Problema das séries de expansores

O princípio do expansor é o seguinte: utiliza-se o fato de que, quando um gás comprimido se expande e sua pressão diminui, ele gera trabalho mecânico, o que faz com que a temperatura do gás caia, permitindo assim a obtenção de frio. Os expansores são frequentemente utilizados em equipamentos de baixas temperaturas. Os expansores são divididos, de acordo com seu tipo de movimento e estrutura, em expansores a pistão e expansores a turbina. Os expansores de pistão são adequados principalmente para equipamentos de alta e média pressão, de pequeno e médio porte, que operam em condições de baixas temperaturas, com altos índices de pressão e baixo fluxo de fluido. Em comparação com os expansores de pistão, os expansores de turbina possuem vantagens como maior vazão, estrutura simples, menor tamanho, maior eficiência e ciclo operacional mais longo, sendo adequados para equipamentos de baixas temperaturas de grande e médio porte. 　　O expansor de pistão faz com que o gás se expanda em um volume variável, gerando trabalho externo para a refrigeração (geralmente, um motor elétrico é usado para absorver esse trabalho externo). Esse tipo de expansor existe em versões separadas e horizontais. A estrutura mais utilizada é a vertical; o virabrequim, as bielas, a cabeça do virabrequim, o pistão, as válvulas de admissão e as válvulas de escape são os componentes em movimento. Eles estão localizados no corpo da máquina, nos cilindros e no suporte intermediário. Seu funcionamento é semelhante ao de um compressor de pistão alternativo, mas as válvulas de admissão e escape são abertas e fechadas de acordo com o ritmo determinado pelos catracos de admissão e escape. Devido às perdas de calor causadas pela resistência ao fluxo das válvulas de admissão e escape, à expansão incompleta, ao calor de atrito, bem como à troca de calor entre o ambiente externo e o interno, a eficiência adiabática dos expansores de pistão é, em geral, de 65–85% para expansores de alta pressão, e de 60–70% para expansores de média pressão. Nos anos 50 do século XX, surgiram os expansores sem válvulas e com apenas uma válvula, que não utilizavam mecanismos de acionamento por catraca. Isso reduziu o número de peças móveis nos expansores, aumentando assim a confiabilidade do seu funcionamento. Esses dispositivos foram amplamente utilizados em equipamentos de baixa temperatura de pequeno porte. Na década de 1960, foram utilizados componentes de vedação feitos de politetrafluoretileno, com aditivos, em substituição aos componentes de vedação metálicos lubrificados com óleo. Isso evitou que o óleo lubrificante chegasse às áreas de destilação a baixas temperaturas ou às áreas de liquefação, garantindo assim a segurança. 　　Expansor de turbina: um expansor que transmite energia por meio das mudanças na velocidade do gás durante sua expansão. Esses expansores podem ser de um ou dois estágios, verticais ou horizontais, e também podem ser do tipo impulsivo ou reativo. Geralmente, é utilizado um sistema de fluxo centrífugo de único estágio; a energia externa gerada é absorvida pelo gerador, pelo ventilador ou pelo freio a óleo. É semelhante a um compressor centrífugo de estágio único, mas possui um defletor (com pás ajustáveis) para regular a quantidade de ar de entrada. Os rolamentos de baixa velocidade são lubrificados por meio de óleo, enquanto os de alta velocidade utilizam rolamentos a gás. Devido às perdas causadas por bocais de saída, perdas no rotor, perdas de velocidade residual, perdas por atrito no disco do rotor, perdas por vazamentos, perdas por fluxo cruzado e perdas devido à entrada de calor externo, a eficiência adiabática dos expansores turbomotores é, em geral, de 65–75% para expansores de pressão média, e de 75–85% para expansores de baixa pressão. Na década de 1960, já eram produzidos expansores a líquido, utilizados principalmente em equipamentos de separação de gás natural.