透平膨脹機(jī)工作原理

透平膨脹機(jī)是空氣分離設(shè)備及天然氣（石油氣）液化分離設(shè)備和低溫粉碎設(shè)備等獲取冷量所必需的關(guān)鍵部機(jī)，是保證整套設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行的心臟。今天小編要和大家分享的是透平膨脹機(jī)在空氣分離技術(shù)上的應(yīng)用到底有哪些？

透平膨脹機(jī)

   1939年，Kapitsa(卡皮查)院士發(fā)明了世界上第一臺(tái)高效率(等熵效率>80％)徑流向心反動(dòng)式透平膨脹機(jī)，從而，實(shí)現(xiàn)了空分裝置的全低壓液化循環(huán)，即卡皮查循環(huán)。

   目前向心度較大的反動(dòng)式透平膨脹機(jī)并沒有達(dá)到它本身通過氣量的極限值，特別是因?yàn)樗慕Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，又有很高的等熵效率，所以它被廣泛地應(yīng)用在目前國、內(nèi)外低溫技術(shù)上。

作用

   空分設(shè)備的心臟部機(jī)之一，由氣體在膨脹機(jī)中等熵膨脹而制取冷量，補(bǔ)充系統(tǒng)冷損。

   工作的對(duì)象主要是氣體。當(dāng)氣體具有一定的壓力和溫度時(shí)。就具有一定的能量，即由壓力而體現(xiàn)的勢(shì)能與由溫度所體現(xiàn)的動(dòng)能。這兩種能量總稱為內(nèi)能，而膨脹機(jī)主要的作用是利用氣體通過膨脹機(jī)的過程中的內(nèi)能降低并對(duì)外輸出功。并由于氣體內(nèi)能的降低并對(duì)外輸出功使氣體的壓力和溫度大幅度降低從而達(dá)到制冷與降溫的目的。

工作原理

   根據(jù)能量轉(zhuǎn)換和守恒定律可知，氣體在透平膨脹機(jī)內(nèi)進(jìn)行絕熱膨張對(duì)外作功時(shí)，氣體的能量焓值一定要減少，從而使氣體本身強(qiáng)烈地冷卻，而達(dá)到制冷的目的。透平膨脹機(jī)的實(shí)際制冷量總比理論制冷量要小，因此，膨脹機(jī)的效率總是小于1。膨脹機(jī)的效率越低，則在相同進(jìn)、出口壓力和進(jìn)口溫度下，膨脹機(jī)的單位工質(zhì)制冷量越小，反映出膨脹機(jī)的溫降效果越小。透平膨脹機(jī)輸出的能量由同軸的增壓機(jī)、發(fā)電機(jī)回收或制動(dòng)風(fēng)機(jī)、油等消耗。

工作方式

   氣體降溫在噴咀及葉輪中完成。噴咀是一種由多個(gè)精心設(shè)計(jì)的葉片所組成的噴射通道（即噴咀流道）。當(dāng)高壓的氣體通過噴咀流道時(shí)，由于噴射作用使氣體的速度迅速上升并可達(dá)到音速。

   葉輪是一個(gè)由多個(gè)葉片所組成輪子，氣體從半徑方向流入，而從與主軸軸線平行方向流出，稱為徑軸流葉輪。葉輪中每?jī)蓚€(gè)葉片圍成一個(gè)通道。葉輪的通道是經(jīng)過精心的設(shè)計(jì)，而且是漸漸擴(kuò)大的。葉輪接受從噴咀出來的高速氣體，由于噴咀出來的氣體其速度達(dá)到或超過音速，而且溫度已經(jīng)大幅度降低，當(dāng)高速氣體沖擊葉輪的葉片時(shí)，使葉輪高速轉(zhuǎn)動(dòng)。

