Адиабатное расширение газа с совершением внешней работы

Процесс расширения газа в адиабатных условиях, т. е. при отсутствии внешнего теплообмена, может протекать без изменения энтропии только при отсутствии каких бы то ни было внутренних процессов трения. В связи с этим, для удовлетворения условия S = const необходимо всю энергию сжатого газа преобразовать во внешнюю работу без потерь. Очевидно, что при этом уменьшение внутренней энергии газа максимально (по сравнению с другими процессами расширения при одинаковых начальных параметрах и степени расширения); поэтому такой процесс сопровождается наибольшим снижением температуры. Работа, совершаемая газом в этом процессе, должна быть обязательно полностью передана изолированному от газа устройству.

Так как реальные процессы течения и расширения газа не могут происходить без трения, то в адиабатных условиях процесс S = const в действительности осуществить невозможно. Его рассматривают как идеальное приближение для реальных процессов, поэтому его анализ имеет существенное значение.

На практике процессы расширения газов с совершением внешней работы осуществляют в расширительных машинах, которые называют также детандерами. В детандерах энергия сжатого газа преобразуется в работу, и процесс в той или иной мере приближается к изоэнтропийному. Работа передается или на тормозное устройство в виде электрогенератора и т. п.. Существует много конструктивных разновидностей детандерных машин, однако их можно подразделить на класс объемных и класс лопаточных (газодинамических) машин. Рабочие процессы в машинах этих двух классов существенно различаются.

Адиабатное расширение газа с совершением внешней работы в объемных машинах. В объемных машинах энергия газа преобразуется непосредственно в работу за счет сил давления газа. Наиболее характерный пример — поршневой детандер. Силы давления газа действуют на поршень, и энергия газа через механизм движения передается на тормозное устройство. Силы давления газа с точностью до бесконечно малой величины уравновешены силами сопротивления тормоза, и теоретически процесс расширения является равновесным.

Работа детандера носит циклический характер. В течение каждого цикла повторяется определенная совокупность процессов в рабочем объеме машины, т. е. в пространстве между стенками цилиндра и поршнем. Эта последовательность процессов представлена на теоретической индикаторной диаграмме. Она включает процессы: впуска (6-1), наполнения (1-2), внутреннего расширения (2-3), выхлопа (3-4), выталкивания (4-5) и обратного сжатия (5-6).

Газ поступает в машину через клапан впуска и выходит через клапан выпуска. Точка 6 на индикаторной диаграмме соответствует началу открытия впускного клапана, точка 2 — его закрытию. Выпускной клапан открывается в точке 3 и закрывается в точке 5, после чего оставшийся в цилиндре газ сжимается поршнем. Участок 1-2 хода поршня, на котором клапан впуска открыт, часто называют отсечкой наполнения; относительную отсечку наполнения (по отношению к полному ходу поршня) обозначают с₀. Участок 5-6 хода поршня называют отсечкой выталкивания; относительную отсечку выталкивания обозначают b_о.

«Мертвый» объем (объем рабочего пространства при крайнем нижнем положении поршня) всегда реально существует, а для некоторых типов машин является необходимым, например для бесклапанного детандера. Относительный «мертвый» объем обозначают а₀. При изменении а₀, b_о и с₀ вид индикаторной диаграммы изменяется.

Для детандеров классического типа с клапанами впуска и выпуска КПД = 0.6... 0.8.

Адиабатное расширение газа с совершением внешней работы в лопаточных машинах (турбодетандерах). В поршневом детандере энергия газа преобразуется в работу за счет действия на поршень сил давления газа. Очевидно, что такую же по величине внешнюю работу газ может совершить, если энергию сжатого газа преобразовать в энергию потока и использовать последнюю для получения работы. Конечно, при этом подразумевают, что степень расширения и начальные параметры газа одинаковые. Рабочий процесс в турбодетандере принципиально отличается от рабочего процесса в поршневом детандере, однако все интегральные соотношения энергетического баланса полностью справедливы при условии равенства скоростей газа на входе и выходе из машины.

Необходимо отметить, что преобразование энергии сжатого газа в энергию потока и последующее её использование для получения внешней работы можно реализовать различными путями. Например, можно сначала полностью расширить газ в неподвижном сопловом аппарате, а затем направить движущийся с большой скоростью поток газа на лопатки турбины и заставить вращаться лопаточный диск. В этом случае принято называть турбодетандер активным. Можно полностью расширить газ непосредственно в межлопаточном пространстве колеса без какого-либо предварительного расширения в сопловом аппарате. В этом случае турбодетандер называют реактивным. Однако экономически наиболее выгодно сочетание этих двух путей. Практически так и поступают (рис.). Воздух при давлении р₁ подают в сопловой направляющий аппарат, где он расширяется до промежуточного давления р' и затем с большой скоростью поступает в межлопаточные каналы турбины, где происходит его дальнейшее расширение до давления р₂. Направление движения газа в сопловом аппарате и колесе турбодетандера может быть радиальным, осевым или радиально-осевым.

Для большей части турбодетандеров КПД = 0.65... 0.85.