冷凍脫硅氧烷系統非穩態緩沖期對比實驗研究

李雅清 黃 虎 張忠斌 吳未立 王 慧

(1南京師范大學能源與機械工程學院 南京 210042;2南京碳環生物質科技有限公司 南京 211162)

垃圾填埋氣、沼氣、石油伴生氣等生物質氣體中通常含有水蒸汽、硫化氫、硅氧烷等微量成分［1］。在燃氣輪機中，硅氧烷通常附著在噴嘴和葉片上，造成對渦輪葉片的腐蝕，降低了運行效率;燃燒過程后形成的一些有機硅化合物會使發動機潤滑油中毒，因此需要更頻繁地更換發動機潤滑油［2－4］。采用深冷技術脫除硅氧烷是一種高效、經濟并可投入商業化的途徑。文獻［5］中，Albertsen等人采用深冷裝置在－30℃條件下得到沼氣(1700 m3/h，7 ～15 mg，Si/m3)中的硅氧烷脫除率為80% ～90%［5］。Wheless和Jeffrey等人在壓力為2.5 MPa，溫度為－4℃時得到垃圾填埋氣中硅氧烷脫除率為32%;－29℃時為95%［5］。

雖然已有文獻證明深冷脫硅氧烷技術的可行性，但在國內，對于這類系統裝置的研究卻很少。一種冷凍脫除硅氧烷的系統［6］，在開機啟動和切換除霜的過程都有一個較長的非穩態緩沖期，在這個階段內，不能將生物氣處理到要求溫度，硅氧烷脫除率低。為了分析在緩沖期內各因素對系統的影響，采用了兩組實驗進行對比研究。

1 實驗系統原理及方案

1.1 實驗系統原理介紹

如圖1所示，冷凍脫硅氧烷系統由制冷劑循環系統和生物質氣循環系統組成。考慮到嚴重結霜溫區為0～3℃［7］，生物氣先進入預冷器被預冷至3℃左右，然后進入蒸發器被進一步冷卻至－28℃，再回流至預冷器冷卻來流生物氣，最后排出收集。在開機和除霜的過程中(具體過程可參考文獻［6］)，系統開始運行到進入穩定運行狀態(預冷器和蒸發器中生物氣進出口溫度不再隨時間變化)需要一段較長的動態緩沖時間。

1.2 實驗方案

考慮到實驗處理后的生物質氣不能回收，直接排入大氣將對人員安全和環境造成影響，實驗中采用相同溫度和壓力下的壓縮空氣來替代生物質氣體。樣機裝置采用R22制冷劑，主要由壓縮機、冷凝器，蒸發器，預冷器、干燥過濾器、膨脹閥等組成。

圖1實驗系統流程圖Fig．1 The schematic diagram of the experiment system

對系統初步分析知:1)預冷器的冷源由冷卻后回流的空氣提供，同時預冷器對空氣的處理效果直接影響蒸發器對空氣的處理效果;因此，在開機過程中，預冷器和蒸發器之間存在一動態耦合關系。2)開機過程中，由于制冷劑狀態的變化和蒸發器、預冷器自身熱惰性因素需要一個穩定過程。

為了探討這兩個因素對系統開機緩沖期時間的影響效果，分別采用了一個常規實驗和一個對比實驗進行研究。如圖1所示的實驗系統流程，常規實驗中，制冷劑循環系統和空氣循環系統正常開啟，中間冷干機始終處于關閉狀態;對比實驗中，系統開啟時，同時開啟冷干機，輔助預冷運行10 min后，再將冷干機退出系統;測定兩組實驗中系統從啟動到穩定運行所耗時間，并采用溫度、壓力傳感器測定兩組實驗中預冷器和蒸發器中空氣進出口溫度隨時間的變化數據。

1.3 測點分布

對應實驗流程圖中的標號，對預冷器和蒸發器的幾個測點進行說明，如表1所示:

表1壓力與溫度測點分布說明Tab．1 Interpretation of measure point

2 實驗數據采集與處理

2.1 實驗數據采集

常規實驗:12:54開機運行，13:28系統進入穩定運行狀態，整個數據采集過程持續46 min(間隔采樣為10 s);空氣定質量流量(62 kg/h)。

對比實驗:9:57開機運行，10:07冷干機退出系統，10:21系統進入穩定運行狀態，整個數據采集過程持續1 h 18 min(間隔采樣為10 s);空氣定質量流量(62 kg/h)。

2.2 實驗數據處理

對兩組實驗中系統非穩態緩沖期內的實驗數據進行整理。常規實驗選取12:54到13:34這一時間段的實驗數據，以每1 min時間間隔取一組數據，共41組;對比實驗選取9:57到10:25這一時間段的實驗數據，以每1 min時間間隔取一組數據，共28組。

根據兩組實驗中數據分別繪制了制冷劑各測點溫度和空氣各測點溫度隨時間的變化曲線圖(圖2～圖5)。

圖2常規實驗制冷劑溫度隨時間變化圖Fig．2 Refrigerant temperature VS operating time in routine test

3 實驗數據分析

圖3對比實驗制冷劑溫度隨時間變化圖Fig．3 Refrigerant temperature VS operating time in contrast test

圖4常規實驗空氣溫度隨時間變化圖Fig．4 Air temperature VS operating time in routine test

圖5對比實驗空氣溫度隨時間變化圖Fig．5 Air temperature VS operating time in contrast test

常規實驗中系統的非穩態緩沖時間為40 min;對比實驗加入冷干機的時段打破了預冷器和蒸發器的動態耦合關系，系統的非穩態緩沖時間降為27 min，非穩態緩沖時間減少了32.5%;雖然來流空氣溫度略有差別，但對數據不會造成本質影響。

