李?yuàn)Z 鄭偉
中航工業(yè)遼寧陸平機(jī)器股份有限公司 遼寧鐵嶺 112001
車(chē)載氮?dú)庵苽浼幼⑾到y(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
李?yuàn)Z 鄭偉
中航工業(yè)遼寧陸平機(jī)器股份有限公司 遼寧鐵嶺 112001
介紹了一款氮?dú)庵苽浼幼④?chē)上的氮?dú)庵苽浼幼⒃O(shè)備對(duì)氮?dú)獾纳a(chǎn)、儲(chǔ)備及加注過(guò)程的設(shè)計(jì)思路,主要圍繞氮?dú)庵苽浼幼⒃O(shè)備的系統(tǒng)匹配性進(jìn)行了闡述,并經(jīng)過(guò)對(duì)樣機(jī)的試驗(yàn)測(cè)試,證明其各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到良好效果。
氮?dú)庵苽浼幼⒃O(shè)備 氮?dú)馍a(chǎn) 增壓儲(chǔ)備 壓力加注
氮?dú)庠趪?guó)民經(jīng)濟(jì)和日常生活中有著廣泛的應(yīng)用,如利用氮?dú)庾鳛楹附颖Wo(hù)氣;利用氮?dú)夥獯娈?huà)頁(yè)、書(shū)卷;利用氮?dú)獗ur糧食、水果等。目前市場(chǎng)上的氮?dú)舛嘤蓪?zhuān)業(yè)廠家生產(chǎn),通過(guò)鋼瓶?jī)?chǔ)存、周轉(zhuǎn),對(duì)于大量使用氮?dú)獾挠脩?hù)既不經(jīng)濟(jì),也不方便。我國(guó)早期生產(chǎn)的制氮車(chē)采用的設(shè)備和工藝現(xiàn)已落后,故此介紹一款小型化的車(chē)載氮?dú)庵苽浼幼⒃O(shè)備。
車(chē)載氮?dú)庵苽浼幼⒃O(shè)備系統(tǒng)主要由4.5 m車(chē)廂[1]、空氣壓縮機(jī)、制氮機(jī)、增壓加注機(jī)、壓縮空氣緩沖罐、低壓氮?dú)饩彌_罐、氮?dú)怃撈亢?0 kW發(fā)電機(jī)組組成。
整套系統(tǒng)布置在氮?dú)庵苽浼幼④?chē)的廂體內(nèi)??紤]到發(fā)電機(jī)組和空氣壓縮機(jī)工作時(shí)需要滿(mǎn)足良好的通風(fēng)散熱條件,同時(shí)為了避免產(chǎn)生噪聲共振,將空氣壓縮機(jī)布置在車(chē)廂前部,發(fā)電機(jī)組布置在車(chē)廂后部;車(chē)廂中部為工作艙,內(nèi)部設(shè)有制氮機(jī)、氮?dú)庠鰤杭幼C(jī)、氮?dú)怃撈俊⒖照{(diào)機(jī)和附件柜等(如圖1)。
4.1 空氣壓縮機(jī)
4.1.1 功用
選用滑片式空氣壓縮機(jī),一方面是為制氮機(jī)提供氮?dú)鈦?lái)源;另一方面是為氮?dú)庠鰤杭幼C(jī)中的增壓泵提供動(dòng)力。
4.1.2 主要特點(diǎn)及性能參數(shù)
滑片式空氣壓縮機(jī),運(yùn)動(dòng)部件只有轉(zhuǎn)子一個(gè),可靠性高;轉(zhuǎn)速低(1 460 r/min),磨損小、壽命長(zhǎng);滑片靠離心力自動(dòng)補(bǔ)償與定子腔壁的間隙,容積效率高;機(jī)器運(yùn)行時(shí)不會(huì)產(chǎn)生振動(dòng),唯一的噪音來(lái)自電機(jī)和冷卻風(fēng)扇,噪音相對(duì)較低。其性能參數(shù)如表1所示。
表1 空氣壓縮機(jī)性能參數(shù)
4.2 制氮機(jī)
4.2.1 功用
選用膜式制氮機(jī),主要是從壓縮空氣中分離氮?dú)?,純度達(dá)99.5%。
4.2.2 主要特點(diǎn)及性能參數(shù)
