張召,張梅梅,朱偉平,賈啟明,龔領(lǐng)會(huì)

(1.中國(guó)科學(xué)院理化技術(shù)研究所航天低溫推進(jìn)劑技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,100190,北京; 2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué),100190,北京)

experiment platform; reverse Brayton cycle

低溫精餾技術(shù)是氫同位素分離、穩(wěn)定性碳13分離和液氙中除氪-85等的有效手段,具有分離因子高的優(yōu)勢(shì)[1-6]。尤其在含氚重水脫氚方面,通過(guò)低溫精餾,可得到99%以上高純氚,脫氚后尾氣中氚的體積分?jǐn)?shù)可小于0.000 1%[7-11]。低溫精餾技術(shù)的發(fā)展離不開(kāi)低溫制冷技術(shù)的支持。目前低溫精餾技術(shù)多處于實(shí)驗(yàn)室研究階段,精餾規(guī)模相對(duì)較小,一般采用小型低溫制冷機(jī),如斯特林制冷機(jī)和GM制冷機(jī),為精餾塔的冷凝器提供冷量。再沸器則采用電加熱器提供熱量。

隨著低溫精餾處理量的增大,冷凝器所需的制冷量和再沸器的加熱量都將達(dá)到千瓦級(jí)甚至萬(wàn)瓦級(jí),單臺(tái)小型低溫制冷機(jī)將難以滿足所要求的制冷量,如荷蘭斯特林低溫和制冷機(jī)公司生產(chǎn)的SPC-4T型兩級(jí)斯特林制冷機(jī)可在15～60 K提供120～700 W的制冷量,美國(guó)CRYOMECH公司生產(chǎn)的AL330型GM制冷機(jī)可在30 K提供100 W的制冷量。雖然可采用多臺(tái)制冷機(jī)并聯(lián)的方式來(lái)滿足冷凝器制冷量的要求,但是多臺(tái)并聯(lián)增加了流程的復(fù)雜性,使得其可靠性下降;更為重要的是,小型低溫制冷機(jī)因其制冷原理和結(jié)構(gòu)的限制,無(wú)法回收再沸器的巨大冷量,這將造成精餾系統(tǒng)能源的極大浪費(fèi)。

相比小型低溫制冷機(jī),氦透平膨脹機(jī)大型低溫制冷系統(tǒng)具有制冷量大、調(diào)節(jié)方便、工作壽命長(zhǎng)的優(yōu)點(diǎn),并且在能源利用和高能物理方面已經(jīng)廣泛應(yīng)用[12-19]。通過(guò)流程的設(shè)計(jì),可使制冷機(jī)同時(shí)滿足三個(gè)方面的功能,一是為精餾系統(tǒng)的冷凝器提供冷源;二是為精餾系統(tǒng)的再沸器提供加熱量,達(dá)到回收冷量的目的,提高低溫系統(tǒng)的能量效率;三是為冷屏提供冷量,使整個(gè)精餾系統(tǒng)都處于低溫環(huán)境中,減少熱輻射對(duì)精餾系統(tǒng)的影響。目前,由于流程的復(fù)雜性以及研制和運(yùn)行的成本問(wèn)題,國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究非常少。

本文在逆布雷頓循環(huán)的液氫溫區(qū)低溫制冷機(jī)[20]的基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)并研制了一套低溫精餾模擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái),可模擬低溫精餾過(guò)程的冷凝器、再沸器和冷屏的負(fù)載變化工況,驗(yàn)證了大型低溫制冷系統(tǒng)應(yīng)用于低溫精餾技術(shù)的可行性,并且該模擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)可以進(jìn)一步推廣,應(yīng)用于20 K以上溫區(qū)的大冷量低溫精餾模擬實(shí)驗(yàn)研究。

