Применение криогенных машин в воздухоразделительных установках.

В воздухоразделительных установках (ВРУ), выпускавшихся до 1950 г. (КГ – 300, КТ – 1000 и КТ – 3600), в основном использовались поршневые машины или активные турбодетандеры. В дальнейшем резкое увеличение потребления кислорода и азота в металлургии и химии привело к созданию высокопроизводительных установок низкого давления (БР – 1, БР – 2, БР – 6, БР – 9) с турбодетандерами. В те годы в установках средней и малой производительности для получения технического кислорода или азота, а также жидких криопродуктов применялись поршневые машины. В 1970-х гг. были созданы высокооборотные турбодетандеры и в последнее время область применения ТД значительно расширилась. В настоящее время во всех установках для получения продуктов разделения воздуха используются расширительные машины турбинного типа (Кар – 30, КА – 15, КААр – 15, Акт – 30, А – 0,6, К – 0,15, АК – 0,6 и т.д.) за исключением установок для получения жидких криопродуктов малой производительности (АжК – 0,02, АжК – 0,04, АКДС – 70), в которых используются поршневые детандеры.

В воздухоразделительных установках для получения технологических продуктов разделение воздуха происходит при давлении после компрессора 0,6 МПа, турбодетандер включается на потоке воздуха или азота, направленного из нижней колонны в верхнюю через теплообменник. Поэтому давление на входе в машину определяется давлением нижней колонны (0,11 – 0,13 МПа). Температура перед турбодетандером определяется охлаждением в теплообменном аппарате из условий получения в конце процесса расширения состояния, близкого к насыщенному. Расход воздуха через расширительную машину составляет 20 – 30% от перерабатываемого воздуха.

Производительность установок для получения технологических криопродуктов велика – от 10 до 70 т кислорода в час, поэтому и расходы через турбодетандеры значительны. Изоэнтропный КПД таких турбодетандеров находится на уровне 0,82 – 0,85.

Установки разделения воздуха малой и средней производительности, предназначенные для получения технического газообразного кислорода и азота, строятся по циклам высокого, среднего и двух давлений. В этих установках ранее применялись поршневые машины, в настоящее время в основном используются турбодетандеры. Турбодетандер установлен после предварительного теплообменного аппарата, где воздух охлаждается до температуры 150 – 170 К. Расширенный воздух в состоянии, близком к насыщенному, направляется в куб нижней колонны. Поэтому давление на входе в расширительную машину определяется давлением цикла 2 – 5 МПа, а на выходе из нее – параметрами нижней колонны (0,06 МПа).

В ВРУ среднего давления используются высокооборотные турбодетандеры, частота вращения которых составляет 2000 – 3000 с^-1, а диаметр рабочего колеса – около 40 мм. При уменьшении расхода воздуха или увеличении давления на входе воздуха частота вращения возрастает, а диаметр рабочего колеса уменьшается. Расходы криоагента, проходящего через машину, составляют 0,1 – 0,5 кг/с, следовательно, мощность на валу турбины от 6 до 50 кВт. Однако из-за высокой частоты вращения организовать утилизацию этой энергии чрезвычайно затруднительно, и поэтому она диссипируется на гидро- или пневмотормозном устройстве, которое устанавливается на валу турбины. В турбодетандерах, комплектующих ВРУ среднего давления, выпускаемых НПО «Кислородмаш», работа, отводимая с вала машины, расходуется на нагрев масла в узлах подшипников.

Небольшие установки по производству жидких криопродуктов выполняют по криогенному циклу высокого давления на базе поршневых компрессоров. Расширительная машина устанавливается на части потока после предварительного теплообменника и блока осушки. Температура воздуха перед детандером 278 К. Давление на входе в машину 16 – 20 МПа, а давление на выходе определяется давлением в нижней колонне. В настоящее время в установках большой и средней производительности используют турбодетандеры, которые представляют собой высокооборотные турбины с частотой вращения 2000 – 3000 с^-1 и диаметром рабочего колеса 40 – 50 мм. Отводимая мощность, до 100 кВт, расходуется на нагрев масла в подшипниковых узлах.

В малых ВРУ наряду с традиционными установками, в которых холодопроизводительность создается компрессорно-детандерным циклом, существуют установки с криогенной газовой машиной в качестве криогеногенератора. В номенклатуре отечественных установках это ЗИФ – 1002 (10 л жидкого азота) и Аж – 0,05 (50 л жидкого азота). В принципе такие установки могут быть сделаны и для получения жидкого кислорода. Основное преимущество подобных установок – компактность и простота обслуживания.