توربو اکسپندر (Turbo Expander)

توربو اکسپندر، که expansion turbine نیز شناخته می شود، یک توربین گریز از مرکز یا جریان محوری است که از طریق آن گاز فشار بالا برای تولید انرژی منبسط می شود که اغلب موارد برای هدایت کمپرسور استفاده می شود. کار یا انرژی حاصل انبساط گاز فشار بالا تقریبا توسط یک فرآیند ایزنتروپیک (IE، یک فرایند آنتروپی ثابت) استخراج شده است و گاز خروجی فشار پایین توربین درجه حرارت بسیار پایینی در حدود -150 ° C یا کمتر دارد که این بسته به فشار و ویژگی های گاز است. توربو اکسپندر (Turbo Expnader) مؤثرترین و پر بازده‌ترین روش برای کاهش فشار یک سیال است.

توربو اکسپندر (Turbo Expander)

توربو اکسپندر، که expansion turbine نیز شناخته می شود، یک توربین گریز از مرکز یا جریان محوری است که از طریق آن گاز فشار بالا برای تولید انرژی منبسط می شود که اغلب موارد برای هدایت کمپرسور استفاده می شود. کار یا انرژی حاصل انبساط گاز فشار بالا تقریبا توسط یک فرآیند ایزنتروپیک (IE، یک فرایند آنتروپی ثابت) استخراج شده است و گاز خروجی فشار پایین توربین درجه حرارت بسیار پایینی در حدود -150 ° C یا کمتر دارد که این بسته به فشار و ویژگی های گاز است. توربو اکسپندر (Turbo Expnader) مؤثرترین و پر بازده‌ترین روش برای کاهش فشار یک سیال است.

توربو اکسپندر، که expansion turbine نیز شناخته می شود، یک توربین گریز از مرکز یا جریان محوری است که از طریق آن گاز فشار بالا برای تولید انرژی منبسط می شود که اغلب موارد برای هدایت کمپرسور استفاده می شود. کار یا انرژی حاصل انبساط گاز فشار بالا تقریبا توسط یک فرآیند ایزنتروپیک (IE، یک فرایند آنتروپی ثابت) استخراج شده است و گاز خروجی فشار پایین توربین درجه حرارت بسیار پایینی در حدود -150 ° C یا کمتر دارد که این بسته به فشار و ویژگی های گاز است.

توربو اکسپندر چیست؟

توربو اکسپندر (Turbo Expnader) مؤثرترین و پر بازده‌ترین روش برای کاهش فشار یک سیال است. استفاده از این تجهیزات از دهه 60 میلادی در پلنت‌های نفت و گاز شروع شده است. توربو اکسپندر انرژی را از جریان سیال گرفته، توان تولید می‌کند، فشار را کاهش می‌دهد و دمای سیال را نیز کم می‌کند. از توان بدست آمده می‌توان برای به چرخش درآوردن کمپرسور ، پمپ یا ژنراتور استفاده کرد. کار حاصله از فرآیند انبساط (Expansion)، بازده گرمایی (Thermal Efficiency) پلنت را افزایش می‌دهد.

استفاده از توربو اکسپندر در کاربردهای کرایوژنیک

در نیمه دوم قرن بیستم، استفاده از اکسپندر-کمپرسور در پلنت‌های کرایوژنیک گاز طبیعی شروع شد. الزاماتی که در افزایش راندمان گرمایی پلنت، به حداقل رساندن فید (feed) مصرفی در پلنت‌‎های گاز طبیعی مایع (LNG) و کاهش آلودگی‌های CO₂ وجود داشت، باعث گسترش طراحی‌های فرآیندی پلنت با در نظر گرفتن توربو اکسپندر شد.
در کاربردهای کرایوژنیک ، اغلب منفعت اقتصادی حاصل از توربو اکسپندر، به دلیل کاهش آنتالپی سیال و به تبع آن کاهش دما می‌باشد. سیال سردتر که از توربو اکسپندر خارج می‌شود به افزایش بازده گرمایی پلنت کمک می‌کند. علاوه بر این، توان شفتی که توربو اکسپندر از سیال بدست می‌آورد، می‌تواند باعث کاهش توان ورودی پلنت شود. هرکدام از این موارد باعث کاهش توان مخصوص مصرفی برای سیکل سرمایش شده و کاهش هزینه‌ها و به تبع آن افزایش منفعت اقتصادی پروژه را در پی دارد.

