渦流管制冷器在樣品處理系統中的應用

董慧來

（中海殼牌石油化工有限公司）

隨著自動化技術水平的不斷提高，過程分析儀表的應用越來越廣泛。 樣品處理系統技術是過程分析系統的核心，樣品處理系統的作用是保證分析儀在最短的滯后時間內得到有代表性的工藝樣品。 樣品的狀態（溫度、壓力、流量和清潔程度）要能適合分析儀所需的操作條件。 在線分析儀能否用好，往往不只與分析儀本身有關，而是取決于樣品系統的完善程度和可靠性［1］。 在石油化工行業中，在線分析儀的樣品處理系統經常面臨的是高溫樣品。 因此在樣品進入分析儀之前，需要先對高溫樣品進行冷卻，防止高溫對分析儀內部精密的檢測器等元件造成損壞。 筆者對使用渦流管制冷的樣品處理系統的溫度控制的特點進行了探討并給出了簡潔有效的高溫樣品溫度控制解決方案。

1 樣品處理系統制冷方式

對于高溫液體樣品的冷卻，經常使用列管式熱交換器來完成。 樣品流束從交換器的管中流過而冷卻介質從換熱器夾套中流過。 根據樣品溫度的不同和所需的冷卻效果，冷卻介質可使用冷卻水或冷凍水。 因為氣體樣品中所包含的熱量遠少于液體樣品， 對于高溫含濕氣體樣品的冷卻，使用最多的是渦流管制冷、壓縮機制冷和半導體制冷［2］。

半導體制冷通常使用珀耳帖元件（Peltier Element）， 其制冷能力有限， 例如，M&C 公司的ECP1000 氣體冷卻器的制冷能力為50 kJ/h。

壓縮機制冷的制冷能力比較強， 例如，M&C公司的ECM-1 壓縮機冷卻器的制冷能力為144 kJ/h，ECEX-1G 的制冷能力達到了520 kJ/h。

渦流管，也稱渦旋管，其制冷特點是無需電力、結構簡單、無運動部件、可靠性高，而且運行不產生電氣火花，無制冷劑泄漏污染環境的風險［3］。 渦流管的制冷能力介于半導體制冷和壓縮機制冷之間，例如，Vortex 公司106-8-H 渦流管的制冷能力約達到422 kJ/h。因此，渦流管制冷器在在線分析儀表領域得到了廣泛的應用，特別是在處理高溫帶液氣體時。

2 渦流管制冷的工作特點

渦流管的工作原理如圖1 所示， 壓縮空氣（在線分析儀表通常采用儀表風） 從進氣口進入渦流室形成渦流，形成渦流的氣體在渦流管中發生一系列相互作用， 分成一冷一熱兩股氣流，兩股氣流分別從渦流管的兩端流出。 在渦流管熱氣流出口端有控制閥，控制閥可以調節冷熱兩端氣體流量的比例，從而調節兩端氣流的溫度。 筆者以行業中常用的Vortex 公司的渦流管為例，對于渦流管的制冷特點進行深入研究。

圖1 渦流管工作原理

影響渦流管性能的因素主要包括渦流管的直徑、長度、冷端孔徑、噴嘴參數等幾何參數以及壓縮空氣入口壓力、溫度和冷流比。 而一旦渦流管選定且冷端出口無背壓時，則影響其性能的因素只有壓縮空氣的入口壓力、溫度和冷流比［3］。為了不影響制冷效果，不要在冷風出口安裝尺寸過小的管道、配件及閥門等來限制渦流管外的冷空氣的流動。

冷流比，是指通過渦流管冷端排出的壓縮空氣占進入空氣的百分比。 如果冷流比為80%，意味著進入空氣的80%通過管子的冷端排出，剩余的20%將通過管道的熱端排出。

表1 是Vortex 公司常用渦流管的溫度升降數據。 同一入口壓力下，第1 行數據為冷端溫降數值，第2 行數據為熱端溫升數值。 以壓縮空氣入口溫度為21 ℃為例，當入口壓力為1.4 bar（1 bar=0.1 MPa）、冷流比為10%時，冷端溫降為35 ℃，即冷端出口的溫度降低到-14 ℃。

表1 Vortex 公司渦流管溫度升降數據

由表1 可知，當冷流比一定，即熱端控制閥保持不變時，壓縮空氣的入口壓力越大則冷風出口的溫度越低。 當壓縮空氣的入口壓力保持不變時，冷流比越小，即冷空氣的流量越小，冷端出口的空氣溫度越低。 如果將冷流比調大，則雖然冷端出口空氣流量加大，但是冷端出口空氣的溫度也隨之升高。

