王紹斌,馮永仁,田建武,吳寶峰,陳永超

(1.西安振宇電子工程有限公司,陜西西安710065;2.中海油田服務(wù)股份有限公司,河北廊坊065201;3.陜西華能西柯科技有限公司,陜西西安710065)

0 引 言

隨著石油開發(fā)鉆井深度加深,井下溫度越來(lái)越高,越來(lái)越惡劣的井下環(huán)境已成為超深井成功測(cè)試的瓶頸。確保深井測(cè)試儀器的正常工作是目前亟待解決的課題。通常的處理方式:①采用制冷方法在測(cè)井設(shè)備內(nèi)部提供一個(gè)溫度相對(duì)較低的空間,將重要的測(cè)試電路及電子器件放置該空間內(nèi);②提高測(cè)試電路及電子器件的耐高溫性能,但開發(fā)及應(yīng)用成本高,不能完全保證儀器在高溫環(huán)境下正常工作。據(jù)統(tǒng)計(jì),器件溫度每提升20 ℃,平均無(wú)故障時(shí)間(MTTF)就會(huì)下降一個(gè)數(shù)量級(jí)[1]。本文介紹了應(yīng)用在高溫環(huán)境下的制冷方法。在綜合對(duì)比了多種制冷方法之后,針對(duì)可在高溫環(huán)境下長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)運(yùn)行的要求,設(shè)計(jì)了2級(jí)壓縮1次節(jié)流中間不完全冷卻制冷循環(huán)。在原有保溫瓶系統(tǒng)的基礎(chǔ)上開發(fā)出一種新型小型蒸氣壓縮制冷機(jī),顯著提高了壓縮機(jī)的耐溫等級(jí),達(dá)到連續(xù)工作的目的。

圖1 實(shí)驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)示意圖及各溫度測(cè)點(diǎn)

1 制冷方法

1.1 相變蓄冷

目前,最常采用的高溫環(huán)境下的制冷方法是相變蓄冷。該方法只需將蓄冷劑與電子器件共同放置在金屬保溫瓶?jī)?nèi),蓄冷劑吸收從高溫環(huán)境傳遞到保溫瓶?jī)?nèi)部的漏熱量以及電子器件的發(fā)熱量,以維持保溫瓶?jī)?nèi)部的溫度。相變蓄冷方法的研究重點(diǎn)在于提高相變材料的儲(chǔ)熱容量、儲(chǔ)熱密度等[2]。李曉燕[3]在高溫相變材料的研制與特性研究方面做了大量實(shí)驗(yàn)。近年來(lái),復(fù)合相變材料發(fā)展迅速,相關(guān)學(xué)者研究了復(fù)合相變材料的結(jié)構(gòu)與換熱性能。劉閔婕等[4]研究了復(fù)合相變材料在受限空間內(nèi)相變過(guò)程的特性,為井下有限空間內(nèi)采用相變蓄冷方法提供了依據(jù)。但是,由于測(cè)井設(shè)備的空間限制,保溫瓶相變材料的蓄冷量有限,在不斷吸熱的過(guò)程中會(huì)逐漸完全相變,失去制冷能力后保溫瓶?jī)?nèi)部溫度就會(huì)升高。相變蓄冷方法限制了測(cè)井設(shè)備的連續(xù)工作時(shí)間,且存在相變材料泄露等問題。

1.2 熱電制冷

為了延長(zhǎng)測(cè)井設(shè)備在井下連續(xù)運(yùn)行時(shí)間,有學(xué)者提出采用熱電制冷方法[5-6]。熱電制冷法響應(yīng)速度快、溫度控制精度高、體積小結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、無(wú)需制冷劑或其他機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件。但是,熱電制冷技術(shù)的制冷系數(shù)低、成本高,而且熱電制冷技術(shù)應(yīng)用在高溫環(huán)境下還需克服很多難題:①測(cè)井設(shè)備環(huán)境溫度過(guò)高,半導(dǎo)體制冷器件的熱端溫度需要一定散熱強(qiáng)度來(lái)保持;②單個(gè)半導(dǎo)體制冷器件可提供的溫差一般較小,而“無(wú)限極聯(lián)”溫差電對(duì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜,在120 ℃以上高溫環(huán)境,熱電制冷方法難以提供較低制冷溫度。