1 逆布雷頓循環(huán)制冷機(jī)原理

圖1為液氫溫區(qū)逆布雷頓循環(huán)制冷機(jī)的流程圖。逆布雷頓循環(huán)是大型低溫制冷機(jī)最簡(jiǎn)單的制冷流程,工質(zhì)通常為氦氣,包括壓縮機(jī)、制冷機(jī)冷箱、負(fù)載冷箱等部件,其中制冷機(jī)冷箱中主要包括一級(jí)換熱器、二級(jí)換熱器、低溫閥和透平膨脹機(jī)。

(a)逆布雷頓循環(huán)制冷機(jī)流程圖

(b)實(shí)際工作循環(huán)對(duì)應(yīng)的T-s圖圖1 逆布雷頓循環(huán)原理圖Fig.1 A principle diagram of inverse Brayton cycle

采用逆布雷頓循環(huán)的低溫制冷機(jī)工作過(guò)程包括:8—0’為等熵壓縮過(guò)程,實(shí)際壓縮過(guò)程則為多變過(guò)程;8—0為實(shí)際的壓縮過(guò)程,壓縮機(jī)將常溫常壓的氦氣壓縮至高溫高壓;0—1為冷卻過(guò)程,由冷卻水系統(tǒng)將熱量帶走;1—2—3和6—7—8為預(yù)冷過(guò)程,其中一級(jí)換熱器為3股流換熱器,通過(guò)液氮預(yù)冷,可將點(diǎn)2處溫度降至80 K左右,再在二級(jí)換熱器中被進(jìn)一步預(yù)冷;3—4為壓力調(diào)節(jié)過(guò)程,通過(guò)低溫調(diào)節(jié)閥將氦氣壓力調(diào)節(jié)至透平膨脹機(jī)入口工作壓力;4—5為膨脹過(guò)程,氦氣在透平膨脹機(jī)中膨脹,使溫度進(jìn)一步降至15 K左右;5—6為吸熱過(guò)程,制冷機(jī)從負(fù)載中吸熱。

透平膨脹機(jī)的效率是影響整個(gè)系統(tǒng)能量利用效率的關(guān)鍵因素,其定義為

(1)

式中:h4為透平膨脹機(jī)入口比焓;h5為透平膨脹機(jī)出口比焓;h5s為透平膨脹機(jī)入口等熵膨脹后的比焓。

制冷機(jī)的制冷量為

(2)

2 流程設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)指標(biāo)和技術(shù)難點(diǎn)

低溫精餾模擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的目的是模擬低溫制冷機(jī)和精餾系統(tǒng)的耦合系統(tǒng),因此,模擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)指標(biāo)根據(jù)實(shí)際低溫精餾系統(tǒng)的需求而定。實(shí)際低溫精餾系統(tǒng)有冷凝器、再沸器和冷屏3個(gè)負(fù)載,因此,提出如下3個(gè)設(shè)計(jì)指標(biāo):

(1)在20 K溫區(qū),為模擬冷凝器負(fù)載提供600～1 200 W的制冷量;

(2)利用一股80 K以下的冷流,回收模擬再沸器600～1 200 W的冷量;

(3)在不高于80 K的溫區(qū),為模擬冷屏負(fù)載提供500 W的制冷量。

A—壓縮機(jī);B—一級(jí)換熱器;C—二級(jí)換熱器;D—透平膨脹機(jī);E—模擬冷凝器;F—模擬再沸器; G—預(yù)冷換熱器;H—模擬冷屏負(fù)載;I—兌溫加熱器;J—室溫加熱器1;K—室溫加熱器2。圖3 模擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)流程Fig.3 The design flow chart of the simulation experiment platform

模擬冷凝器和模擬冷屏的負(fù)載可分別由兩臺(tái)不同功率的電加熱器模擬,制冷量和溫度可分別通過(guò)電加熱器的功率和溫度計(jì)直接測(cè)量。

而模擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的技術(shù)難點(diǎn)在于再沸器負(fù)載的模擬,因?yàn)閷?shí)際精餾系統(tǒng)存在低溫冷源,可利用一股溫度略高于冷源溫度的冷流對(duì)其加熱,從而回收其冷量,但是模擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)并無(wú)這一冷源。這一技術(shù)難點(diǎn)具體可分為兩點(diǎn)。