استفاده از ولو ژول تامسون به موازات توربو اکسپندر

در سیستم‌های اکسپندر کرایوژنیک، یک ولو ژول تامسون (JT) به موازات اکسپندر قرار داده می‌شود. این ولو به گونه‌ای تنظیم می‌شود تا در صورت از کار افتادن اکسپندر از توقف کلی (Shut Down) فرآیند جلوگیری کند.

استفاده از توربو اکسپندر در کاربردهای گاز داغ

ایده تبدیل انرژی گاز حاصل از احتراق به توان، در حدود یک قرن است که مورد بررسی قرار گرفته است. هزینه‌های مربوط به انرژی، مسائل زیست محیطی، کنترل آلودگی‌ها و مدیریت کربن، دلایلی هستند که باعث شده‌اند تا از توربو اکسپندر در پلنت‌های مدرن استفاده شود.

در کابردهای گاز داغ، چالش‌های اساسی برای طراحی یک اکسپندر با قابلیت اطمینان (Reliability) بالا وجود دارد. از جمله این چالش‌ها می‌توان به دمای بسیار بالا، خوردگی شیمیایی و فرسایش ناشی از گاز داغ اشاره کرد که همگی باعث تحمیل تنش‌های بالا به سیستم توربو اکسپندر می‌شود.

خوردگی یکی از موارد مهمی است که باید در اکسپندرها به آن توجه نمود. خوردگی به دلیل دمای بالایی است که اکسپندر قرار است در آن دما کار کند. تأثیر خزش و خوردگی ناشی از گاز داغ در این کاربردها قابل توجه است. اگر تأثیر این موارد در نظر گرفته نشود، این موارد باعث شکست دیسک یا پره‌های آن خواهند شد.

مثلث‌های سرعت در توربو اکسپندرهای جریان شعاعی

در توربواکسپندرهای جریان شعاعی، انرژی از سیال به پره‌های دستگاه منتقل می‌شود. در شکل 2 شماتیکی از توربو اکسپندرهای جریان شعاعی را نشان می‌دهد.

سیال خروجی از قسمت توربین توربو اکسپندر، انرژی جنبشی بالایی دارد (سرعت زیاد C ₄ ) بنابراین از یک دیفیوزر برای بازیابی انرژی جنبشی آن استفاده می‌شود. شکل 2 مثلث های سرعت را در این حالت نشان می‌دهد. در این شکل، W ₃ که سرعت نسبی ورودی است، شعاعی به سمت داخل و C ₄ که مولفه سرعت مطلق در خروجی روتور است، در جهت محوری می‌باشد. این چیدمان مثلث سرعت برای توربو اکسپندرهای جریان شعاعی زیاد استفاده می‌شود.
در یک توربو اکسپندر جریان شعاعی، سه گام وجود دارد که تبدیل انرژی در آنها انجام می‌شود:
1. انرژی پتانسیل سیال در پره‌های ورودی تبدیل به سرعت می‌شود. راندمان این تبدیل انرژی حدود 95 درصد است.
2. انرژی پتانسیل باقی مانده، به توان مکانیکی در توربو اکسپندر تبدیل می‌شود.

3. سرعت خروجی گاز به نسبت بالا بوده و در دیفیوزر خروجی مقدار آن کم می‌شود.

ترمودیک اکسپندرهای گاز

شکل 4 سه پروسه انبساط مرجع بین فشار بالاتر P₀  و فشار پایین‌تر P₅  را نشان می‌دهد. این شکل نشان می‌دهد که حداقل دمای خروجی برای یک فرآیند آیزنتروپیک رخ می‌دهد که در آن انرژی از سیال گرفته می‌شود. همچنین این شکل بیانگر این است که دمای خروجی برای فرآیند انبساط آنتالپی ثابت (به عنوان مثال در فرآیند ژول تامسون) بالاتر از فرآیندهای حقیقی و آیزنتروپیک است. اختلاف دمای بین 5a و 5h در واقع بیانگر افت دمای اضافی است که می‌تواند از یک توربو اکسپندری که به جای یک ولو ژول تامسون استفاده می شود، حاصل گردد.راندمان توربو اکسپندر می‌تواند در قالب نسبت دمای استاتیک به دمای کل در شرایطی که کاهش دما هدف اصلی استفاده از توربو اکسپندر است، تعریف شود:Ƞ _exp = (T ₍₀₎ – T _(5a) )/ (T _{t (0)} – T _t(5s) ) از تعریف راندمان فوق، می‌توان به این صورت استفاده کرد که بفهمیم دریافت انرژی از سیال ورودی و استفاده از آن برای کاهش دمای خروجی تا چه میزان مؤثر بوده است.