1.3 蒸氣壓縮制冷

相比于最常采用的相變蓄冷方法,蒸氣壓縮制冷方法具有長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)運(yùn)行的優(yōu)點(diǎn)。相比于熱電制冷,蒸氣壓縮制冷循環(huán)效率高。而且小型壓縮機(jī)技術(shù)的成熟縮小了蒸氣壓縮制冷機(jī)的體積,因此,在測(cè)井設(shè)備的有限空間內(nèi)采用蒸氣壓縮制冷方法成為新的研究方向。但是目前尚未有高溫環(huán)境下采用蒸氣壓縮制冷方法的嘗試。本文在此背景下開發(fā)了一種可在高溫環(huán)境下連續(xù)工作的小型蒸氣壓縮制冷機(jī),并搭建了測(cè)試實(shí)驗(yàn)臺(tái),研究蒸氣壓縮制冷技術(shù)在高溫環(huán)境下的特性及適用性。

2 實(shí)驗(yàn)臺(tái)

2.1 實(shí)驗(yàn)臺(tái)組成

該實(shí)驗(yàn)臺(tái)主要由溫箱、保溫瓶、制冷機(jī)和測(cè)量器件組成(見圖1)。溫箱主要用來(lái)模擬井下高溫環(huán)境,其內(nèi)部的溫度可控。金屬材質(zhì)的保溫瓶可保證制冷空間的隔熱性能和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度,從而盡可能減少漏熱并保證內(nèi)部器件的可靠性。制冷系統(tǒng)中除蒸發(fā)器之外的其他部件都置于溫箱內(nèi),與制冷機(jī)在測(cè)井設(shè)備內(nèi)的工作環(huán)境保持一致,蒸發(fā)器則單獨(dú)布置在保溫瓶?jī)?nèi),為保溫瓶?jī)?nèi)提供恒定的相對(duì)低溫環(huán)境。為測(cè)量制冷機(jī)的制冷量,在保溫瓶?jī)?nèi)布置了功率可調(diào)的電加熱絲,在保溫瓶?jī)?nèi)部溫度恒定的情況下可認(rèn)為制冷機(jī)的制冷量等同于電加熱絲功率。

圖1中所示1～9溫度測(cè)點(diǎn)均為制冷機(jī)系統(tǒng)內(nèi)各節(jié)點(diǎn)制冷劑的溫度,用來(lái)查看制冷系統(tǒng)的熱力性能。溫度測(cè)點(diǎn)10、11布置在保溫瓶?jī)?nèi)部,用來(lái)監(jiān)測(cè)保溫瓶?jī)?nèi)部環(huán)境溫度。溫度測(cè)點(diǎn)12布置在溫箱內(nèi),用來(lái)檢測(cè)溫箱內(nèi)部環(huán)境溫度。

2.2 制冷系統(tǒng)

該蒸氣壓縮制冷機(jī)的設(shè)計(jì)要求,在150 ℃的高溫環(huán)境下提供小空間(保溫瓶?jī)?nèi)部)內(nèi)50 ℃的恒定溫度,且具有大于10 W的制冷量。整個(gè)制冷機(jī)需安裝在內(nèi)徑87 mm的圓管中,管長(zhǎng)方向不限制。

