Технология использования сжатых газов (стр. 28 )

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.

Рисунок 10.4 - Схема турбодетандеров активного(а)

и реактивного(б) типов

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
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.

Рисунок 10.5 - Типичная конструкция промышленного турбодетандера

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.

Рисунок 10.7 - Опорно-уплотнительный узел кислородного турбокомпрессора

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.

10.5 Хранение и транспортирование кислорода

Для хранения больших объектов кислорода применяют газгольдеры низкого и высокого давления, последние называют хранилищами.

Газгольдеры низкого давления бывают мокрые и сухие (рис. 10.8).

Рисунок 10.8 – Схемы мокрого (а) и сухого (б) газгольдеров

Внутри газгольдеров обязательно должно быть давление больше барометрического на величину 150-400 мм вод. ст. В противном случае при разрежении произойдет подсос воздуха и смятие колокола.

Бывают и мягкие эластичные газгольдеры.

Газгольдеры высокого давления (хранилища) служат для создания запаса газа под высоким давлением в малых объемах до (200 атм). При заборе из них газа давление редуцируют редуктором.

Перевозят кислород в болонах емкостью 400 дм3 давлением до 200 атм.

Т. к. температура жидкого кислорода при 760 мм рт. ст равна-183оС, то его хранят и перевозят в специальных резервуарах с тепловой изоляцией (сосуд Дюара)- по типу термосов (с вакуумом или пористым теплоизолятором).

Поскольку объем 1кг жидкого О2 в 790 раз меньше, чем объем газообразного, то выгоднее его перевозить в жидком виде при давлении близком к атмосферному.

Все сосуды и емкости для хранения кислорода помечаются полосами голубого цвета.

Рисунок 10.9 - Схема сосуда Дюара

10.6 Применение кислорода

Технический кислород широко используется в ряде технологических процессах и производствах:

а) в металлургии;

б) газопламенная обработка металлов;

в) в химической промышленности;

г) в авиации, на подводных судах;

д) в медицине.

Рассмотрим наиболее важные применения кислорода.

10.6.1 Кислород в металлургии

Металлургические процессы, представляющие собой сочетание химических реакций с тепловым воздействием на металлы или на материалы их содержащие (руды), как правило, протекают при температурах выше 1000 оС.

Основной компонент воздуха – азот, не принимает участия в химическом процессе металлургии, но вместе с другими материалами его приходится нагревать до высоких температур, а потом выбрасывать в атмосферу с дымовыми газами. Т. е. большое количество тепла расходуется бесполезно. Тем более, что присутствие N2 снижает концентрацию О2, так необходимую для металлургического процесса.

Путем обогащения воздуха кислородом, т. е. заменой азота кислородом, вплоть до содержания 96-99% О2, можно внести значительное улучшение в процессе выплавки металла:

- ускорение процесса;

- снижение расхода топлива;

- улучшение качества металла.

Широкому промышленному применению О2 долгое время препятствовала его дороговизна, обусловленная получением его лишь в небольших количествах, малоэффективными способами. Это были низкопроизводительные установки с поршневыми компрессорами и детандерами. Академик Капица предложил использовать высокооборотные турбодетандеры, тем самым заложил основы промышленного получения кислорода. Сегодня на каждом металлургическом предприятии имеется кислородный цех с высокопроизводительными турбокомпрессорами и детандерами, состоящий из следующих отделений:

1)  воздушная компрессорная станция;

2)  воздухоразделительная турбодетандерная установка;

3)  отделение кислородной компрессии.

10.6.2 Доменное производство

На рис. 10.10 показаны изменения, вносимые в доменный процесс обогащения дутья кислородом.

Имеет место:

- экономия на подаче дутья;

- уменьшение времени плавления;

- возможность получения специальных ферросплавов.

Рисунок 10.10 - Зависимость характеристик доменного

процесса от обогащения дутья кислородом

10.6.3 Мартеновский процесс

Процесс применяется для получения сталей. Здесь кислород применяется для:

- интенсификации сжигания топлива;

- для резки струей кислорода шихты и лома;

- для ускорения рафинирования металла.

Применение кислородного дутья для интенсификации сжигания топлива может быть осуществлено путем добавления О2 к вдуваемому воздуху или через горелки (форсунки) прямо в печь.

Струей кислорода под давлением 5-7атм, подаваемый через трубу, измельчают стальной лом, уложенный на поду печи. Это позволяет на 17-25% сократить период расплавления твердой шихты.

Вдувание кислорода непосредственно в ванну с жидким металлом ускоряет процесс рафинирования, т. е. окисления примесей. Этим достигается увеличение скорости обезуглероживания металла, что является положительным эффектом.