Проблема числа ступеней расширителя

Принцип работы расширительного агрегата заключается в использовании процесса расширения сжатого газа и снижения его давления для выделения механической энергии; это позволяет снизить температуру газа и тем самым получить холод. Расширительные агрегаты часто используются в оборудовании для экстремально низких температур. Расширители делятся в зависимости от способа движения и конструкции на поршневые расширители и турбинные расширители. Поршневые расширители в основном применяются в небольших и средних устройствах высокого и среднего давления для работы при низких температурах, где требуется высокое соотношение давлений и небольшой расход потока. По сравнению с поршневыми расширителями, турбинные расширители обладают такими преимуществами, как большой расход потока, простая конструкция, небольшие габариты, высокая эффективность и длительный срок службы; они подходят для использования в крупных и средних устройствах, работающих при низких температурах. 　　Расширительный насос с поршнем — это насос, при котором газ расширяется в камере с переменным объемом, что позволяет получать работу для охлаждения (обычно эта работа поглощается электродвигателем, выполняющим функцию тормоза). Такие расширители бывают двух типов: отдельностоящие и горизонтальные. Чаще всего используется вертикальная конструкция; коленчатый вал, шатуны, поршень, впускные и выпускные клапаны являются движущимися элементами, которые располагаются в корпусе, цилиндрах и промежуточных узлах. Их функция схожа с функцией поршневых компрессоров, однако впускные и выпускные клапаны открываются и закрываются под действием камер, контролирующих момент впуска и выпуска газа. Из-за потерь холода, вызванных сопротивлением потока во впускных и выпускных клапанах, неполным расширением, теплом трения, а также теплообменом с окружающей средой и внутри устройства, коэффициент изоляции пистонных расширителей обычно составляет: 65–85% для высоконапорных расширителей и 60–70% для средненапорных расширителей. Разработанные в 1950-х годах расширители без клапанов и с одним клапаном, не использующие камертонные механизмы, позволили уменьшить количество движущихся частей в расширителе и повысить надежность его работы. Они находят широкое применение в небольших устройствах для работы при очень низких температурах. В 60-х годах вместо металлических уплотнительных элементов, смазанных маслом, начали использоваться уплотнительные элементы из политетрафторэтилена с добавлением наполнителей. Это позволило избежать попадания смазочного масла в зоны глубокого охлаждения или зоны ликвидации, тем самым обеспечивая безопасность. 　　Турбинный расширитель — это расширитель, который передает энергию за счёт изменения скорости газа в процессе его расширения. Такие расширители делятся на одноступенчатые и двухступенчатые, вертикальные и горизонтальные, импульсные и реактивные. Обычно используется одноступенчатый центробежный реактивный принцип; выделяемая механическая энергия поглощается генератором, вентилятором или масляным тормозом. Он похож на одноступенчатый центробежный компрессор, но имеет направляющий узел с регулируемыми лопастями для регулировки количества поступающего воздуха. Для подшипников низкой скорости используется принудительное смазывание маслом, а для высокоскоростных — газовые подшипники. Из-за потерь, связанных с насадками, лопастями ротора, остаточной скоростью, трением диска, утечками, перекрытием потоков и проникновением внешнего тепла, коэффициент изолированной эффективности турбинных расширителей обычно составляет: для средненапорных расширителей – 65–75%, а для низконапорных – 75–85%. В 60-х годах были созданы агрегаты с жидкостными расширителями, которые в основном использовались в оборудовании для разделения природного газа.