首先試制了單級(jí)蒸氣壓縮制冷循環(huán),其冷凝溫度、蒸發(fā)溫度對(duì)應(yīng)的冷凝壓力是蒸發(fā)壓力的20多倍,實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)壓縮機(jī)排氣量基本為0,制冷量幾乎沒有,而且排氣溫度高,壓縮機(jī)功耗高,所以單級(jí)蒸氣壓縮制冷循環(huán)的制冷效率極其低下[7]。分析單級(jí)蒸氣壓縮制冷循環(huán)失敗原因,試驗(yàn)采用2級(jí)蒸氣壓縮制冷循環(huán)。已知應(yīng)用回?zé)嵫h(huán)可提高制冷效率的那部分工質(zhì),在2級(jí)壓縮循環(huán)中應(yīng)采用中間不完全冷卻[8]。因此,重新設(shè)計(jì)了2級(jí)壓縮1次節(jié)流中間不完全冷卻制冷機(jī),循環(huán)原理圖見圖2。

圖2 2級(jí)壓縮1次節(jié)流中間不完全冷卻循環(huán)原理圖

2級(jí)壓縮制冷循環(huán)設(shè)計(jì)過(guò)程中,在蒸發(fā)溫度(壓力)和冷凝溫度(壓力)已給定的情況下,中間溫度(壓力)的選取對(duì)循環(huán)的經(jīng)濟(jì)性、2級(jí)壓縮機(jī)容量和功率都有一定程度的影響[9]。該工況下最佳中間溫度約為90 ℃。

由于壓縮機(jī)布置在保溫瓶外,在150 ℃的高溫環(huán)境下工作,所以需要考慮電機(jī)的散熱問題。而選用的壓縮機(jī)是基于52 ℃以下的環(huán)境溫度開發(fā)的。因此,該實(shí)驗(yàn)實(shí)施了改進(jìn)措施:①對(duì)零件的配合間隙進(jìn)行了調(diào)整,整個(gè)配合間隙放大0.004 mm,然后對(duì)裝配好的泵體進(jìn)行了175 ℃的耐溫試驗(yàn),該泵體在該溫度下能持續(xù)正常轉(zhuǎn)動(dòng),說(shuō)明泵體零件的精度和配合間隙基本滿足要求,壓縮機(jī)在高溫環(huán)境下可以穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn);②壓縮機(jī)電機(jī)在高溫環(huán)境下散熱困難,而現(xiàn)有直流變頻電機(jī)的材料耐熱等級(jí)不超過(guò)140 ℃,因此,對(duì)電機(jī)進(jìn)行了重新設(shè)計(jì),選擇耐溫等級(jí)245 ℃的釤鈷磁鋼,以及絕緣薄膜、漆包線等材料,采用特殊的裝配工藝,并增加了高溫下的運(yùn)轉(zhuǎn)扭矩,保證在高溫下運(yùn)行穩(wěn)定,該直流無(wú)刷同步電機(jī),耐高溫等級(jí)200 ℃,功率100 W,額定電流2.0 A;③為了強(qiáng)化壓縮機(jī)與周圍環(huán)境的換熱,在壓縮機(jī)外殼上增加了圓形散熱翅片,顯著提高了壓縮機(jī)散熱能力。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)1:0 min時(shí)刻開啟制冷機(jī),這時(shí)環(huán)境溫度為30 ℃,且并未控制。制冷機(jī)開始制冷后,保溫瓶?jī)?nèi)溫度逐漸下降,溫箱內(nèi)的環(huán)境溫度由于壓縮機(jī)和冷凝器散熱逐漸上升。20 min時(shí)刻開啟保溫瓶?jī)?nèi)電加熱絲,加熱量5 W,并開啟保溫瓶?jī)?nèi)環(huán)境溫度控制器,因此,溫箱內(nèi)環(huán)境溫度快速上升至設(shè)定溫度140 ℃,而保溫瓶?jī)?nèi)由于電熱絲的加熱和環(huán)境漏熱溫度稍有上升。80 min時(shí)刻后,溫箱內(nèi)環(huán)境溫度控制在140 ℃,保溫瓶?jī)?nèi)2個(gè)測(cè)點(diǎn)溫度都穩(wěn)定在23 ℃和26 ℃,說(shuō)明這段時(shí)間內(nèi)制冷機(jī)的制冷量大于等于5 W(見圖3)。

