени находища.[6]

Криокулерите, които довеждат квантовите компютри[7] до работни температури, близки до 0K, също включват детандиране (разхлабване/expansion) на реален газ до втечняване – хелий.

Техници и изследователи използват такъв ДВ(Г) за топлинна рекуперация и съответно увеличаване КПД на електролизерите си.[8][9]

История[редактиране | редактиране на кода]

Ляво – функциониране детандер. Дясно – функциониране пневмодвигател.

Прохождането във физиката на детандера можем да отнесем още в зората на парните машини – изследванията на Дени Папен за генериране на движение с вакуум от конденз на пара. След това идват вакуумните/кондензни машини на Томас Сейвъри и Томас Нюкомен. Папен изоставил идеята за вакуума от парата и парната му машина разчитала на налягането на парата. Джеймс Уат усъвършенства тази (а и вакуумната) машина и патентова през 1784 г. Мощността е наложена за сметка на ефективността. Не без основание, единицата за измерване на мощност носи името на Джеймс Уат. Вакуумните машини нямали мощност за тежките механизми, които трябвало да задвижват, за да изместят впрегатния добитък. Обаче теорията върху машината на Сади Карно, в когенерация с изобарен двигател, показва възможност за значителни ефективности. Чак през 1852 г. Джеймс Джаул и Уилям Томсън, с прецизни измервания, реабилитират вакуумните парни двигатели, но на твърде сложен физичен език. Доказват голямата ефективност за оскъдни мощности, мерени със сложна, прецизна и скъпа техника. Липсват стимули технологиите и физиката за висока енергийна ефективност да бъдат споделяни с широката общественост. Обратно – патентното право дава възможност за преформулиране и преадресиране на технологии с една и съща физика и пазенето им в тайна.

Пионери в прилагането на детандера (expansion machine) за постигане на ниски температури са Карл Вилхелм Сименс, Ернест Солвей, фамилията Линде, Жорж Клод, и др. По-късно са разработени и усъвършенствани турбодетандерите.

Братя Нобел са тези, които постигат успехи с ефективността на задвижването – те произвеждат и налагат двигателя на Рудолф Дизел. Така развиват и пазара на петролните си продукти. Двигателят на Рудолф Дизел е газов (гориво-въздушна смес).

Причини за развитието на турбодетандера, важност[редактиране | редактиране на кода]

В началото на 20 век се търсят начини за повишаване на температурата в доменните пещи и по този начин опростяване на топенето на чугун. За това е трябвало да се използва вдухване в доменната пещ на обогатен с кислород въздух. Кислородът се получава от течен въздух чрез фракционна дестилация. Било е необходимо получаването на течен въздух в промишлен мащаб. Съществуващият по това време метод за охлаждане (дроселиране през тънка тръба) е бил много енергоемък и не достатъчно ефективен, което не позволявало използването на кислород в металургията. Опитите за използване на бутални детандери се провалили, тъй като бързо излизали от строя, запушени с воден лед. За използването на бутални детандери въздухът трябвало да се изсушава чрез преминаване през специални химически смеси, което също прави процеса изключително сложен и скъп.

Разработката на турбодетандера позволила използването на кислород в доменните пещи и конвертори. Това не само опростило топенето на чугун, но и опростило преобразуването на чугуна в желязо (стомана). Получената стомана е с по-високо качество от преди, тъй като съдържа по-малко азот, разтворен в нея. Използването на чист кислород вместо въздух също значително повишава температурата в конвертора, което му позволява да разтопи значително по-голямо количество метален скрап.

При разработването на разширители водеща роля в Съветския съюз след 1936 година има Пьотър Капица, по-специално предложил е подобрена конструкция на турбодетандера, позволяваща повишение на ефективността от 0,52 – 0,58 на 0,79 – 0,83 [10], т.е. 3 пъти намаляване на загубите (в сравнение с най-добрите дотогава в света турбодетандери на немската компания Linde).

Източници[редактиране | редактиране на кода]

Литература[редактиране | редактиране на кода]

  • Фастовский В. Г., Петровский Ю. В., Ровинский А. С. Криогенная техника. – М.: 1967.

Външни препратки[редактиране | редактиране на кода]