帶能量回收分離器的混合工質氣體液化系統實驗

鹿來運 張 鐠 郭開華

(中山大學工學院 廣州 510006)

1 引 言

自20世紀90年代以來，基于常規壓縮機驅動的混合工質節流制冷循環以其結構簡單、效率高、性能可靠等優點引起了廣泛的關注和重視，國內外學者紛紛對此開展了研究工作［1-4］。該制冷系統主要采用常規制冷部件，通過遴選不同配比的混合工質而達到非常寬的制冷溫區，在提高系統穩定性和可靠性的同時，大大降低了系統成本，這就為小型低溫氣體液化裝置的工業化應用奠定了基礎。

采用油潤滑壓縮機驅動混合工質一次節流制冷系統流程簡單，但其工程應用仍存在一些技術問題:第一，混合工質中高沸點組元凝固點較高，在低溫工況時有可能固相析出［5］，堵塞節流元件，從而進一步影響系統的穩定運行。第二，采用油潤滑壓縮機作為制冷系統動力源，最大的問題就是如何高效濾油。商業油分離器對油滴可以進行很好的分離，但是對于溶解于混合工質中的油氣則分離困難。當潤滑油隨高壓混合工質氣流進入多股流換熱器低溫端時，即使是少量的潤滑油凝固，都有可能導致多股流換熱器微通道或節流閥堵塞。同時系統回油不暢，導致壓縮機潤滑不足，影響壓縮機的使用壽命。第三，采用常規分離器，在回油的同時使得大量的高壓混合工質在沒有制冷之前就隨潤滑油返回壓縮機，造成能量浪費，降低了系統的循環效率［6］。基于Kleemenko循環原理的各種變種循環［7-10］，一般采用一個或幾個氣液分離器，同時在每個分離器之間安裝一個或幾個換熱器，以逐級分離高低沸點混合工質及潤滑油。但常規分離器難以提供足夠的讓混合工質進行傳熱、傳質的空間接觸面積和氣液接觸停留時間，因而難以達到高效分離的目的。

針對上述技術問題，結合小型低溫氣體液化實驗臺研究經驗，在系統預冷裝置之后增置一個一體化的氣液分離器。該設備的主要特點是把氣液分離器和換熱器合而為一，在實現混合工質氣液分離的同時還能回收一定的冷量，因而大大簡化了實驗裝置。本研究完成了小型低溫氣體液化實驗臺的調試和實驗工作，并對分離器的效果、系統整體的熱力性能等進行了實驗研究。

2 實驗裝置

2.1 實驗流程的設計

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流程如圖1所示。混合工質通過一個全封閉油潤滑壓縮機壓縮，經板式換熱器水冷后進行油分離，在預冷板式換熱器中被冷水機組冷卻，進入氣液分離器進行閃蒸分離。氣液分離器中的液相混合工質由底部回流管引出，經節流閥減壓膨脹后，進入內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進行熱交換。被凈化提純后的氣相混合工質從氣液分離器的均流收氣器逸出進入多股流換熱器降溫，經節流閥節流后變為低壓低溫兩相工質，吸收高壓側工質和空氣流熱量，返流與氣液分離器中液相混合工質回流匯合后再經氣液分離器進入壓縮機，形成循環。凈化處理后的壓縮空氣被引入液化系統，在多股流換熱器中被低壓混合制冷劑冷卻降溫，轉變為液態，經由液氮輸送管道引入到液態氣儲罐中儲存。

