Expander (z francouzského détendre - oslabení ) - zařízení, které přeměňuje vnitřní energii plynu na mechanickou energii . V tomto případě se plyn, který vykonává práci, ochladí . Používá se v cyklu pro výrobu kapalných plynů, jako je kyslík , vodík a helium . Nejběžnější jsou pístové expandéry a turboexpandéry .
Turboexpandéry našly hlavní uplatnění v technologických procesech výroby kapalného vodíku , kyslíku, vzduchu, dusíku a dalších kryogenních plynů a také LNG . Dnes se však turboexpandéry začínají využívat v procesech využití energie škrceného zemního plynu na GDS a hydraulického štěpení při distribuci plynu přepravovaného hlavními plynovody . Také turbo-expandér je turbo-chladič, TX je důležitou součástí klimatizačního systému jakéhokoli vysokohorského proudového nebo turbovrtulového letadla. [jeden]
Velkou perspektivu má využití turboexpandérů v technologických procesech výroby s využitím páry jako hlavního nosiče energie ( ropné rafinérie a chemické závody), dále na nalezištích plynu a ropy.
Na počátku 20. století se hledaly způsoby, jak zvýšit teplotu ve vysokých pecích , a tím zjednodušit tavení surového železa . K tomu měla využívat vhánění kyslíkem obohaceného vzduchu do vysoké pece. Kyslík se získává z kapalného vzduchu frakční destilací . V souladu s tím vyvstal problém získávání kapalného vzduchu v průmyslovém měřítku. Způsob chlazení vynalezený v roce 1895 Carlem von Lindem ( škrcení tenkou trubicí) byl velmi energeticky náročný a málo účinný, což neumožňovalo použití kyslíku v metalurgii. Pístové expandéry se v kryotechnologii pokusily použít téměř okamžitě: v roce 1902 vynalezl Georges Claude schéma s nízkoteplotním expandérem, který měl relativně dobrou účinnost až 30 %, ale nízkou spolehlivost a v roce 1906 Paul Geilandt upravil proces tak, že expandér pracoval při normální teplotě zvýšením tlaku vzduchu v instalaci a obětováním účinnosti, ale vítězil ve spolehlivosti. Právě na tomto druhém schématu fungovala většina instalací z 30. let. Aby expandéry neselhaly zanesené vodním ledem, musel se vzduch sušit průchodem přes speciální chemické směsi, což proces komplikovalo a prodražovalo.
Zcela zřejmou myšlenku použití turbíny jako expandéru navrhl Lord Rayleigh v roce 1898, ale realizovat ji bylo možné až na počátku 30. let 20. století, zatímco účinnost expandéru trubek nedosahovala teoretické, dvou vysokých a nízkotlaké okruhy musely být zavedeny do instalace, byl zachován chemický čistící vzduch a konečný produkt byl plynný, nikoli kapalný kyslík [2] .
Na rozdíl od inženýrů, kteří pracovali v průmyslu po desetiletí a zacházeli s turboexpandérem jako s parní turbínou, fyzik Kapitsa upozornil na skutečnost, že studený stlačený vzduch v Claudově schématu má vlastnosti blíže ke kapalině než k páře, a měl na paměti návrhy dostředivých radiálních axiálních turbín ve vodní elektrárně; podle jeho vlastních slov: „...správný typ turboexpandéru bude jako kompromis mezi vodní a parní turbínou“ [2] . Kapitsa také odstranil jeden výměník tepla z Claudova schématu, čímž se postavil na stejnou úroveň jako Geilandt a Linde. Turboexpandér, který spolehlivě pracoval při nízkých teplotách, umožnil výrazně snížit tlak v instalaci, použít turbokompresor, který nevnáší mazací oleje do ochlazeného vzduchu, nahradit rekuperační výměníky za regenerační , které lépe předávají teplo a navíc čistí vzduch od vlhkosti bez jakýchkoli chemikálií a obecně usnadňují a zlevňují instalaci.
Vývoj zásadně nového zařízení umožnil použití kyslíku ve vysokých pecích a konvertorech . Nejen, že to usnadnilo tavení železa, ale také to usnadnilo přeměnu surového železa na železo ( ocel ). Výsledná ocel byla kvalitnější než na Bessemerových konvertorech, protože obsahovala méně rozpuštěného dusíku . Použití čistého kyslíku místo vzduchu také výrazně zvyšuje teplotu v konvertoru, což umožňuje přetavit podstatně větší množství kovového odpadu.
Akademik Kapitsa hrál vedoucí roli ve vývoji expandérů v SSSR od roku 1936 , zejména navrhl vylepšenou konstrukci turboexpandéru, která umožnila zvýšit jeho účinnost z 0,52–0,58 na 0,79–0,83 [2] , že je 3x snížit ztráty (ve srovnání s nejlepšími světovými turboexpandéry německé firmy Linde ).