鹿來(lái)運(yùn) 張 鐠 郭開(kāi)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(lái)，基于常規(guī)壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)的混合工質(zhì)節(jié)流制冷循環(huán)以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、效率高、性能可靠等優(yōu)點(diǎn)引起了廣泛的關(guān)注和重視，國(guó)內(nèi)外學(xué)者紛紛對(duì)此開(kāi)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(guò)遴選不同配比的混合工質(zhì)而達(dá)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(shí)，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(rùn)滑壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)混合工質(zhì)一次節(jié)流制冷系統(tǒng)流程簡(jiǎn)單，但其工程應(yīng)用仍存在一些技術(shù)問(wèn)題:第一，混合工質(zhì)中高沸點(diǎn)組元凝固點(diǎn)較高，在低溫工況時(shí)有可能固相析出［5］，堵塞節(jié)流元件，從而進(jìn)一步影響系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。第二，采用油潤(rùn)滑壓縮機(jī)作為制冷系統(tǒng)動(dòng)力源，最大的問(wèn)題就是如何高效濾油。商業(yè)油分離器對(duì)油滴可以進(jìn)行很好的分離，但是對(duì)于溶解于混合工質(zhì)中的油氣則分離困難。當(dāng)潤(rùn)滑油隨高壓混合工質(zhì)氣流進(jìn)入多股流換熱器低溫端時(shí)，即使是少量的潤(rùn)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(shí)系統(tǒng)回油不暢，導(dǎo)致壓縮機(jī)潤(rùn)滑不足，影響壓縮機(jī)的使用壽命。第三，采用常規(guī)分離器，在回油的同時(shí)使得大量的高壓混合工質(zhì)在沒(méi)有制冷之前就隨潤(rùn)滑油返回壓縮機(jī)，造成能量浪費(fèi)，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(gè)或幾個(gè)氣液分離器，同時(shí)在每個(gè)分離器之間安裝一個(gè)或幾個(gè)換熱器，以逐級(jí)分離高低沸點(diǎn)混合工質(zhì)及潤(rùn)滑油。但常規(guī)分離器難以提供足夠的讓混合工質(zhì)進(jìn)行傳熱、傳質(zhì)的空間接觸面積和氣液接觸停留時(shí)間，因而難以達(dá)到高效分離的目的。

針對(duì)上述技術(shù)問(wèn)題，結(jié)合小型低溫氣體液化實(shí)驗(yàn)臺(tái)研究經(jīng)驗(yàn)，在系統(tǒng)預(yù)冷裝置之后增置一個(gè)一體化的氣液分離器。該設(shè)備的主要特點(diǎn)是把氣液分離器和換熱器合而為一，在實(shí)現(xiàn)混合工質(zhì)氣液分離的同時(shí)還能回收一定的冷量，因而大大簡(jiǎn)化了實(shí)驗(yàn)裝置。本研究完成了小型低溫氣體液化實(shí)驗(yàn)臺(tái)的調(diào)試和實(shí)驗(yàn)工作，并對(duì)分離器的效果、系統(tǒng)整體的熱力性能等進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。

2 實(shí)驗(yàn)裝置

2.1 實(shí)驗(yàn)流程的設(shè)計(jì)

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(guò)一個(gè)全封閉油潤(rùn)滑壓縮機(jī)壓縮，經(jīng)板式換熱器水冷后進(jìn)行油分離，在預(yù)冷板式換熱器中被冷水機(jī)組冷卻，進(jìn)入氣液分離器進(jìn)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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(jìn)入壓縮機(jī)，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(chǔ)罐中儲(chǔ)存。

所設(shè)計(jì)氣液分離器的具體分離方式:被冷水機(jī)組冷卻后的高壓混合工質(zhì)進(jìn)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(jìn)氣氣流均勻)，富含高沸點(diǎn)組分和潤(rùn)滑油的液相混合物沉積于氣液分離器底部，富含低沸點(diǎn)組分的氣相混合工質(zhì)在沉積液中浸沒(méi)洗油后上升，經(jīng)固定于器壁槽道的折板分離器進(jìn)行折流分離和重力沉降，然后進(jìn)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(jìn)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(jìn)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(shí)打孔側(cè)向上且尾端稍向下傾斜，保證出氣氣流不會(huì)夾帶液態(tài)工質(zhì))進(jìn)入多股流換熱器降溫。氣液分離器面板上安裝2個(gè)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(jì)，一方面可以實(shí)現(xiàn)混合工質(zhì)高低沸點(diǎn)組分的高效分離，同時(shí)回收利用了液相沉積制冷劑膨脹降溫產(chǎn)生的冷量，進(jìn)一步提純制冷劑，使得氣相混合工質(zhì)中潤(rùn)滑油含量越來(lái)越低，確保在整個(gè)系統(tǒng)循環(huán)中進(jìn)入多股流換熱器的混合工質(zhì)幾乎不含潤(rùn)滑油。