所設計氣液分離器的具體分離方式:被冷水機組冷卻后的高壓混合工質進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，其上設置均流孔，管道尾端封堵，水平安裝且打孔側垂直向下，以保證進氣氣流均勻)，富含高沸點組分和潤滑油的液相混合物沉積于氣液分離器底部，富含低沸點組分的氣相混合工質在沉積液中浸沒洗油后上升，經固定于器壁槽道的折板分離器進行折流分離和重力沉降，然后進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，經節流閥減壓膨脹后進入冷卻分凝換熱器的導流管道，與上升的氣相混合工質進行熱交換。被凈化提純后的氣相混合工質經均流收氣器(為直徑45 mm的不銹鋼管，其上設置均流孔，尾端不封堵，安裝時打孔側向上且尾端稍向下傾斜，保證出氣氣流不會夾帶液態工質)進入多股流換熱器降溫。氣液分離器面板上安裝2個不同高度的視鏡，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計，一方面可以實現混合工質高低沸點組分的高效分離，同時回收利用了液相沉積制冷劑膨脹降溫產生的冷量，進一步提純制冷劑，使得氣相混合工質中潤滑油含量越來越低，確保在整個系統循環中進入多股流換熱器的混合工質幾乎不含潤滑油。

2.2 實驗裝置

小型低溫氣體液化系統實驗臺由混合工質充注系統、冷水機組預冷系統、混合工質節流制冷循環、壓縮空氣凈化系統4部分組成，主要設備及其規格參數見表1。

表1 系統主要部件及其規格參數Table 1 Major experimental components and specifications

2.3 實驗測試系統

實驗測試系統由溫度傳感器、壓力傳感器、壓力表和數據采集儀器等組成，主要測量參數見表2。上述測量參數通過計算機數據采集系統Fluke-2680A進行記錄和處理。

表2 實驗參數測量及儀表Table 2 Parameter measurement and instrument

3 實驗結果與討論

3.1 系統降溫情況

實驗運行調試方法為:實驗進行前，先向系統充裝一定濃度配比的混合工質，以保證系統正常開機;待系統運行一段時間，視系統運行狀況和降溫溫區，采取少量多次從儲氣罐調氣的方式對系統運行工況進行調節。

圖2給出了系統降溫曲線圖。系統初始充裝混合工質中高沸點組分較多，約占77%，系統初期降溫速度較快。系統溫度降至－140℃左右時，明顯出現一個拐點，從該點至－170℃的溫區系統整體降溫速度緩慢，分析其原因為:儲氣罐中混合工質不均勻，調入系統的混合工質中氮氣含量較多，約占30%;氮氣的提前調入使得系統整體處于較高工作壓力水平，系統降溫較慢。在－170℃以下溫區時，混合工質中的氮氣組分開始液化，系統降溫速度較快。由圖2可以看出，系統總體降溫平穩，達到液氮溫區后，系統可持續穩定運行，這表明所設計氣液分離器的油分離效果達到了預期目的。

圖2 系統降溫曲線圖Fig.2 Time dependencies of cooling performance

3.2 壓縮機運行工況

商業油潤滑壓縮機的制造工藝成熟，但其工作壓力及壓比一般不大，同時其額定排氣量有限，因此在苛刻工況運行條件下可能無法滿足制冷系統的動力要求。對于本系統，圖3和圖4分別給出了壓縮機的排氣溫度和壓比變化曲線。由圖3可以看出，實驗初始階段壓縮機排氣溫度迅速增大，但隨著系統溫度不斷下降，壓縮機排氣溫度呈下降趨勢。隨著逐步向系統調入工質，壓縮機排氣溫度呈增大趨勢。但總體看來，壓縮機排氣溫度在70—100℃溫區波動，大致保持在90℃水平，壓縮機運行安全。由圖4可以看出，系統降溫過程其壓比保持在5.0左右，其中28時后系統最大壓比超過6.0，但此時壓縮機排氣溫度仍低于高溫保護溫度120℃，壓縮機運行工況得到大大改善。另外，在整個實驗過程中壓縮機潤滑油油位液面穩定，無明顯波動。

3.3 氣液分離器性能

圖5給出了氣液分離器進出口混合工質的溫度變化曲線。系統初始運行時，由于氣液分離器回流管節流閥是關閉的，加之設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時起，回流管節流閥稍微打開，液相沉積混合工質膨脹降溫，此時可回收利用一部分冷量。隨著節流閥開度不斷調整，氣液分離器出口混合工質的溫度明顯低于其入口溫度。實驗過程中，氣液分離器混合工質分離液可再冷氣相混合工質3.0—7.0℃左右，最大可回收冷量約1.10 kW。系統降溫過程中，透過分離器面板上所設視鏡可觀察:實驗前期其內液面波動較大，但節流閥的節流效應穩定，其前后溫度測點無異常，可推斷即使混合工質液面不可見，其存液仍足以保證洗油和回冷要求。系統穩定工況時，混合制冷劑液面介于上下視鏡之間，跟實驗預期設計相符。

