李雅清 黃 虎 張忠斌 吳未立 王 慧

(1南京師范大學(xué)能源與機(jī)械工程學(xué)院 南京 210042;2南京碳環(huán)生物質(zhì)科技有限公司 南京 211162)

垃圾填埋氣、沼氣、石油伴生氣等生物質(zhì)氣體中通常含有水蒸汽、硫化氫、硅氧烷等微量成分［1］。在燃?xì)廨啓C(jī)中，硅氧烷通常附著在噴嘴和葉片上，造成對渦輪葉片的腐蝕，降低了運行效率;燃燒過程后形成的一些有機(jī)硅化合物會使發(fā)動機(jī)潤滑油中毒，因此需要更頻繁地更換發(fā)動機(jī)潤滑油［2－4］。采用深冷技術(shù)脫除硅氧烷是一種高效、經(jīng)濟(jì)并可投入商業(yè)化的途徑。文獻(xiàn)［5］中，Albertsen等人采用深冷裝置在－30℃條件下得到沼氣(1700 m3/h，7 ～15 mg，Si/m3)中的硅氧烷脫除率為80% ～90%［5］。Wheless和Jeffrey等人在壓力為2.5 MPa，溫度為－4℃時得到垃圾填埋氣中硅氧烷脫除率為32%;－29℃時為95%［5］。

雖然已有文獻(xiàn)證明深冷脫硅氧烷技術(shù)的可行性，但在國內(nèi)，對于這類系統(tǒng)裝置的研究卻很少。一種冷凍脫除硅氧烷的系統(tǒng)［6］，在開機(jī)啟動和切換除霜的過程都有一個較長的非穩(wěn)態(tài)緩沖期，在這個階段內(nèi)，不能將生物氣處理到要求溫度，硅氧烷脫除率低。為了分析在緩沖期內(nèi)各因素對系統(tǒng)的影響，采用了兩組實驗進(jìn)行對比研究。

1 實驗系統(tǒng)原理及方案

1.1 實驗系統(tǒng)原理介紹

如圖1所示，冷凍脫硅氧烷系統(tǒng)由制冷劑循環(huán)系統(tǒng)和生物質(zhì)氣循環(huán)系統(tǒng)組成?？紤]到嚴(yán)重結(jié)霜溫區(qū)為0～3℃［7］，生物氣先進(jìn)入預(yù)冷器被預(yù)冷至3℃左右，然后進(jìn)入蒸發(fā)器被進(jìn)一步冷卻至－28℃，再回流至預(yù)冷器冷卻來流生物氣，最后排出收集。在開機(jī)和除霜的過程中(具體過程可參考文獻(xiàn)［6］)，系統(tǒng)開始運行到進(jìn)入穩(wěn)定運行狀態(tài)(預(yù)冷器和蒸發(fā)器中生物氣進(jìn)出口溫度不再隨時間變化)需要一段較長的動態(tài)緩沖時間。

1.2 實驗方案

考慮到實驗處理后的生物質(zhì)氣不能回收，直接排入大氣將對人員安全和環(huán)境造成影響，實驗中采用相同溫度和壓力下的壓縮空氣來替代生物質(zhì)氣體。樣機(jī)裝置采用R22制冷劑，主要由壓縮機(jī)、冷凝器，蒸發(fā)器，預(yù)冷器、干燥過濾器、膨脹閥等組成。

圖1實驗系統(tǒng)流程圖Fig．1 The schematic diagram of the experiment system

對系統(tǒng)初步分析知:1)預(yù)冷器的冷源由冷卻后回流的空氣提供，同時預(yù)冷器對空氣的處理效果直接影響蒸發(fā)器對空氣的處理效果;因此，在開機(jī)過程中，預(yù)冷器和蒸發(fā)器之間存在一動態(tài)耦合關(guān)系。2)開機(jī)過程中，由于制冷劑狀態(tài)的變化和蒸發(fā)器、預(yù)冷器自身熱惰性因素需要一個穩(wěn)定過程。

為了探討這兩個因素對系統(tǒng)開機(jī)緩沖期時間的影響效果，分別采用了一個常規(guī)實驗和一個對比實驗進(jìn)行研究。如圖1所示的實驗系統(tǒng)流程，常規(guī)實驗中，制冷劑循環(huán)系統(tǒng)和空氣循環(huán)系統(tǒng)正常開啟，中間冷干機(jī)始終處于關(guān)閉狀態(tài);對比實驗中，系統(tǒng)開啟時，同時開啟冷干機(jī)，輔助預(yù)冷運行10 min后，再將冷干機(jī)退出系統(tǒng);測定兩組實驗中系統(tǒng)從啟動到穩(wěn)定運行所耗時間，并采用溫度、壓力傳感器測定兩組實驗中預(yù)冷器和蒸發(fā)器中空氣進(jìn)出口溫度隨時間的變化數(shù)據(jù)。

