Expander (din franceză détendre - weaken ) - un dispozitiv care transformă energia internă a gazului în energie mecanică . În acest caz, gazul, făcând lucru, este răcit . Folosit în ciclu pentru producerea de gaze lichide precum oxigen , hidrogen și heliu . Cele mai comune sunt expansoarele cu piston și expansoarele turbo .
Turboexpansoarele și-au găsit aplicația principală în procesele tehnologice pentru producerea de hidrogen lichid , oxigen, aer, azot și alte gaze criogenice , precum și GNL . Cu toate acestea, în prezent, turboexpansoarele încep să fie utilizate în procesele de utilizare a energiei gazului natural clasificat la GDS și de fracturare hidraulică în distribuția gazului transportat prin conductele principale de gaz . De asemenea, un turbo-expander este un turbo-cooler, TX este o componentă importantă a sistemului de aer condiționat al oricărei aeronave cu reacție sau turbopropulsoare de mare altitudine . [unu]
Există perspective mari pentru utilizarea turboexpansoarelor în procesele tehnologice de producție folosind abur ca principal transportator de energie ( rafinării de petrol și uzine chimice ), precum și în câmpurile de gaze și petrol.
La începutul secolului al XX-lea, s-au căutat modalități de creștere a temperaturii în furnalele și, prin urmare, de a simplifica topirea fontei . Pentru a face acest lucru, trebuia să folosească suflarea aerului îmbogățit cu oxigen în furnal. Oxigenul se obține din aerul lichid prin distilare fracționată . În consecință, a apărut problema obținerii de aer lichid la scară industrială. Metoda de răcire inventată în 1895 de Carl von Linde ( strângerea printr-un tub subțire) era foarte consumatoare de energie și nu era suficient de eficientă, ceea ce nu permitea utilizarea oxigenului în metalurgie. Expansoarele cu pistoane s-au încercat să fie folosite în criotehnologie aproape imediat: în 1902, Georges Claude a inventat o schemă cu un expandor la temperatură joasă, care avea o eficiență relativ bună de până la 30%, dar fiabilitate scăzută, iar în 1906, Paul Geilandt a modificat procesul astfel încât expanderul să funcționeze la temperatură normală prin creșterea aerului sub presiune din instalație și sacrificarea eficienței, dar câștigând în fiabilitate. Pe această ultimă schemă au funcționat majoritatea instalațiilor din anii 1930. Pentru ca expansoarele să nu cedeze, înfundate cu gheață de apă, aerul a trebuit să fie uscat prin trecerea prin amestecuri chimice speciale, ceea ce a complicat și a mărit costul procesului.
Ideea destul de evidentă a utilizării unei turbine ca expansor a fost propusă de Lord Rayleigh în 1898, dar a fost posibilă implementarea ei abia la începutul anilor 1930, în timp ce eficiența expandorului de conducte nu a atins cea teoretică, două mari. iar în instalație trebuiau introduse circuite de joasă presiune, se păstra aerul de curățare chimică, iar produsul final era gazos, și nu oxigenul lichid [2] .
Spre deosebire de inginerii care au lucrat în industrie timp de decenii și au tratat turboexpansorul ca pe o turbină cu abur, fizicianul Kapitsa a atras atenția asupra faptului că aerul comprimat rece din schema lui Claude era mai aproape ca proprietăți de un lichid decât de abur și a ținut cont. proiectele de turbine axiale radiale centripete în hidroenergie; în propriile sale cuvinte: „... tipul potrivit de turbo expander va fi ca un compromis între o turbină cu apă și o turbină cu abur” [2] . Kapitsa a eliminat, de asemenea, un schimbător de căldură din schema lui Claude, plasându-se la egalitate cu Geilandt și Linde. Turboexpansorul, care a funcționat în mod fiabil la temperaturi scăzute, a făcut posibilă reducerea semnificativă a presiunii în instalație, utilizarea unui turbocompresor care nu introduce uleiuri lubrifiante în aerul răcit, înlocuirea schimbătoarelor de căldură recuperatoare cu altele regenerative , care transferă mai bine căldura și, în plus, purificați aerul de umiditate fără substanțe chimice și, în general, facilitați și faceți instalarea mai ieftină.
Dezvoltarea unei instalații fundamental noi a făcut posibilă utilizarea oxigenului în furnale și convertoare . Acest lucru nu numai că a făcut mai ușoară topirea fierului, ci și a făcut mai ușoară transformarea fontei în fier ( oțel ). Oțelul rezultat a fost de o calitate mai bună decât la convertoarele Bessemer, deoarece conținea mai puțin azot dizolvat în el . Utilizarea oxigenului pur în locul aerului crește, de asemenea, în mod semnificativ temperatura în convertor, ceea ce îi permite să retopească o cantitate semnificativ mai mare de fier vechi.
Academicianul Kapitsa a jucat un rol principal în dezvoltarea expansoarelor în URSS încă din 1936 , în special, el a propus un design îmbunătățit al turboexpansorului, care a făcut posibilă creșterea eficienței acestuia de la 0,52–0,58 la 0,79–0,83 [2] , că este, reduce de 3 ori pierderile (comparativ cu cele mai bune expansoare turbo din lume ale companiei germane Linde ).