(1)如何模擬再沸器加熱過(guò)程。引出兩股冷流,溫度較低的冷流用來(lái)模擬再沸器的冷源,溫度相對(duì)較高的冷流用來(lái)模擬再沸器的加熱流,通過(guò)板翅換熱器模擬再沸器加熱過(guò)程,如圖2所示。

圖2 模擬再沸器加熱過(guò)程示意圖Fig.2 A schematic diagram simulating the heating process of reboiler

(2)如何測(cè)量再沸器加熱量。冷源流和加熱流的進(jìn)出口溫度和壓力均可測(cè)量,因此可得到兩股流的進(jìn)出口焓,質(zhì)量流量在低溫下測(cè)量難度大且精度不高,因此,將冷源流引出至室溫部分,使其復(fù)溫至常溫進(jìn)行測(cè)量。根據(jù)能量平衡可知加熱量為

(3)

根據(jù)設(shè)計(jì)指標(biāo)可知,共需要4股冷流來(lái)滿足需要。其中3股冷流對(duì)應(yīng)以上3個(gè)設(shè)計(jì)指標(biāo),一股冷流為冷凝器流,在20 K溫區(qū)為模擬冷凝器提供冷量;一股冷流為再沸器加熱流,為模擬再沸器負(fù)載提供加熱量;一股冷流為冷屏流,在80 K溫區(qū)為模擬冷屏負(fù)載提供冷量。另外還需要制冷機(jī)提供一股冷流,即再沸器冷源流,用來(lái)模擬再沸器冷源。

2.2 流程設(shè)計(jì)

圖3是模擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)流程圖,整個(gè)模擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)可分為室溫部分、制冷機(jī)冷箱和實(shí)驗(yàn)冷箱3個(gè)部分。圖4是制冷機(jī)冷箱和實(shí)驗(yàn)冷箱部分對(duì)應(yīng)的T-s圖。

圖4 制冷機(jī)冷箱和實(shí)驗(yàn)冷箱對(duì)應(yīng)的T-s圖Fig.4 T-s diagram of refrigerator cold box and experimental cold box

模擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)在逆布雷頓循環(huán)制冷系統(tǒng)基礎(chǔ)上改造而來(lái)。相比逆布雷頓制冷系統(tǒng),模擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)有以下特點(diǎn)。

(1)采用級(jí)間旁通方法,從一級(jí)換熱器B和二級(jí)換熱器C之間(點(diǎn)2處)引出一股近80 K的高壓冷流至實(shí)驗(yàn)冷箱,該冷流在預(yù)冷換熱器G中被進(jìn)一步預(yù)冷后,該冷流在點(diǎn)10處分為兩股,一股為冷屏流(圖中黃色線),經(jīng)模擬冷屏負(fù)載H后出實(shí)驗(yàn)冷箱;另一股為再沸器加熱流(圖中橙色線)。

(2)透平膨脹機(jī)后的冷流進(jìn)入實(shí)驗(yàn)冷箱后,首先進(jìn)入模擬冷凝器E,這一股冷流(圖中綠色線)為冷凝器流。從點(diǎn)6后引出一股低溫冷流,即再沸器冷源流(圖中藍(lán)色線),作為模擬再沸器F的冷源。

(3)冷屏流為模擬冷屏負(fù)載H提供冷量后出實(shí)驗(yàn)冷箱,再沸器加熱流則用以回收再沸器冷源流的冷量,再匯入冷凝器流。

此低溫精餾模擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)的創(chuàng)新點(diǎn)包括:①利用制冷機(jī)自身的冷流(圖3中17—18)來(lái)模擬再沸器的低溫冷源,使實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)完成制冷機(jī)和精餾系統(tǒng)的耦合運(yùn)行;②利用級(jí)間旁通為冷屏提供冷量,不需要液氮等額外冷源;③可實(shí)現(xiàn)20 K以上溫區(qū)變工況的運(yùn)行;④可應(yīng)用于氫的多種同位素低溫精餾模擬實(shí)驗(yàn)。