3.1 制冷劑狀態變化及蒸發器熱惰性因素

由于工質遷移和制冷劑的狀態變化，制冷劑循環系統在啟動時需要一個穩定時間段;這一階段內，制冷劑在蒸發器內處于池狀沸騰到正常沸騰的過渡階段，蒸發吸收來自空氣和自身溫度下降放出的熱量，制冷劑進出口溫度逐漸降低，直至達到蒸發溫度。

蒸發器內空氣側流動換熱公式:

蒸發器內制冷劑側流動換熱公式:

式中:m0為空氣質量流量;tw為管壁溫度;ξ為析濕系數;α0為空氣側放熱系數;A0空氣側傳熱面積;mr為制冷劑質量流量;αi為制冷劑側放熱系數;Ai制冷劑側傳熱面積。

在考慮蒸發器自身的熱惰性時有:

由公式(1)、(2)、(3)知，若忽略放熱系數隨溫度的變化，在非穩態緩沖段，tr、tw、t3、t4在相互作用下形成一動態平衡過程;直至tw達到最終的穩定溫度，此時:qm=q0。

由圖2和圖3對比可知，常規實驗中，制冷劑進口溫度在啟動22 min后基本達到穩定，對比實驗中，制冷劑進口溫度在啟動18 min后基本達到穩定。常規實驗中，空氣進出口溫度高，傳熱溫差較高，q0較大;所以管壁溫度變化速率較小，達到穩定溫度的耗時更長。對比實驗中，空氣進口溫度已快速降到了0℃以下，由于溫差降低熱流密度q0下降，管壁溫度變化速率相對較大，達到穩定溫度的耗時相對較短。兩組實驗中，制冷劑循環系統自身穩定的時間相差為4 min左右。

采用Matlab軟件對兩組實驗中t7隨時間變化數據進行了擬合:

常規實驗:

對比實驗:

在常規實驗中，t7隨時間t近似為三次多項式變化，而對比實驗中，t7隨時間t近似為線性變化。

圖6常規實驗t7隨時間變化圖Fig．6 t7VS operating time in routine test

圖7對比實驗t7隨時間變化圖Fig．7 t7VS operating time in contrast test

3.2 蒸發器和預冷器的耦合關系因素

預冷器的冷負荷為來流空氣進出口焓差，預冷器冷源為回流空氣進出口焓差，在考慮冷量耗散η后，由能量守恒方程:

預冷器內的傳熱方程:

隨著t4下降，溫差升高，預冷器的換熱能力提高，蒸發器空氣進口溫度t3也會降低;而t3又直接影響了蒸發器空氣出口溫度t4;在蒸發器和預冷器之間存在一個動態的耦合關系，直到t3、t4達到平衡點，系統各點溫度不再隨時間變化。

由圖4、圖5知，常規實驗中，t4隨t3呈線性變化，且變化速率近似為1。對比實驗中，開機0～9 min冷干機輔助預冷運行時段，蒸發器進口溫度t3迅速從15℃降至－10℃，這一過程t4也迅速降到－10℃，與t3基本成線性變化;9～15 min時段，冷干機退出系統，t3快速回升到0℃，t4依然呈緩速下降;15～27 min時段，t3逐漸降低到－3℃，而t4出現輕微回升再降低至－28℃。t4與t3的基本變化趨勢是一致的，但在9～15 min時段，蒸發器的管壁溫度逐漸降低，而空氣進口溫度t3升高，由公式(1)知這一時段由于傳熱溫差的增大而使得熱流密度增加，所以t4與t3呈現出相反的變化趨勢;而在之后t4出現了回升現象，但回升幅度相對較小;說明t4對t3的熱響應存在延遲和衰減，延遲時間約為2 min。

常規實驗中，冷凍脫硅氧烷系統非穩態緩沖時間為40 min，制冷劑循環系統在22 min已達到穩定;對比實驗中冷凍脫硅氧烷系統非穩態緩沖時間為27 min，制冷劑循環系統在18 min達到穩定。兩組實驗中，由于空氣溫度的影響，制冷劑系統自身穩定時間僅相差4 min;在對比實驗中，由于冷干機破壞了蒸發器和預冷器的耦合作用，整個系統穩定時間減少了13 min，非穩態緩沖時間減少了32.5%;由此可見，蒸發器和預冷器的耦合作用對系統的穩定性有很大影響。

4 結論

通過對兩組實驗數據的對比分析，得出了以下幾點結論:

1)導致系統非穩態緩沖時間過長的兩個主要原因:制冷劑狀態變化及蒸發器自身的熱惰性;預冷器和蒸發器之間的動態耦合關系;打破蒸發器和預冷器的耦合關系后，非穩態緩沖時間減少了32.5%，因此，對系統進行改進以減小這種耦合作用對提高系統的穩定性具有顯著意義。

2)環境及被處理空氣溫度對制冷劑循環系統自身穩定時間有一定延遲影響，蒸發器出口溫度t4是管壁溫度tw和空氣進口溫度t3的共同作用的結果，并且對t3的熱響應存在延遲和衰減。

本文受江蘇省高校自然科學基金(12KJB470010)支持。(The project was supported by Collegiate Natural Science Fund of Jiangsu Province(No．12KJB470010)．)

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