3.4 系統能效分析

實驗中，通過控制混合工質調入量來研究不同濃度配比條件下系統的熱力特性，實驗結果見表1。從表中可以看出，Mix 1中高沸點組元相對較少，輕烴組分超過87%，因此系統整體處于較高壓力水平，系統功耗較大，效率僅為7.24%。Mix 2適當增加高沸點組分含量，重烴組分所占比例由13%提高到17.8%，穩態時系統工作壓力明顯降低，同時壓縮機功耗也大幅降低，系統效率得到很大提高，達到 8.85% 。

表3 不同配比混合工質系統穩態運行參數比較Table 3 Performances of steady state operating parameter with different mixtures

Mix 2工況下系統的有效冷量，即液化空氣所得冷量約為711.3 W，依據實驗狀態參數核算所得系統制冷量為1 682.7 W，亦即系統有很大的能量損失，分析其原因有如下幾點:

(1)系統自身制冷量有限，相對散熱面積較大，特別是多股流換熱器溫差較大，加之保溫效果不理想，漏熱嚴重;

(2)液氮儲罐自身熱容較大，所得液化空氣不斷蒸發排空;對于本實驗來講，系統漏熱是一個較大的損失。

4 結 論

設計了一種帶能量回收功能的氣液分離器，并建立了相應的低溫氣體液化系統實驗臺，對氣液分離器的效果、系統整體的熱力性能等進行了一系列實驗研究，得到以下結論:

(1)系統整體降溫平穩快速，加載壓縮空氣后，系統保持穩定運行，并可生產液化空氣，系統最大效率為8.85%。

(2)采用獨立設計的氣液分離器，可有效解決油潤滑壓縮機驅動的制冷循環低溫工況油堵問題，在實現混合制冷劑氣液高效分離的同時還可以回收利用一部分冷量，大大提高了制冷系統的穩定性和可靠性。

(3)只有所遴選混合工質的組分配比合適以及實驗調試方式適當時，系統才會順利降至液氮溫區，同時具有較高的熱力效率。

1 王宗祥，公茂瓊，劉加永，等.70K溫區混合工質分凝分離循環節流制冷機實驗研究［J］.低溫與超導，2003，31(2):4-7.

2 張紹志，王劍鋒，張紅線，等.具有精餾裝置的自動復疊制冷循環［J］.中國工程熱物理學報，2001，22(2):25-27.

3 Alexeev A，Haberstroh Ch，Quack H.Mixed gas JT cryocooler with precooling stage［J］.Cryocoolers 10，1999:475-479.

4 Boiarski M，Khatri A，Podtcherniaev O，et al.Modern trends in designing small-scale throttle-cycle coolers operating with mixed refrigerants［J］.Cryocooler 11，2001:513-533.

5 劉建麗，公茂瓊，吳劍峰.一種新型分凝分離式混合工質自復疊節流制冷機的實驗研究［J］.低溫與超導，2001，29(2):6-11.

6 曹 丹，王 勤，陳光明.一種新型的自動復疊制冷循環研究［J］.低溫工程，2003(5):49-55.

7 Little W A.Self-cleaning low-temperature refrigeration system.US Patent 5，617，739，1997.

8 Little W A.Self-cleaning cryogenic refrigeration system.US Patent 5，724，832，1998.

9 Gong M Q，Wu J F，Luo E C，et al.Further development of the mixture refrigeration cycle with a dephlegmation separator［J］.Cryocoolers 12，2003:603-608.

10 Wu J F，Gong M Q，et al.A new auto-cascade mixture refrigeration cycle with partial condensation and separation reflux exchanger and its preliminary experimental test［C］.Proceedings of CEC，2001，47:887-892.