Материал: 2293

тиц, образовавшихся в зоне максимального переохлаждения, практически сохраняется до конца процесса расширения.

Рассмотрим с помощью условной диаграммы Т-s (рис. 4.7) процесс расширения ПСТ в детандере с начальной объемной концентрацией rC0 от давления р0 (точка 0). На первом этапе (процесс 0-1) наблюдается переохлаждение потока. При снижении давления до рКР достигается критическое переохлаждение ( ТКР = ТS Т1 ~ 12,5 13 К) и начинается процесс бурной спонтанной кристаллизации СО2 (процесс 1-2).

Точка 1 диаграммы, соответствующая критическому переохлаждению, согласно определению является точкой Вильсона при заданных начальных параметрах р0 и rС0 (р0 и Т0 или Т0 и rС0). Определив на диаграмме при rC0 = = const несколько точек, для которых ТКР ~ 12,5 13 К, получим линию Вильсона. На рис. 4.7 пунктирными линиями rCB показаны линии Вильсона при изоэнтропийном расширении ПСТ для различных начальных объемных концентраций СО2 .

Линия Вильсона позволяет определить критическое давление рКР в зависимости от параметров ПСТ на входе в турбодетандер. Например, необходимо определить место спонтанной кристаллизации СО2 в проточной части турбодетандера при расширении ПСТ с начальной объемной концентрацией диоксида углерода rС = 0,02 от давления р0 = 0,2 МПа. Для этого из точки 4 на диаграмме, соответствующей параметрам насыщенного пара на входе в детандер, опускаем перпендикуляр к оси s до пересечения с линией Вильсона при значении rСВ = rС = 0,02. Точка 5 определяет давление рКР = 0,14 МПа, которое, в свою очередь, при известном законе распределения давления в проточной части турбодетандера определяет место спонтанной кристаллизации СО2 с началом возможного эрозионного износа лопаточных аппаратов машины. Следует отметить, что при неизоэнтропийном расширении максимальное переохлаждение достигается при меньших значениях давления рКР , то есть массовое выпадение твердого СО2 следует ожидать ближе к выходу из проточной части турбодетандера.

Представленная условная диаграмма Т-s может быть использована для анализа и инженерных расчетов процесса расширения продуктов сгорания топлива в области концентраций СО2 до rС = 0,14, когда свойства ПСТ мало отличаются от свойств воздуха.

Анализ исследований [10, 11] показывает, что в областях Д = р0 / р2 = 1,8 2,7 и rС = 0,02 0,2 переохлаждение ТКР = ТS Т = 12,5 13 К является критическим. Это позволяет определить критическое давление рКР , а вместе с ним и место выпадения СО2 в проточной части турбодетандера при известном законе распределения давления.

Температура Т потока в некотором сечении проточной части детандера может быть найдена по формуле

75

где р – давление потока в рассматриваемом сечении; Д – КПД детандера; к – показатель адиабаты; р0 и Т0 – давление и температура потока на входе в ступень.

Температура ТS насыщения при давлении р и концентрации диоксида углерода rС определяется из уравнения (1.14) в виде

Для определения рКР в уравнениях (4.15) и (4.16) вместо р и Т необходимо подставить рКР и ТКР . Тогда

Из последнего выражения по начальным условиям определено давление рКР , при котором происходит бурная спонтанная кристаллизация СО2 в объеме расширяющегося потока ПСТ (рис. 4.8). Анализ расчетных зависимостей показывает, что в области рассматриваемых параметров критическое давление во многом зависит от КПД детандера и слабо – от концентрации rС .

Для определения места массового образования кристаллов СО2 при расширении продуктов сгорания топлива в детандере, например, от р0 = = 0,2 МПа при rС = 0,1 и Д = 0,85 по зависимости рКР = рКР ( р0) (рис. 4.8)

77

находим, что рКР = 0,133 МПа. По рКР и графику распределения давления в проточной части детандера (рис. 4.9) определяем, что массовое образование кристаллов СО2 происходит в последней трети части рабочего колеса при х = 53 мм. Таким образом, эрозионному износу могут быть подвержены выходные кромки лопаток рабочего колеса.

На начальной стадии проектирования проточной части или при отсутствии надежных теоретических и экспериментальных данных существующих детандеров распределение давления в элементах можно принять прямолинейным (рис. 4.10). Для конкретного случая его можно построить, зная степень реактивности детандера.

Рис. 4.10. Распределение давления в проточной части турбодетандера: а активный; б реактивный; с0 и с2 – скорости потока на входе и выходе из ступени; ЗК – зона кристаллизации СО2

78

На рис. 4.11 показана зона спонтанной кристаллизации СО2 в рабочем колесе экспериментально и теоретически рассматриваемого осевого одно-

4.3.Энергетические характеристики процесса расширения ПСТ

втурбодетандере

Вначале выполним анализ процесса расширения парогазовой смеси с частичной ее конденсацией (кристаллизацией) в одноступенчатом турбодетандере с помощью Т-s диаграммы (рис. 4.12). Рассмотрим изоэнтро-

раниченные соответствующими изоэнтропами, эквивалентны теплоперепа-

79