1.3 測點分布

對應(yīng)實驗流程圖中的標(biāo)號，對預(yù)冷器和蒸發(fā)器的幾個測點進(jìn)行說明，如表1所示:

表1壓力與溫度測點分布說明Tab．1 Interpretation of measure point

2 實驗數(shù)據(jù)采集與處理

2.1 實驗數(shù)據(jù)采集

常規(guī)實驗:12:54開機(jī)運行，13:28系統(tǒng)進(jìn)入穩(wěn)定運行狀態(tài)，整個數(shù)據(jù)采集過程持續(xù)46 min(間隔采樣為10 s);空氣定質(zhì)量流量(62 kg/h)。

對比實驗:9:57開機(jī)運行，10:07冷干機(jī)退出系統(tǒng)，10:21系統(tǒng)進(jìn)入穩(wěn)定運行狀態(tài)，整個數(shù)據(jù)采集過程持續(xù)1 h 18 min(間隔采樣為10 s);空氣定質(zhì)量流量(62 kg/h)。

2.2 實驗數(shù)據(jù)處理

對兩組實驗中系統(tǒng)非穩(wěn)態(tài)緩沖期內(nèi)的實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行整理。常規(guī)實驗選取12:54到13:34這一時間段的實驗數(shù)據(jù)，以每1 min時間間隔取一組數(shù)據(jù)，共41組;對比實驗選取9:57到10:25這一時間段的實驗數(shù)據(jù)，以每1 min時間間隔取一組數(shù)據(jù)，共28組。

根據(jù)兩組實驗中數(shù)據(jù)分別繪制了制冷劑各測點溫度和空氣各測點溫度隨時間的變化曲線圖(圖2～圖5)。

圖2常規(guī)實驗制冷劑溫度隨時間變化圖Fig．2 Refrigerant temperature VS operating time in routine test

3 實驗數(shù)據(jù)分析

圖3對比實驗制冷劑溫度隨時間變化圖Fig．3 Refrigerant temperature VS operating time in contrast test

圖4常規(guī)實驗空氣溫度隨時間變化圖Fig．4 Air temperature VS operating time in routine test

圖5對比實驗空氣溫度隨時間變化圖Fig．5 Air temperature VS operating time in contrast test

常規(guī)實驗中系統(tǒng)的非穩(wěn)態(tài)緩沖時間為40 min;對比實驗加入冷干機(jī)的時段打破了預(yù)冷器和蒸發(fā)器的動態(tài)耦合關(guān)系，系統(tǒng)的非穩(wěn)態(tài)緩沖時間降為27 min，非穩(wěn)態(tài)緩沖時間減少了32.5%;雖然來流空氣溫度略有差別，但對數(shù)據(jù)不會造成本質(zhì)影響。

3.1 制冷劑狀態(tài)變化及蒸發(fā)器熱惰性因素

由于工質(zhì)遷移和制冷劑的狀態(tài)變化，制冷劑循環(huán)系統(tǒng)在啟動時需要一個穩(wěn)定時間段;這一階段內(nèi)，制冷劑在蒸發(fā)器內(nèi)處于池狀沸騰到正常沸騰的過渡階段，蒸發(fā)吸收來自空氣和自身溫度下降放出的熱量，制冷劑進(jìn)出口溫度逐漸降低，直至達(dá)到蒸發(fā)溫度。

蒸發(fā)器內(nèi)空氣側(cè)流動換熱公式:

蒸發(fā)器內(nèi)制冷劑側(cè)流動換熱公式:

式中:m0為空氣質(zhì)量流量;tw為管壁溫度;ξ為析濕系數(shù);α0為空氣側(cè)放熱系數(shù);A0空氣側(cè)傳熱面積;mr為制冷劑質(zhì)量流量;αi為制冷劑側(cè)放熱系數(shù);Ai制冷劑側(cè)傳熱面積。

在考慮蒸發(fā)器自身的熱惰性時有:

由公式(1)、(2)、(3)知，若忽略放熱系數(shù)隨溫度的變化，在非穩(wěn)態(tài)緩沖段，tr、tw、t3、t4在相互作用下形成一動態(tài)平衡過程;直至tw達(dá)到最終的穩(wěn)定溫度，此時:qm=q0。

由圖2和圖3對比可知，常規(guī)實驗中，制冷劑進(jìn)口溫度在啟動22 min后基本達(dá)到穩(wěn)定，對比實驗中，制冷劑進(jìn)口溫度在啟動18 min后基本達(dá)到穩(wěn)定。常規(guī)實驗中，空氣進(jìn)出口溫度高，傳熱溫差較高，q0較大;所以管壁溫度變化速率較小，達(dá)到穩(wěn)定溫度的耗時更長。對比實驗中，空氣進(jìn)口溫度已快速降到了0℃以下，由于溫差降低熱流密度q0下降，管壁溫度變化速率相對較大，達(dá)到穩(wěn)定溫度的耗時相對較短。兩組實驗中，制冷劑循環(huán)系統(tǒng)自身穩(wěn)定的時間相差為4 min左右。

