Problem der Expansormengen

Das Prinzip des Expansors ist folgendes: Es handelt sich um ein Gerät, das die Energie nutzt, die bei der Ausdehnung von komprimiertem Gas und dem dadurch entstehenden Druckabfall freigesetzt wird, um mechanische Arbeit zu erzeugen. Dadurch sinkt die Temperatur des Gases – und so kann Kälte gewonnen werden. Expander werden häufig in Tiefkälteanlagen eingesetzt. Expander werden nach ihrer Bewegungsart und Struktur in Kolbenexpander und Turbexpander eingeteilt. Pistonenexpander eignen sich hauptsächlich für kleine und mittlere Hoch- und Mitteldrucktiefkühlanlagen mit hohem Druckverhältnis und geringem Durchfluss. Im Vergleich zu Kolbenexpansoren weisen Turbomembranexpansoren Vorteile wie einen hohen Durchfluss, eine einfache Konstruktion, geringe Abmessungen, hohe Effizienz sowie lange Betriebszyklen auf. Sie eignen sich daher für große und mittelgroße Anlagen in tiefkalten Bedingungen. 　　Ein Kolbenexpander lässt Gas in einem variablen Volumen expandieren und erzeugt so Leistung zur Kühlung – dabei wird die erzeugte Leistung in der Regel von einem Elektromotor aufgenommen. Es gibt diese Expander in zwei Varianten: stationär und liegend. Häufig wird eine vertikale Bauweise verwendet. Kurbelwelle, Pleuel, Kolbenkopf, Kolben, Einlass- und Auslassventile sind die beweglichen Teile, die jeweils im Gehäuse, im Zylinder sowie im Zwischenrahmen untergebracht sind. Ihre Funktion ähnelt der einer Stoßkolbenpumpe. Allerdings werden die Einlass- und Auslassventile durch Einlass- und Auslasskammern zur richtigen Zeit geöffnet und geschlossen. Aufgrund von Strömungswiderständen der Ein- und Auslassventile, unvollständiger Expansion, Reibungshitze sowie Wärmeaustausch mit der Umgebung und im Inneren des Geräts entstehen bei Kolbenexpander Verluste an Kälteleistung. Die adiabatische Effizienz liegt in der Regel bei Hochdruckexpandern bei 65–85 % und bei Mitteldruckexpandern bei 60–70 %. In den 1950er Jahren wurden zunehmend drucklosen sowie einventiligen Expander ohne Kammenantrieb eingeführt. Dadurch wurde die Anzahl der beweglichen Teile im Expander verringert, wodurch die Zuverlässigkeit des Geräts gesteigert wurde. Solche Expander werden heute in kleinen Tiefkühlgeräten weit verbreitet eingesetzt. In den 1960er Jahren wurden statt ölbefüllter Metalldichtelemente Dichtelemente aus Polytetrafluorethylen mit Füllstoffen eingesetzt, um zu verhindern, dass Schmieröl in die Bereiche der Tiefkältedestillation oder -verflüssigung gelangt – dadurch wurde die Sicherheit gewährleistet. 　　Turbinenexpander – Ein Expander, der Energie durch die Veränderung der Geschwindigkeit des Gases bei seiner Ausdehnung überträgt. Es gibt diese Expander in Einstufen- und Zweistufenvarianten, in aufrechter und liegender Ausführung sowie in Impuls- und Reaktionsarten. In der Regel wird ein einstufiger zentrifugaler Strömungsreaktionsantrieb verwendet; die abgegebene mechanische Energie wird von einem Generator, einem Lüfter oder einem Ölbremser aufgenommen. Es ähnelt einem einstufigen Zentralkompressor, verfügt aber über Leitbleche (anpassbare Blätter) zur Regulierung der Luftzufuhrmenge. Niedriggeschwindigkeitslager werden mit Zwangsfett schmiert, Hochgeschwindigkeitslager verwenden Gaslager. Aufgrund von Düsenverlusten, Laufradverlusten, Restgeschwindigkeitsverlusten, Reibungsverlusten am Rotor, Leckagen, Durchströmungsverlusten sowie Verlusten durch äußere Wärmeeinflüsse beträgt die adiabatische Effizienz von Turbinenexpandern in der Regel: 65–75 % bei Mitteldruckexpandern und 75–85 % bei Niedrigdruckexpandern. In den 60er Jahren wurden Verdichter mit Flüssigkeitsausdehnung hergestellt, die hauptsächlich in Anlagen zur Trennung von Erdgas verwendet wurden.