鹿來運 張 鐠 郭開華

(中山大學(xué)工學(xué)院 廣州 510006)

1 引 言

自20世紀(jì)90年代以來，基于常規(guī)壓縮機驅(qū)動的混合工質(zhì)節(jié)流制冷循環(huán)以其結(jié)構(gòu)簡單、效率高、性能可靠等優(yōu)點引起了廣泛的關(guān)注和重視，國內(nèi)外學(xué)者紛紛對此開展了研究工作［1-4］。該制冷系統(tǒng)主要采用常規(guī)制冷部件，通過遴選不同配比的混合工質(zhì)而達到非常寬的制冷溫區(qū)，在提高系統(tǒng)穩(wěn)定性和可靠性的同時，大大降低了系統(tǒng)成本，這就為小型低溫氣體液化裝置的工業(yè)化應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

采用油潤滑壓縮機驅(qū)動混合工質(zhì)一次節(jié)流制冷系統(tǒng)流程簡單，但其工程應(yīng)用仍存在一些技術(shù)問題:第一，混合工質(zhì)中高沸點組元凝固點較高，在低溫工況時有可能固相析出［5］，堵塞節(jié)流元件，從而進一步影響系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。第二，采用油潤滑壓縮機作為制冷系統(tǒng)動力源，最大的問題就是如何高效濾油。商業(yè)油分離器對油滴可以進行很好的分離，但是對于溶解于混合工質(zhì)中的油氣則分離困難。當(dāng)潤滑油隨高壓混合工質(zhì)氣流進入多股流換熱器低溫端時，即使是少量的潤滑油凝固，都有可能導(dǎo)致多股流換熱器微通道或節(jié)流閥堵塞。同時系統(tǒng)回油不暢，導(dǎo)致壓縮機潤滑不足，影響壓縮機的使用壽命。第三，采用常規(guī)分離器，在回油的同時使得大量的高壓混合工質(zhì)在沒有制冷之前就隨潤滑油返回壓縮機，造成能量浪費，降低了系統(tǒng)的循環(huán)效率［6］?；贙leemenko循環(huán)原理的各種變種循環(huán)［7-10］，一般采用一個或幾個氣液分離器，同時在每個分離器之間安裝一個或幾個換熱器，以逐級分離高低沸點混合工質(zhì)及潤滑油。但常規(guī)分離器難以提供足夠的讓混合工質(zhì)進行傳熱、傳質(zhì)的空間接觸面積和氣液接觸停留時間，因而難以達到高效分離的目的。

針對上述技術(shù)問題，結(jié)合小型低溫氣體液化實驗臺研究經(jīng)驗，在系統(tǒng)預(yù)冷裝置之后增置一個一體化的氣液分離器。該設(shè)備的主要特點是把氣液分離器和換熱器合而為一，在實現(xiàn)混合工質(zhì)氣液分離的同時還能回收一定的冷量，因而大大簡化了實驗裝置。本研究完成了小型低溫氣體液化實驗臺的調(diào)試和實驗工作，并對分離器的效果、系統(tǒng)整體的熱力性能等進行了實驗研究。

2 實驗裝置

2.1 實驗流程的設(shè)計

圖1 小型低溫氣體液化裝置流程圖Fig.1 Schematic diagram of cryogenic gas liquefaction system

小型低溫氣體液化裝置的循環(huán)流程如圖1所示?；旌瞎べ|(zhì)通過一個全封閉油潤滑壓縮機壓縮，經(jīng)板式換熱器水冷后進行油分離，在預(yù)冷板式換熱器中被冷水機組冷卻，進入氣液分離器進行閃蒸分離。氣液分離器中的液相混合工質(zhì)由底部回流管引出，經(jīng)節(jié)流閥減壓膨脹后，進入內(nèi)置于氣液分離器中的冷卻分凝換熱器，與上升的氣相混合工質(zhì)進行熱交換。被凈化提純后的氣相混合工質(zhì)從氣液分離器的均流收氣器逸出進入多股流換熱器降溫，經(jīng)節(jié)流閥節(jié)流后變?yōu)榈蛪旱蜏貎上喙べ|(zhì)，吸收高壓側(cè)工質(zhì)和空氣流熱量，返流與氣液分離器中液相混合工質(zhì)回流匯合后再經(jīng)氣液分離器進入壓縮機，形成循環(huán)。凈化處理后的壓縮空氣被引入液化系統(tǒng)，在多股流換熱器中被低壓混合制冷劑冷卻降溫，轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)，經(jīng)由液氮輸送管道引入到液態(tài)氣儲罐中儲存。