2.2 實(shí)驗(yàn)裝置

小型低溫氣體液化系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)由混合工質(zhì)充注系統(tǒng)、冷水機(jī)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(jiàn)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(shí)驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)

實(shí)驗(yàn)測(cè)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(cè)量參數(shù)見(jiàn)表2。上述測(cè)量參數(shù)通過(guò)計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)Fluke-2680A進(jìn)行記錄和處理。

表2 實(shí)驗(yàn)參數(shù)測(cè)量及儀表Table 2 Parameter measurement and instrument

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 系統(tǒng)降溫情況

實(shí)驗(yàn)運(yùn)行調(diào)試方法為:實(shí)驗(yàn)進(jìn)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(kāi)機(jī);待系統(tǒng)運(yùn)行一段時(shí)間，視系統(tǒng)運(yùn)行狀況和降溫溫區(qū)，采取少量多次從儲(chǔ)氣罐調(diào)氣的方式對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行工況進(jìn)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(diǎn)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(shí)，明顯出現(xiàn)一個(gè)拐點(diǎn)，從該點(diǎn)至－170℃的溫區(qū)系統(tǒng)整體降溫速度緩慢，分析其原因?yàn)?儲(chǔ)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?dú)夂枯^多，約占30%;氮?dú)獾奶崆罢{(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(shí)，混合工質(zhì)中的氮?dú)饨M分開(kāi)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(dá)到液氮溫區(qū)后，系統(tǒng)可持續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行，這表明所設(shè)計(jì)氣液分離器的油分離效果達(dá)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(jī)運(yùn)行工況

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

3.3 氣液分離器性能

圖5給出了氣液分離器進(jìn)出口混合工質(zhì)的溫度變化曲線。系統(tǒng)初始運(yùn)行時(shí)，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(shí)起，回流管節(jié)流閥稍微打開(kāi)，液相沉積混合工質(zhì)膨脹降溫，此時(shí)可回收利用一部分冷量。隨著節(jié)流閥開(kāi)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(shí)驗(yàn)過(guò)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(guò)程中，透過(guò)分離器面板上所設(shè)視鏡可觀察:實(shí)驗(yàn)前期其內(nèi)液面波動(dòng)較大，但節(jié)流閥的節(jié)流效應(yīng)穩(wěn)定，其前后溫度測(cè)點(diǎn)無(wú)異常，可推斷即使混合工質(zhì)液面不可見(jiàn)，其存液仍足以保證洗油和回冷要求。系統(tǒng)穩(wěn)定工況時(shí)，混合制冷劑液面介于上下視鏡之間，跟實(shí)驗(yàn)預(yù)期設(shè)計(jì)相符。

3.4 系統(tǒng)能效分析

實(shí)驗(yàn)中，通過(guò)控制混合工質(zhì)調(diào)入量來(lái)研究不同濃度配比條件下系統(tǒng)的熱力特性，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。從表中可以看出，Mix 1中高沸點(diǎn)組元相對(duì)較少，輕烴組分超過(guò)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(diǎn)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(shí)系統(tǒng)工作壓力明顯降低，同時(shí)壓縮機(jī)功耗也大幅降低，系統(tǒng)效率得到很大提高，達(dá)到 8.85% 。

表3 不同配比混合工質(zhì)系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運(yùn)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(shí)驗(yàn)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(diǎn):

(1)系統(tǒng)自身制冷量有限，相對(duì)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(chǔ)罐自身熱容較大，所得液化空氣不斷蒸發(fā)排空;對(duì)于本實(shí)驗(yàn)來(lái)講，系統(tǒng)漏熱是一個(gè)較大的損失。

4 結(jié) 論

設(shè)計(jì)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(shí)驗(yàn)臺(tái)，對(duì)氣液分離器的效果、系統(tǒng)整體的熱力性能等進(jìn)行了一系列實(shí)驗(yàn)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(yùn)行，并可生產(chǎn)液化空氣，系統(tǒng)最大效率為8.85%。

(2)采用獨(dú)立設(shè)計(jì)的氣液分離器，可有效解決油潤(rùn)滑壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)的制冷循環(huán)低溫工況油堵問(wèn)題，在實(shí)現(xiàn)混合制冷劑氣液高效分離的同時(shí)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(shí)驗(yàn)調(diào)試方式適當(dāng)時(shí)，系統(tǒng)才會(huì)順利降至液氮溫區(qū)，同時(shí)具有較高的熱力效率。

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