[科普中国]-膨胀机

工作原理

当气体具有一定的压力和温度时，就具有由压力而体现的势能和由温度所体现的动能，这两种能量总称为内能。膨胀机主要的作用是利用气体在膨胀机内进行绝热膨胀对外做功消耗气体本身的内能，使气体的压力和温度大幅度降低达到制冷与降温的目的。1

主要工作膨胀机的主要工作在喷嘴及叶轮中完成，当高速、低温的气体通过叶轮通道时，由于叶轮高速转动，使气体速度很快下降。同时，气体在不断变大的通道中流动时，因为压力与速度下降使气体内能降低，气体温度进一步大幅度降低，达到降温与制冷的目的。由于膨胀机叶轮的飞速转动，带动了与膨胀机叶轮在同一轴上另一端的压缩机叶轮转动，压缩机叶轮的转动压缩了通过增压机叶轮的气体，压缩机叶轮不仅压缩了气体、利用了膨胀机发出的功率，同时控制了膨胀机的转速。1

特点膨胀机与活塞膨胀机相比，具有流量大、结构简单、体积小、效率高和运转周期长等特点，适用于大中型深低温设备。

常见分类活塞型使气体在可变容积中膨胀，输出外功制冷的膨胀机(通常由电动机制动吸收外功)。这种膨胀机分立式和卧式两种。采用较多的是立式结构，曲轴、连杆、十字头、活塞、进气阀和排气阀等是运动件，分别装在机身、气缸和中间座中，其作用近似于往复活塞压缩机，但其进、排气阀系借进、排气凸轮定时启闭。活塞膨胀机由于存在进、排气阀流动阻力、不完全膨胀、摩擦热、外热与内部热交换等引起的冷量损失，一般绝热效率为：高压膨胀机65～85%，中压膨胀机60～70%。20世纪50年代相继出现的不用凸轮传动机构的无阀和单阀膨胀机，减少了膨胀机的运动件，提高了机器运转可靠性，已在小型深低温设备上得到广泛的应用。60年代，采用加填充剂的聚四氟乙烯密封元件代替用油润滑的金属制密封元件，避免润滑油带入深低温精馏区或液化区，保证了安全。2

透平型以气体膨胀时速度能的变化来传递能量的膨胀机。这种膨胀机有单级和双级、立式和卧式、冲动式和反动式之分。一般采用单级向心径流反动式，传出的外功由发电机、鼓风机或油制动器所吸收。它近似于单级离心压缩机，但具有调节进气量用的（可调叶片）导流器。低速轴承用油强制润滑，高速的采用气体轴承。透平膨胀机由于有喷嘴损失、叶轮损失、余速损失、轮盘摩擦损失、泄漏损失、窜流损失和外热侵入损失，一般绝热效率为：中压膨胀机65～75%，低压膨胀机75～85%。60年代已制成带液膨胀机，大多用于天然气分离设备。

工作过程图1表示压缩气体从高压p1、温度T1状态在膨胀机中作等熵（S=常数）膨胀至低压p2，从点 1沿等熵线与p2等压线交于点2。点2的温度T2 即为等熵膨胀后的温度。其温差为ΔT=T1-T2，相应等熵焓降为Δh=h1-h2。在等熵膨胀过程中，气体有部分内能转化为功，同时为克服分子间的吸引力而使分子动能减少，从而降低了气体温度。但在实际工作过程中，因为有若干能量损失，气体膨胀时不可能达到状态2，而只能达到状态2′，其实际温差为△T′=T1，相应实际焓降为 △h′=h1-h2，故绝热效率是指膨胀机在膨胀过程中实际焓降与等熵焓降之比。绝热效率越高，越接近于等熵膨胀过程。一般膨胀机绝热效率为60～85%。2