所設(shè)計氣液分離器的具體分離方式:被冷水機組冷卻后的高壓混合工質(zhì)進入氣液分離器的入流均布噴射器(該部件為直徑為45 mm的不銹鋼管，其上設(shè)置均流孔，管道尾端封堵，水平安裝且打孔側(cè)垂直向下，以保證進氣氣流均勻)，富含高沸點組分和潤滑油的液相混合物沉積于氣液分離器底部，富含低沸點組分的氣相混合工質(zhì)在沉積液中浸沒洗油后上升，經(jīng)固定于器壁槽道的折板分離器進行折流分離和重力沉降，然后進入冷卻分凝換熱器的翅片空間;氣液分離器底部的沉積液從回流管引出，經(jīng)節(jié)流閥減壓膨脹后進入冷卻分凝換熱器的導(dǎo)流管道，與上升的氣相混合工質(zhì)進行熱交換。被凈化提純后的氣相混合工質(zhì)經(jīng)均流收氣器(為直徑45 mm的不銹鋼管，其上設(shè)置均流孔，尾端不封堵，安裝時打孔側(cè)向上且尾端稍向下傾斜，保證出氣氣流不會夾帶液態(tài)工質(zhì))進入多股流換熱器降溫。氣液分離器面板上安裝2個不同高度的視鏡，用于觀察混合制冷劑的液位。這種一體化的熱交換氣液分離器設(shè)計，一方面可以實現(xiàn)混合工質(zhì)高低沸點組分的高效分離，同時回收利用了液相沉積制冷劑膨脹降溫產(chǎn)生的冷量，進一步提純制冷劑，使得氣相混合工質(zhì)中潤滑油含量越來越低，確保在整個系統(tǒng)循環(huán)中進入多股流換熱器的混合工質(zhì)幾乎不含潤滑油。

2.2 實驗裝置

小型低溫氣體液化系統(tǒng)實驗臺由混合工質(zhì)充注系統(tǒng)、冷水機組預(yù)冷系統(tǒng)、混合工質(zhì)節(jié)流制冷循環(huán)、壓縮空氣凈化系統(tǒng)4部分組成，主要設(shè)備及其規(guī)格參數(shù)見表1。

表1 系統(tǒng)主要部件及其規(guī)格參數(shù)Table 1 Major experimental components and specifications

2.3 實驗測試系統(tǒng)

實驗測試系統(tǒng)由溫度傳感器、壓力傳感器、壓力表和數(shù)據(jù)采集儀器等組成，主要測量參數(shù)見表2。上述測量參數(shù)通過計算機數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)Fluke-2680A進行記錄和處理。

表2 實驗參數(shù)測量及儀表Table 2 Parameter measurement and instrument

3 實驗結(jié)果與討論

3.1 系統(tǒng)降溫情況

實驗運行調(diào)試方法為:實驗進行前，先向系統(tǒng)充裝一定濃度配比的混合工質(zhì)，以保證系統(tǒng)正常開機;待系統(tǒng)運行一段時間，視系統(tǒng)運行狀況和降溫溫區(qū)，采取少量多次從儲氣罐調(diào)氣的方式對系統(tǒng)運行工況進行調(diào)節(jié)。

圖2給出了系統(tǒng)降溫曲線圖。系統(tǒng)初始充裝混合工質(zhì)中高沸點組分較多，約占77%，系統(tǒng)初期降溫速度較快。系統(tǒng)溫度降至－140℃左右時，明顯出現(xiàn)一個拐點，從該點至－170℃的溫區(qū)系統(tǒng)整體降溫速度緩慢，分析其原因為:儲氣罐中混合工質(zhì)不均勻，調(diào)入系統(tǒng)的混合工質(zhì)中氮氣含量較多，約占30%;氮氣的提前調(diào)入使得系統(tǒng)整體處于較高工作壓力水平，系統(tǒng)降溫較慢。在－170℃以下溫區(qū)時，混合工質(zhì)中的氮氣組分開始液化，系統(tǒng)降溫速度較快。由圖2可以看出，系統(tǒng)總體降溫平穩(wěn)，達到液氮溫區(qū)后，系統(tǒng)可持續(xù)穩(wěn)定運行，這表明所設(shè)計氣液分離器的油分離效果達到了預(yù)期目的。

