Expansor (del francés détendre - debilitar ) - un dispositivo que convierte la energía interna del gas en energía mecánica . En este caso, el gas, realizando trabajo, se enfría . Utilizado en el ciclo de producción de gases líquidos como oxígeno , hidrógeno y helio . Los más comunes son los expansores de pistón y los expansores turbo .
Los turboexpansores han encontrado su principal aplicación en procesos tecnológicos para la producción de hidrógeno líquido , oxígeno, aire, nitrógeno y otros gases criogénicos , así como GNL . Sin embargo, hoy en día se empiezan a utilizar turboexpansores en los procesos de aprovechamiento de la energía del gas natural estrangulado en GDS y fracturación hidráulica en la distribución del gas transportado por gasoductos principales . Además, un turboexpansor es un turboenfriador, TX es un componente importante del sistema de aire acondicionado de cualquier avión a reacción o turbohélice de gran altitud . [una]
Hay grandes perspectivas para el uso de turboexpansores en procesos tecnológicos de producción que utilizan vapor como principal portador de energía ( refinerías de petróleo y plantas químicas ), así como en campos de gas y petróleo.
A principios del siglo XX, se realizaron búsquedas de formas de aumentar la temperatura en los altos hornos y, por lo tanto, simplificar la fundición de arrabio . Para hacer esto, se suponía que debía usar aire enriquecido con oxígeno en el alto horno. El oxígeno se obtiene del aire líquido mediante destilación fraccionada . En consecuencia, ha surgido el problema de obtener aire líquido a escala industrial. El método de enfriamiento inventado en 1895 por Carl von Linde ( estrangulamiento a través de un tubo delgado) consumía mucha energía y no era lo suficientemente eficiente, lo que no permitía el uso de oxígeno en la metalurgia. Los expansores de pistón se intentaron utilizar en criotecnología casi de inmediato: en 1902, Georges Claude inventó un esquema con un expansor de baja temperatura, que tenía una eficiencia relativamente buena de hasta el 30%, pero baja confiabilidad, y en 1906, Paul Geilandt modificó el proceso para que el expansor funcionara a temperatura normal aumentando la presión de aire en la instalación y sacrificando eficiencia, pero ganando en fiabilidad. Fue en este último esquema que la mayoría de las instalaciones de la década de 1930 funcionaron. Para que los expansores no fallaran, obstruidos con hielo de agua, había que secar el aire pasando por mezclas químicas especiales, lo que complicaba y encarecía el proceso.
La idea bastante obvia de usar una turbina como expansor fue propuesta por Lord Rayleigh en 1898, pero solo fue posible implementarla a principios de la década de 1930, mientras que la eficiencia del expansor de tuberías no alcanzó la teórica, dos altos y había que introducir circuitos de baja presión en la instalación, se conservaba el aire de limpieza química y el producto final era gaseoso y no oxígeno líquido [2] .
A diferencia de los ingenieros que habían trabajado en la industria durante décadas y trataron el turboexpansor como una turbina de vapor, el físico Kapitsa llamó la atención sobre el hecho de que el aire comprimido frío en el esquema de Claude tenía propiedades más cercanas a un líquido que al vapor, y tuvo en cuenta los diseños de turbinas axiales radiales centrípetas en hidroelectricidad; en sus propias palabras: "... el tipo correcto de turbo expansor será como un compromiso entre una turbina de agua y una de vapor" [2] . Kapitsa también eliminó un intercambiador de calor del esquema de Claude, colocándose a la par con Geilandt y Linde. El turboexpansor, que funcionaba de manera confiable a bajas temperaturas, permitió reducir significativamente la presión en la instalación, utilizar un turbocompresor que no introduce aceites lubricantes en el aire enfriado, reemplazar los intercambiadores de calor recuperativos por regenerativos , que transfieren mejor el calor y, además, depuran el aire de la humedad sin productos químicos y, en general, facilitan y abaratan la instalación.
El desarrollo de una instalación fundamentalmente nueva hizo posible el uso de oxígeno en altos hornos y convertidores . Esto no solo facilitó la fundición del hierro, sino que también facilitó la conversión del arrabio en hierro ( acero ). El acero resultante era de mayor calidad que en los convertidores Bessemer, ya que contenía menos nitrógeno disuelto . El uso de oxígeno puro en lugar de aire también aumenta significativamente la temperatura en el convertidor, lo que le permite volver a fundir una cantidad significativamente mayor de chatarra.
El académico Kapitsa desempeñó un papel destacado en el desarrollo de expansores en la URSS desde 1936 , en particular, propuso un diseño mejorado del turboexpansor, que hizo posible aumentar su eficiencia de 0,52–0,58 a 0,79–0,83 [2] , que es decir, reduce 3 veces las pérdidas (en comparación con los mejores turboexpansores del mundo de la empresa alemana Linde ).