3 模擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的搭建

3.1 模擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的搭建

圖5是模擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的實(shí)物圖。模擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)主要由螺桿壓縮機(jī)、濾油系統(tǒng)、制冷機(jī)冷箱、實(shí)驗(yàn)冷箱、室溫加熱器以及連接管路等組成,其中制冷機(jī)冷箱主要是將工質(zhì)氦氣降至低溫,為實(shí)驗(yàn)冷箱提供冷量;實(shí)驗(yàn)冷箱主要利用冷量進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)。制冷機(jī)冷箱中包括透平膨脹機(jī)、板翅式換熱器、低溫閥等部件,實(shí)驗(yàn)冷箱中包括模擬冷凝器負(fù)載、模擬冷屏負(fù)載、模擬再沸器的換熱器、兌溫?fù)Q熱器、預(yù)冷換熱器以及低溫閥等部件。

1—壓縮機(jī);2—高低壓管路;3—濾油系統(tǒng);4—制冷機(jī)冷箱;5—低溫 管線;6—實(shí)驗(yàn)冷箱;7—控制柜;8—室溫加熱器;9—常溫閥。圖5 模擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的實(shí)物圖Fig.5 Prototype of the simulation experiment platform

壓縮機(jī)是整個(gè)制冷系統(tǒng)的核心部件,為整個(gè)系統(tǒng)提供動(dòng)力。模擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)采用德國(guó)Kaeser公司的ESD441型噴油式螺桿壓縮機(jī),帶有變頻器,可提供最大250 kW的輸入功率。

透平膨脹機(jī)是大型低溫系統(tǒng)的關(guān)鍵部件,模擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)所用透平膨脹機(jī)采用靜壓氣體軸承,軸承氣來(lái)自于制冷機(jī)冷箱的入口前引出的高壓氦氣。額定轉(zhuǎn)速為12×104r/min,透平膨脹機(jī)的轉(zhuǎn)速通過(guò)改變制動(dòng)氣的氣體壓力來(lái)調(diào)節(jié)。

實(shí)驗(yàn)平臺(tái)主要設(shè)備的設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 主要設(shè)備的設(shè)計(jì)參數(shù)

3.2 控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)采用德國(guó)西門子公司的S7-300 PLC控制系統(tǒng),可將采集信號(hào)傳輸至操作臺(tái)。溫度采集使用Lake shore公司的240-8P溫度變送器,并接入PLC控制系統(tǒng)。溫度傳感器采用銠鐵溫度計(jì)和Pt100溫度計(jì),其中溫度低于55 K時(shí)采用銠鐵溫度計(jì)(準(zhǔn)確度為0.1 K),其余使用Pt100溫度計(jì)(準(zhǔn)確度為0.1 K)。壓力傳感器采用北京昆侖海岸傳感技術(shù)有限公司生產(chǎn)的JYB型壓力變送器。再沸器冷源流復(fù)溫后測(cè)量質(zhì)量流量,流量計(jì)采用艾默生的高準(zhǔn)ELITE科里奧利CMFS100型流量計(jì)(0.1級(jí),不確定度<0.03%)。

4 實(shí)驗(yàn)操作流程及結(jié)果

4.1 操作流程

整個(gè)運(yùn)行過(guò)程可分為以下八個(gè)階段,見(jiàn)表2。

4.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖6為壓縮機(jī)和透平膨脹機(jī)的運(yùn)行狀態(tài),圖7為透平出入口溫度和高低壓的變化。

(1)穩(wěn)定性。低溫系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行是應(yīng)用于低溫精餾的前提條件,其穩(wěn)定性主要體現(xiàn)在降溫過(guò)程和調(diào)試過(guò)程中高壓和低壓的穩(wěn)定性。從圖6和圖7可以看出,模擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)穩(wěn)定運(yùn)行,其中高壓約為0.65 MPa,低壓約為0.105 MPa。

表2 運(yùn)行過(guò)程

圖6 壓縮機(jī)和透平膨脹機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)Fig.6 Operation status of a compressor and a turbo expander