圖2 系統(tǒng)降溫曲線圖Fig.2 Time dependencies of cooling performance

3.2 壓縮機運行工況

商業(yè)油潤滑壓縮機的制造工藝成熟，但其工作壓力及壓比一般不大，同時其額定排氣量有限，因此在苛刻工況運行條件下可能無法滿足制冷系統(tǒng)的動力要求。對于本系統(tǒng)，圖3和圖4分別給出了壓縮機的排氣溫度和壓比變化曲線。由圖3可以看出，實驗初始階段壓縮機排氣溫度迅速增大，但隨著系統(tǒng)溫度不斷下降，壓縮機排氣溫度呈下降趨勢。隨著逐步向系統(tǒng)調(diào)入工質(zhì)，壓縮機排氣溫度呈增大趨勢。但總體看來，壓縮機排氣溫度在70—100℃溫區(qū)波動，大致保持在90℃水平，壓縮機運行安全。由圖4可以看出，系統(tǒng)降溫過程其壓比保持在5.0左右，其中28時后系統(tǒng)最大壓比超過6.0，但此時壓縮機排氣溫度仍低于高溫保護溫度120℃，壓縮機運行工況得到大大改善。另外，在整個實驗過程中壓縮機潤滑油油位液面穩(wěn)定，無明顯波動。

3.3 氣液分離器性能

圖5給出了氣液分離器進出口混合工質(zhì)的溫度變化曲線。系統(tǒng)初始運行時，由于氣液分離器回流管節(jié)流閥是關(guān)閉的，加之設(shè)備本身有一定的熱容，因此其出口溫度反而低于入口溫度;自4時起，回流管節(jié)流閥稍微打開，液相沉積混合工質(zhì)膨脹降溫，此時可回收利用一部分冷量。隨著節(jié)流閥開度不斷調(diào)整，氣液分離器出口混合工質(zhì)的溫度明顯低于其入口溫度。實驗過程中，氣液分離器混合工質(zhì)分離液可再冷氣相混合工質(zhì)3.0—7.0℃左右，最大可回收冷量約1.10 kW。系統(tǒng)降溫過程中，透過分離器面板上所設(shè)視鏡可觀察:實驗前期其內(nèi)液面波動較大，但節(jié)流閥的節(jié)流效應(yīng)穩(wěn)定，其前后溫度測點無異常，可推斷即使混合工質(zhì)液面不可見，其存液仍足以保證洗油和回冷要求。系統(tǒng)穩(wěn)定工況時，混合制冷劑液面介于上下視鏡之間，跟實驗預(yù)期設(shè)計相符。

3.4 系統(tǒng)能效分析

實驗中，通過控制混合工質(zhì)調(diào)入量來研究不同濃度配比條件下系統(tǒng)的熱力特性，實驗結(jié)果見表1。從表中可以看出，Mix 1中高沸點組元相對較少，輕烴組分超過87%，因此系統(tǒng)整體處于較高壓力水平，系統(tǒng)功耗較大，效率僅為7.24%。Mix 2適當(dāng)增加高沸點組分含量，重?zé)N組分所占比例由13%提高到17.8%，穩(wěn)態(tài)時系統(tǒng)工作壓力明顯降低，同時壓縮機功耗也大幅降低，系統(tǒng)效率得到很大提高，達到 8.85% 。

表3 不同配比混合工質(zhì)系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運行參數(shù)比較Table 3 Performances of steady state operating parameter with different mixtures

Mix 2工況下系統(tǒng)的有效冷量，即液化空氣所得冷量約為711.3 W，依據(jù)實驗狀態(tài)參數(shù)核算所得系統(tǒng)制冷量為1 682.7 W，亦即系統(tǒng)有很大的能量損失，分析其原因有如下幾點:

(1)系統(tǒng)自身制冷量有限，相對散熱面積較大，特別是多股流換熱器溫差較大，加之保溫效果不理想，漏熱嚴(yán)重;

(2)液氮儲罐自身熱容較大，所得液化空氣不斷蒸發(fā)排空;對于本實驗來講，系統(tǒng)漏熱是一個較大的損失。

4 結(jié) 論

設(shè)計了一種帶能量回收功能的氣液分離器，并建立了相應(yīng)的低溫氣體液化系統(tǒng)實驗臺，對氣液分離器的效果、系統(tǒng)整體的熱力性能等進行了一系列實驗研究，得到以下結(jié)論:

(1)系統(tǒng)整體降溫平穩(wěn)快速，加載壓縮空氣后，系統(tǒng)保持穩(wěn)定運行，并可生產(chǎn)液化空氣，系統(tǒng)最大效率為8.85%。

(2)采用獨立設(shè)計的氣液分離器，可有效解決油潤滑壓縮機驅(qū)動的制冷循環(huán)低溫工況油堵問題，在實現(xiàn)混合制冷劑氣液高效分離的同時還可以回收利用一部分冷量，大大提高了制冷系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

(3)只有所遴選混合工質(zhì)的組分配比合適以及實驗調(diào)試方式適當(dāng)時，系統(tǒng)才會順利降至液氮溫區(qū)，同時具有較高的熱力效率。

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