   膨脹機(jī)輪子的飛速轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)了與膨脹機(jī)輪子在同一軸上另一端的增壓機(jī)葉輪的轉(zhuǎn)動(dòng)，增壓機(jī)葉輪的轉(zhuǎn)動(dòng)壓縮了通過增壓機(jī)葉輪氣體，增壓機(jī)葉輪不僅壓縮了氣體，利用了膨脹發(fā)出的功率，而且也控制了膨脹機(jī)的轉(zhuǎn)速。

效率保證

損失控制

一、流動(dòng)損失

   氣流流過導(dǎo)流器和工作輪時(shí)，由于流道表面的摩擦、局部產(chǎn)生漩渦、氣流撞擊等產(chǎn)生的損失屬于流動(dòng)損失。流動(dòng)損失的大小與流道形狀是否與氣流流動(dòng)方向相適應(yīng)、表面光潔程度等因素有關(guān)。流道除了與設(shè)計(jì)、制造技術(shù)水平有關(guān)外，膨脹機(jī)內(nèi)流道的磨損、雜質(zhì)在表面積聚、轉(zhuǎn)速變化而使氣流進(jìn)入葉輪時(shí)產(chǎn)生的撞擊等，都會(huì)增加流動(dòng)損失。一般情況下，導(dǎo)流器內(nèi)的流動(dòng)損失約占總制冷量的5%，工作輪內(nèi)的流動(dòng)損失約占總制冷量的6%。

二、工作輪輪盤摩擦鼓風(fēng)損失

   工作輪在旋轉(zhuǎn)時(shí)，輪盤周圍的氣體對(duì)葉輪的轉(zhuǎn)動(dòng)有一摩擦力，輪盤將帶動(dòng)氣體運(yùn)動(dòng)。由此產(chǎn)生的摩擦熱將使氣體的溫度升高，這種損失稱為摩擦鼓風(fēng)損失。它與工作輪的直徑及轉(zhuǎn)速等因素有關(guān)，一般占總制冷量的3%～4%。

三、泄漏損失

內(nèi)泄漏、外泄漏

01、內(nèi)泄漏

   一部分氣體經(jīng)過導(dǎo)流器后不通過葉輪膨脹，而直接從工作輪與機(jī)殼之間的縫隙漏出，與通過葉輪膨脹的氣體匯合。這小股泄漏氣體未經(jīng)過葉輪的進(jìn)一步膨脹，溫度較高，因而使膨脹機(jī)的制冷量減小，降低了膨脹機(jī)的效率。內(nèi)泄漏量的大小取決于轉(zhuǎn)子與機(jī)殼之間的間隙，因此在安裝時(shí)必須嚴(yán)格控制在規(guī)定公差范圍之內(nèi)。

02、外泄漏

   氣體通過輪盤后部沿軸間隙向外泄漏出的氣體。這部分氣體的泄漏對(duì)膨脹機(jī)的效率沒有影響，但是將減少總的制冷量。同時(shí)外漏氣體的冷量也無法回收，所以它對(duì)產(chǎn)冷的影響是很大的。外泄漏量的大小與密封裝置結(jié)構(gòu)、間隙以及是否通壓力密封氣有關(guān)。

四、排氣損失

   通過膨脹機(jī)的氣體在出口還具有一定的速度，叫做余速。余速越高，能量損失也越大，這部分損失叫做排氣損失或余速損失。排氣損失不僅與設(shè)計(jì)有關(guān)，在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中當(dāng)轉(zhuǎn)速變化偏離設(shè)計(jì)工況時(shí)，也會(huì)使氣流出口速度增加，效率降低。

   透平膨脹機(jī)具有的流量大、體積小、冷量損失少、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、通流部分無機(jī)械摩擦件、不污染制冷工質(zhì)(即壓縮氣體)、調(diào)節(jié)性能好、安全可靠等優(yōu)點(diǎn)，自20世紀(jì)60年代以來已在空分制冷、NGL回收及天然氣液化等裝置中廣泛用做制冷機(jī)械，隨著中國工業(yè)的發(fā)展，透平膨脹機(jī)作為空分心臟部件之一，已成為整體空分系統(tǒng)的首要考量設(shè)備。