空氣在膜兩側(cè)壓差的作用下,因膜中的溶解度和擴(kuò)散系數(shù)的不同,空氣中的水分、氧氣、二氧化碳等在膜中相對(duì)滲透速率較快,從而在膜滲透?jìng)?cè)被富集;而氮?dú)?、氬氣滲透速率相對(duì)較慢,則被滯留在另一側(cè)而得到富集,從而達(dá)到了在空氣中分離氮?dú)獾哪康模ㄈ鐖D2)。
膜式制氮機(jī)從空氣中取氮,因原料無(wú)限,回收率高,能耗小,氮?dú)獬杀竞艿?;其結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、輕便而節(jié)省空間,比早期的單級(jí)分餾塔先進(jìn)[3],且無(wú)運(yùn)動(dòng)部件,無(wú)噪音、無(wú)污染,可連續(xù)產(chǎn)氣,幾乎不需維修,現(xiàn)采用微電腦可精確地將氮?dú)饧兌瓤刂圃诤苄〉淖兓秶鷥?nèi),使制備出的氮?dú)鉄o(wú)浪費(fèi)現(xiàn)象。其性能參數(shù)如表2所示。
表2 制氮機(jī)性能參數(shù)
4.3 增壓加注機(jī)
4.3.1 功用
選用氣動(dòng)增壓加注機(jī),將低壓氮?dú)饩彌_罐內(nèi)的0.8 MPa氮?dú)庠鰤撼涮畹?5 MPa,40 L的氮?dú)怃撈績(jī)?nèi)。
4.3.2 主要特點(diǎn)及性能參數(shù)
增壓加注機(jī)采用高低壓組合的氣動(dòng)泵,將低壓氮?dú)鈨?chǔ)罐內(nèi)的低壓氮?dú)?,增壓加注到?biāo)準(zhǔn)氮?dú)怃撈績(jī)?nèi),以滿(mǎn)足用戶(hù)需求。整機(jī)結(jié)構(gòu)緊湊,氣動(dòng)泵可在滿(mǎn)負(fù)荷下頻繁啟動(dòng),效率高、可控性好、經(jīng)久耐用(如圖3)。其性能參數(shù)如表3所示。
表3 氮?dú)庠鰤杭幼C(jī)性能參數(shù)
5.1 用氣量校核
空氣壓縮機(jī)為制氮機(jī)和氮?dú)庠鰤簷C(jī)提供氣源及增量,空氣壓縮機(jī)排氣流量與制氮機(jī)、氮?dú)庠鰤簷C(jī)的耗氣量需要合理匹配,即空氣壓縮機(jī)排氣流量為3.25 N·m3/min,制氮機(jī)耗氣量為1.5 N·m3/min,氮?dú)庠鰤杭幼C(jī)耗氣量為1.5 N·m3/min。
制氮機(jī)和氮?dú)庠鰤杭幼C(jī)的耗氣量總和為3.0 N·m3/min,小于空氣壓縮機(jī)的排氣量3.25 N·m3/min,所以整個(gè)系統(tǒng)的用氣量滿(mǎn)足要求。
5.2 壓力校核
空氣壓縮機(jī)、制氮機(jī)和氮?dú)庠鰤簷C(jī)的壓力匹配參數(shù)如圖4所示。
從表4可知,空氣壓縮機(jī)出氣壓力為1.0 MPa,可滿(mǎn)足制氮機(jī)要求;制氮機(jī)壓力為0.8 MPa,同樣能滿(mǎn)足氮?dú)庠鰤簷C(jī)要求。
表4 用氣量校核
5.3 產(chǎn)氮量校核
制氮機(jī)產(chǎn)氮量的技術(shù)要求是當(dāng)?shù)獨(dú)饧兌取?9.5%時(shí),制氮量為0.15~0.22倍的制氮機(jī)進(jìn)口空氣流量。其關(guān)系表達(dá)式為[2]:
式中,Q氮為制氮機(jī)的產(chǎn)氮量,N·m3/h;Q空為制氮機(jī)的進(jìn)口空氣流量,Q空=1.5×60 N·m3/h;k為某一氮?dú)饧兌认碌漠a(chǎn)氮系數(shù),該機(jī)氮?dú)饧兌葹?9.5%,產(chǎn)氮系數(shù)k=0.15~0.22,取k=0.15。
將式中已知數(shù)值代入可得Q氮= 13.5 N·m3/h>10 N·m3/h,滿(mǎn)足制氮量要求。
5.4 氮?dú)庵苽鋾r(shí)間校核
充填一個(gè)15 MPa下的40 L氮?dú)怃撈克钑r(shí)間小于45 min。其關(guān)系表達(dá)式為[2]:
