車載氮?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

車載氮?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嚿系牡獨(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

1 前言

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)夥獯娈嬳?yè)、書卷；利用氮?dú)獗ｕr糧食、水果等。目前市場(chǎng)上的氮?dú)舛嘤蓪I(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)獾挠脩艏炔唤?jīng)濟(jì)，也不方便。我國(guó)早期生產(chǎn)的制氮車采用的設(shè)備和工藝現(xiàn)已落后，故此介紹一款小型化的車載氮?dú)庵苽浼幼⒃O(shè)備。

2 主要組成

車載氮?dú)庵苽浼幼⒃O(shè)備系統(tǒng)主要由4.5 m車廂[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。

3 空間布局

整套系統(tǒng)布置在氮?dú)庵苽浼幼④嚨膸w內(nèi)?？紤]到發(fā)電機(jī)組和空氣壓縮機(jī)工作時(shí)需要滿足良好的通風(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)布置在車廂前部，發(fā)電機(jī)組布置在車廂后部；車廂中部為工作艙，內(nèi)部設(shè)有制氮機(jī)、氮?dú)庠鰤杭幼C(jī)、氮?dú)怃撈?、空調(diào)機(jī)和附件柜等（如圖1）。

4 主要設(shè)備

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)猓鰤杭幼⒌綐?biāo)準(zhǔn)氮?dú)怃撈績(jī)?nèi)，以滿足用戶需求。整機(jī)結(jié)構(gòu)緊湊，氣動(dòng)泵可在滿負(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 系統(tǒng)匹配性

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，可滿足制氮機(jī)要求；制氮機(jī)壓力為0.8 MPa，同樣能滿足氮?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，滿足鋼瓶充氮時(shí)間要求。

5.5 電功率校核

為了滿足系統(tǒng)的用電要求和車載質(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，故供電能力滿足系統(tǒng)要求。

6 試驗(yàn)

對(duì)車載氮?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，均滿足作業(yè)性能要求。

7 結(jié)語(yǔ)

本文在車載氮?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，滿足此類產(chǎn)品的指標(biāo)論證要求，亦可為同類產(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)從事專用車設(shè)計(jì)工作。

2016-04-13