采用Matlab軟件對兩組實驗中t7隨時間變化數(shù)據(jù)進(jìn)行了擬合:

常規(guī)實驗:

對比實驗:

在常規(guī)實驗中，t7隨時間t近似為三次多項式變化，而對比實驗中，t7隨時間t近似為線性變化。

圖6常規(guī)實驗t7隨時間變化圖Fig．6 t7VS operating time in routine test

圖7對比實驗t7隨時間變化圖Fig．7 t7VS operating time in contrast test

3.2 蒸發(fā)器和預(yù)冷器的耦合關(guān)系因素

預(yù)冷器的冷負(fù)荷為來流空氣進(jìn)出口焓差，預(yù)冷器冷源為回流空氣進(jìn)出口焓差，在考慮冷量耗散η后，由能量守恒方程:

預(yù)冷器內(nèi)的傳熱方程:

隨著t4下降，溫差升高，預(yù)冷器的換熱能力提高，蒸發(fā)器空氣進(jìn)口溫度t3也會降低;而t3又直接影響了蒸發(fā)器空氣出口溫度t4;在蒸發(fā)器和預(yù)冷器之間存在一個動態(tài)的耦合關(guān)系，直到t3、t4達(dá)到平衡點，系統(tǒng)各點溫度不再隨時間變化。

由圖4、圖5知，常規(guī)實驗中，t4隨t3呈線性變化，且變化速率近似為1。對比實驗中，開機(jī)0～9 min冷干機(jī)輔助預(yù)冷運行時段，蒸發(fā)器進(jìn)口溫度t3迅速從15℃降至－10℃，這一過程t4也迅速降到－10℃，與t3基本成線性變化;9～15 min時段，冷干機(jī)退出系統(tǒng)，t3快速回升到0℃，t4依然呈緩速下降;15～27 min時段，t3逐漸降低到－3℃，而t4出現(xiàn)輕微回升再降低至－28℃。t4與t3的基本變化趨勢是一致的，但在9～15 min時段，蒸發(fā)器的管壁溫度逐漸降低，而空氣進(jìn)口溫度t3升高，由公式(1)知這一時段由于傳熱溫差的增大而使得熱流密度增加，所以t4與t3呈現(xiàn)出相反的變化趨勢;而在之后t4出現(xiàn)了回升現(xiàn)象，但回升幅度相對較小;說明t4對t3的熱響應(yīng)存在延遲和衰減，延遲時間約為2 min。

常規(guī)實驗中，冷凍脫硅氧烷系統(tǒng)非穩(wěn)態(tài)緩沖時間為40 min，制冷劑循環(huán)系統(tǒng)在22 min已達(dá)到穩(wěn)定;對比實驗中冷凍脫硅氧烷系統(tǒng)非穩(wěn)態(tài)緩沖時間為27 min，制冷劑循環(huán)系統(tǒng)在18 min達(dá)到穩(wěn)定。兩組實驗中，由于空氣溫度的影響，制冷劑系統(tǒng)自身穩(wěn)定時間僅相差4 min;在對比實驗中，由于冷干機(jī)破壞了蒸發(fā)器和預(yù)冷器的耦合作用，整個系統(tǒng)穩(wěn)定時間減少了13 min，非穩(wěn)態(tài)緩沖時間減少了32.5%;由此可見，蒸發(fā)器和預(yù)冷器的耦合作用對系統(tǒng)的穩(wěn)定性有很大影響。

4 結(jié)論

通過對兩組實驗數(shù)據(jù)的對比分析，得出了以下幾點結(jié)論:

1)導(dǎo)致系統(tǒng)非穩(wěn)態(tài)緩沖時間過長的兩個主要原因:制冷劑狀態(tài)變化及蒸發(fā)器自身的熱惰性;預(yù)冷器和蒸發(fā)器之間的動態(tài)耦合關(guān)系;打破蒸發(fā)器和預(yù)冷器的耦合關(guān)系后，非穩(wěn)態(tài)緩沖時間減少了32.5%，因此，對系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)以減小這種耦合作用對提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性具有顯著意義。

2)環(huán)境及被處理空氣溫度對制冷劑循環(huán)系統(tǒng)自身穩(wěn)定時間有一定延遲影響，蒸發(fā)器出口溫度t4是管壁溫度tw和空氣進(jìn)口溫度t3的共同作用的結(jié)果，并且對t3的熱響應(yīng)存在延遲和衰減。

本文受江蘇省高校自然科學(xué)基金(12KJB470010)支持。(The project was supported by Collegiate Natural Science Fund of Jiangsu Province(No．12KJB470010)．)

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