圖7 透平出口溫度和高低壓變化Fig.7 Changes of Expander outlet temperature and high and low pressure

(2)降溫時(shí)長(zhǎng)。整個(gè)實(shí)驗(yàn)從開(kāi)機(jī)到停機(jī)共耗時(shí)約16 h,其中氣體純化階段近2 h,這一階段在首次運(yùn)行時(shí),由于雜質(zhì)氣體較多,因此耗時(shí)較長(zhǎng),后續(xù)實(shí)驗(yàn)中此階段耗時(shí)可縮短;液氮預(yù)冷用了近1.5 h,開(kāi)啟透平膨脹機(jī)后降溫4 h達(dá)到最低溫度;降溫階段,透平膨脹機(jī)以9×104r/min轉(zhuǎn)速運(yùn)行,后續(xù)可根據(jù)運(yùn)行狀況適當(dāng)提高轉(zhuǎn)速,使降溫速率更快,縮短降溫時(shí)長(zhǎng)。

(3)負(fù)載運(yùn)行。表3和表4分別列出了負(fù)載在600 W工況和1 200 W工況的運(yùn)行參數(shù)。

表3 600 W工況運(yùn)行參數(shù)

表4 1 200 W工況運(yùn)行參數(shù)

圖8為再沸器冷量回收的過(guò)程。可以看出,600 W工況開(kāi)啟后,通過(guò)調(diào)節(jié)CV5和CV6的開(kāi)度,使加熱流回收冷量達(dá)到600 W以上,穩(wěn)定運(yùn)行約1 h后,調(diào)整至1 200 W工況,經(jīng)過(guò)一段時(shí)間,加熱流回收冷量達(dá)到1 200 W以上。

圖8 再沸器冷量回收過(guò)程Fig.8 Recoving process of Reboiler cold capacity

在600 W工況運(yùn)行時(shí),模擬冷凝器在16.9 K達(dá)到604.3 W的制冷量,模擬再沸器在36.4 K回收682.7 W的冷量,模擬冷屏在72.2 K達(dá)到578.9 W的制冷量,此時(shí)透平膨脹機(jī)效率為74.6%;在1 200 W工況運(yùn)行時(shí),模擬冷凝器在17.8 K達(dá)到1 223.0 W的制冷量,模擬再沸器在45.3 K回收1 312.1 W的冷量,模擬冷屏在83.3 K達(dá)到579.1 W的制冷量,透平膨脹機(jī)效率達(dá)到78.3%。

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出,模擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)可以穩(wěn)定地模擬在20 K溫區(qū),為模擬冷凝器提供600～1 200 W的制冷量,相應(yīng)地,模擬再沸器可回收600～1 200 W的冷量,同時(shí)為模擬冷屏在80 K溫區(qū)提供570 W以上的制冷量,并且實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)透平膨脹機(jī)的效率均在70%以上,實(shí)現(xiàn)了設(shè)定的技術(shù)指標(biāo),可滿足低溫精餾的技術(shù)要求。

5 結(jié) 語(yǔ)

本文基于逆布雷頓循環(huán)低溫制冷機(jī),設(shè)計(jì)并搭建了低溫精餾模擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái),闡明了模擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)指標(biāo)、技術(shù)難點(diǎn)、流程設(shè)計(jì)、模擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的搭建及實(shí)驗(yàn)結(jié)果。利用制冷機(jī)自身的冷流來(lái)模擬再沸器工質(zhì),使實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)完成制冷機(jī)和精餾系統(tǒng)的耦合運(yùn)行;利用級(jí)間旁通為冷屏提供冷量,可使低溫精餾系統(tǒng)不需要液氮等額外冷源,驗(yàn)證了大型低溫制冷系統(tǒng)用于低溫精餾的可行性;可實(shí)現(xiàn)20 K以上溫區(qū)變工況的運(yùn)行,后續(xù)可用于氫的多種同位素低溫精餾模擬實(shí)驗(yàn)。