式中,T儲(chǔ)為一個(gè)鋼瓶的充氮時(shí)間,min;V瓶為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的鋼瓶容積,V瓶=40×10-3×150 N·m3;Q2低為二級(jí)增壓泵的入口壓力在2.5 MPa<P2≤8 MPa時(shí)的出口平均流量,Q2低=0.16 N·m3/min。
將式中已知數(shù)值代入可得T儲(chǔ)=37.5 min<45 min,滿(mǎn)足鋼瓶充氮時(shí)間要求。
5.5 電功率校核
為了滿(mǎn)足系統(tǒng)的用電要求和車(chē)載質(zhì)量要求,配備1臺(tái)30 kW發(fā)電機(jī)組。該發(fā)電機(jī)組在額定功率的80%狀態(tài)下工作是最理想的,即24 kW。由表1、表2分別可知,空氣壓縮機(jī)功率為22 kW,制氮機(jī)功率為0.8 kW,故供電能力滿(mǎn)足系統(tǒng)要求。
對(duì)車(chē)載氮?dú)庵苽浼幼⑾到y(tǒng)進(jìn)行性能測(cè)試,試驗(yàn)詳細(xì)數(shù)據(jù)如表5所示。
表5 氮?dú)庵苽湫阅軠y(cè)試數(shù)據(jù)
通過(guò)測(cè)試說(shuō)明,系統(tǒng)所配置的空氣壓縮機(jī)、制氮機(jī)、增壓加注機(jī)等設(shè)備性能,均滿(mǎn)足作業(yè)性能要求。
本文在車(chē)載氮?dú)庵苽浼幼⑾到y(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中,主要解決了車(chē)載情況下氮?dú)馍a(chǎn)、增壓儲(chǔ)備和加注作業(yè)性能參數(shù)的匹配問(wèn)題,同時(shí)通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證其設(shè)計(jì)中采用的校核方法與實(shí)際測(cè)試結(jié)果接近,滿(mǎn)足此類(lèi)產(chǎn)品的指標(biāo)論證要求,亦可為同類(lèi)產(chǎn)品設(shè)計(jì)或主要設(shè)備選型提供相關(guān)思路和參考。
[1] GJB 6109-2007.軍用方艙通用規(guī)范[S].
[2] GB/T 3864-2008.工業(yè)氮[S].
[3] 陳連善,孫復(fù)初.KL-15A型制氧制氮車(chē)的研制[J].深冷技術(shù),2003.13-17.
Design of Nitrogen Manufacturing & Filling System Carried by Vehicle
LIDuoetal
The design method for the manufacture, storage and filling process of manufacturing & filling system mounted on vehicle was introduced, especially focused on description of the matching character for the Nitrogen Manufacturing & Filling System.Through testing for the sample vehicle, a good result was achieved for all the technical targets of the system.
manufacturing & filling system; nitrogen manufacture; pressurized storage; pressurized filling
U469.6.03;TQ116.11
C
1004-0226(2016)06-0099-03
李?yuàn)Z,男,1979年生,工程師,現(xiàn)從事專(zhuān)用車(chē)設(shè)計(jì)工作。
2016-04-13