Назначением волнового детандера–компрессора (ВДК) является снижение температуры одного (активного) потока газа путем совершения работы расширения, отводимой в виде работы сжатия другого (пассивного) потока газа. Аналогом его является волновой обменник давления, предназначенный для получения сжатого газа за счет утилизации энергиивысокотемпературного расширяющегося газа.
ВДК имеет свои особенности, которые определяют специфику его применения в низкотемпературных установках. К ним относятся:
1. Достаточно высокий изоэнтропный КПД расширения hs=0,71…0,75, который превышает КПД поршневых детандеров, однако ниже, чем у некоторых турбодетандеров большой холодопроизводительности. Однако такой КПД достигается гораздо меньшей ценой.
2. Меньшие габариты и массы, чем у поршневых детандеров. Более просты в изготовлении, чем турбодетандеры.
3. Низкая частота вращения, что упрощает систему смазки, снижает стоимость эксплуатации и обслуживания.
Учитывая это, можно создать некоторый ряд относительно недорогих и небольших низкотемпературных установок с ВДК для эксплуатации в составе объектов: малые газовые скважины; установки средней производительности для разделения воздуха; системы сжижения метана; скороморозильные установки. ВДК характеризуются невысокой стоимостью. Поэтому они найдут применение в газовой отрасли при утилизации малых месторождений.
Недостатком ВДК является несколько более низкий КПД, чем турбодетандера. Кроме того, ВДК обладает некоторыми характерными для него особенностями, связанными с его принципом действия.В турбокомпрессоре уровни давлений до и после компрессора и турбины могут быть произвольны и определяются законом сохранения энергии. В ВДК, в отличие от этого, давления на верхнем и нижнем уровнях не могут сильно различаться, поскольку передача энергии происходит при непосредственном контакте двух сред в волновой форме.
ВДК имеет привод небольшой мощности. С одной стороны — это недостаток, так как появляются некоторые конструктивные сложности, но с другой — это простой способ стабилизации и регулирования оборотов ротора. Затраты энергии на привод незначительны в связи с тем, что энергия расходуется только на преодоление газодинамического сопротивления вращающегося ротора и трения в подшипниках.
Наконец, еще одна особенность — образование зоны смешения двух взаимодействующих сред. С помощью газогидравлического моделирования процесса входа среды, было определено, что протяженность зоны смешения прямо пропорциональна ширине канала, соотношению давлений и обратно пропорциональна окружной скорости. Учитывая это соотношение, геометрические параметры окон можно подобрать таким образом, чтобы минимизировать протяженность зоны смешения и попадание одной среды в другую. При этом из двух сред всегда есть такая, что небольшое проникновение одной в другую не ухудшает качество процесса. Например, в воздухоразделительных установках – это попадание небольшого количества очищенного и осушенного воздуха в атмосферный сжимаемый воздух.
Эти особенности работы ВДК можно рассматривать как некоторые недостатки, если устанавливать его вместо турбодетандера на действующей установке. Однако в случае создания установок специально на базе ВДК указанные недостатки не имеют принципиального значения.
ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ
Функция ВДК, как и у турбодетандера - снижение температуры в результате изоэнтропийного расширения газа, однако в отличие от последнего процесс происходит без превращения энергии газа в механическую энергию вращения вала.
В основе работы ВДК —непосредственная передача энергии от одного газа, называемого активной средой, к другому (пассивной среде) с помощью волн сжатия и разрежения.
На рис. 1 показано в разрезе устройство ВДК.
Основным рабочим элементомВДК является цилиндрический ротор. В нем по образующей выполнен ряд каналов, закрытых снаружи цилиндрическим бандажом. Ротор располагается внутри неподвижного корпуса, состоящего из двух боковых корпусов с газораспределительными дисками и среднего корпуса. Один из боковых корпусов содержит трубопроводы, а также окна подачи и отвода активной среды (расширяющийся газ), а другой — то же для пассивной среды (сжимаемый газ).
Упрощенно процесс может быть представлен в виде волновой диаграммы, приведенной на рис. 2. Она представляет собой развертку каналов ротора. Со стороны торцов каналов расположены диски, в которых выполнены окна подачи и отвода сред. На развертке показаны линии распространения волн сжатия (сплошная), разрежения (штриховая) и условная граница раздела сред (штpих-пунктиpная линия). Каналы перемещаются вдоль окон в направлении, указанном стрелкой. Процесс представляет собой взаимодействие волн, распространяющихся вдоль канала и торцевых стенок. Углы открытия и закрытия окон определяются моментами прихода волн к торцевым стенкам, а также движением границы раздела сред.
Заодин оборот ротора может быть осуществлено несколько циклов, показанных на рис. 2
АВ, ПН – подвод через окна, соответственно, активной (расширяющейся) среды высокого давления и пассивной (сжимаемой) среды низкого давления; АН, ПВ – отвод через окна активной среды низкого давления и пассивной среды высокого давления, соответственно
Copyright (c) 2000-2013 V.Ersmambetov All rights reserved.
holodtex@gmail.com