圖3 140 ℃環(huán)境溫度下5 W加熱量的保溫瓶?jī)?nèi)溫度變化曲線

進(jìn)行環(huán)境溫度150 ℃下的制冷實(shí)驗(yàn),結(jié)果壓縮機(jī)排氣溫度過(guò)高,導(dǎo)致電機(jī)溫度超過(guò)了耐溫等級(jí),無(wú)法穩(wěn)定運(yùn)行,因此,為獲得更大的制冷量,降低環(huán)境溫度至128 ℃。

實(shí)驗(yàn)2:將制冷劑充注量從200 g減到100 g。先開啟溫箱溫度控制器,并將溫度控制在128 ℃,然后在0 min時(shí)刻同時(shí)開啟制冷機(jī)和保溫瓶?jī)?nèi)電加熱絲,加熱量10 W。由于試驗(yàn)開始時(shí)中間壓力設(shè)置不合理,制冷量不足,導(dǎo)致保溫瓶?jī)?nèi)溫度緩慢上升。在20 min時(shí)刻調(diào)節(jié)中間壓力,而后保溫瓶?jī)?nèi)溫度又緩慢下降。40 min時(shí)刻后,溫箱溫內(nèi)環(huán)境度控制在128 ℃,保溫瓶?jī)?nèi)2個(gè)測(cè)點(diǎn)溫度也都穩(wěn)定在18 ℃和26 ℃,說(shuō)明這段時(shí)間內(nèi)制冷機(jī)制冷量大于等于10 W(見圖4)。

圖4 128 ℃環(huán)境溫度下10 W加熱量的保溫瓶?jī)?nèi)溫度變化曲線

實(shí)驗(yàn)3:保持上次實(shí)驗(yàn)相同的步驟,再次調(diào)整了制冷循環(huán)的蒸發(fā)溫度以及中間壓力,并將電加熱絲加熱量升高至15 W。在0 min時(shí)刻同時(shí)開啟制冷機(jī)和保溫瓶?jī)?nèi)電加熱絲,保溫瓶?jī)?nèi)溫度稍有上升,保溫瓶?jī)?nèi)2個(gè)測(cè)點(diǎn)溫度也都穩(wěn)定在22 ℃和30 ℃,說(shuō)明這段時(shí)間內(nèi)制冷機(jī)的制冷量大于等于15 W(見圖5)。

圖5 128 ℃環(huán)境溫度下15 W加熱量的保溫瓶?jī)?nèi)溫度變化曲線

3次實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比表明:環(huán)境溫度越高,制冷量越小;制冷溫度越高,制冷量越大;此外,中間壓力和制冷劑充注量對(duì)系統(tǒng)熱力性能影響也較大。

4 結(jié) 論

(1)小型蒸氣壓縮制冷機(jī)耐溫性能好,可在不高于140 ℃的高溫環(huán)境下持續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行。制冷機(jī)在140 ℃的高溫環(huán)境下具有不小于5 W的制冷量,在128 ℃的高溫環(huán)境下具有不小于15 W的制冷量。

(2)經(jīng)初步探索,蒸氣壓縮制冷方法在高溫環(huán)境下適用。但是目前的效率較低,因此,需要有針對(duì)性地設(shè)計(jì)高溫壓縮機(jī),進(jìn)一步提高壓縮機(jī)耐溫等級(jí),有望實(shí)現(xiàn)在200 ℃以上的高溫環(huán)境下連續(xù)運(yùn)行,并且具有更高效率以及10 W以上制冷量的目標(biāo)值。

(3)目前采用直流變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng),帶來(lái)的噪聲對(duì)測(cè)量精度等會(huì)有影響,因此,還需考慮濾波等問題。此外,該制冷裝置體積與原有保溫瓶系統(tǒng)要保持一致,小型化與輕量化也是下一步重要的研究方向。