調整熱端控制閥的開度可以調節冷流比，以獲得最佳的制冷量。 開大閥門可降低冷風流量和冷空氣溫度，關小閥門會提高冷風流量和冷空氣的溫度。 由于不同廠家、不同批次渦流管的加工尺寸不同，會導致冷端溫降數值的差異，實際渦流管在達到最大制冷量時的冷流比略有差異。 如Vortex 公司給出在70%的冷流比時渦流管達到最佳制冷量。 而同樣在分析儀表領域使用較多的EXAIR 公司的渦流管在大多數應用中，80%的冷流比會獲得最佳制冷量。 為了在節能的情況下達到最佳制冷效果，應盡量調節控制閥以獲得最優冷流比設定值。

計算其他壓力下的冷流比可知，渦流管的最優冷流比不隨入口壓力的改變而改變，只有在結構參數改變時，渦流管的最優冷流比才會發生改變。 當結構參數確定時，渦流管的最優冷流比不因工作參數的改變而改變［4］。

渦流管本身的局限性為，如果壓縮空氣的露點比渦流管傳遞的溫度高，就會在渦流管的冷端結冰，因此對壓縮空氣質量要求較高。 由于工廠風含水量太大， 會使渦流管出現失效的情況，因此要求使用儀表風，而且越干燥越好。 此外高壓壓縮空氣出口會產生噪聲， 消聲器可以降低噪聲，但對渦流管的冷卻效率極為不利［1］。

綜上所述，渦流管制冷的一個明顯的特點是冷端出口溫度和壓縮空氣的溫度密切相關。 在春夏之交、秋冬之交，氣溫一天內會急劇變化超過10 ℃，壓縮空氣的溫度也劇烈變化，這樣會導致渦流管制冷量不夠或者后面的分析儀進液波動，甚至渦流管損壞。 若樣品溫度太低會使含水的樣品被凍住，導致分析結果失效。

圖2 為2021 年12 月25～27 日的壓縮空氣溫度趨勢圖。 可以看出，壓縮空氣溫度在不到兩天內下降超過了15 ℃。 如果僅靠手工調節渦流管的壓縮空氣入口的調壓閥來控制樣品溫度，則會出現溫度失控、儀表取樣管線被凍住或分析儀產生錯誤數值的現象。

圖2 壓縮空氣溫度趨勢

3 樣品溫度控制系統

圖3 為原Vortex 冷卻樣品系統。 高溫含水樣氣進入一個由渦流管制冷的保溫箱，保溫箱內的樣品管道為盤管，用以增大換熱面積。 冷卻后的樣品經過氣液分離罐和自動排液罐將冷凝的液相排出， 分離后的氣態樣品進入分析儀進行分析。 自動排液閥的使用避免了手工定期排放的復雜操作和操作員經常不能及時關掉閥門，從而造成可燃有毒介質泄漏的風險。 同時安裝排液閥會保證連續、自動地排放液體，不會浪費空氣或氣體。 這里溫度控制的難點在于既要對樣品冷卻以去除所含的液體，又不能冷卻過度導致含水的樣品凍結。 進入制冷器的制冷量通過進入渦流管的壓縮空氣壓力調壓閥進行調節，但是每逢氣溫突變，儀表都會出現故障。

圖3 原Vortex 冷卻樣品系統

3.1 樣品溫度控制系統的改造

為了對制冷量進行自動調節，可以通過對壓縮空氣的壓力進行自動調節來實現。 如增加就地式PID 溫度控制器、電氣轉換器和增壓調節器組成一個就地PID 回路控制方案。ABB 公司DRS（Dynamic Reflux Sampler） 系統的樣品溫度控制就采取了這種方法。 若參考這種方式對現有的樣品系統進行改造則相對比較復雜， 而且費用偏高。

由于大多數分析儀要求的樣品溫度控制不需要特別精確，只要保證在一個合理的范圍內即可。 筆者采用了一個更簡潔、可靠的溫控方式，即通過對渦流管的壓縮空氣進行“通”和“斷”的兩位式控制實現樣品溫度的控制。 這種方式僅增加了溫控器、電磁閥和熱電阻部件，樣品處理系統簡單可靠，這也是樣品處理系統的基本要求之一［2］。 改造后成功地將制冷后的樣品氣體的溫度控制在一個合理的范圍內，如圖4 所示。

圖4 改造后的Vortex 冷卻樣品系統

3.2 溫度控制系統接線

溫度控制器應用了WATLOW 公司生產的PM6C3FJ-AAAADAA 溫度控制器，其電源是24 V直流電源，內置機電式繼電器。 溫度控制通過機電式繼電器的通斷功能配合溫度報警來實現。 電磁閥使用了Norgren 公司的24 V 直流電磁閥。在樣品出口增加三通并安裝一個Pt100 熱電阻。 溫控器接線方式如圖5 所示。

圖5 溫控器接線示意圖

將圖5 中的98、99 號端子接24 V 直流電源，T1、S1 和R1 接Pt100 熱電阻，L2 和K2 為溫控器內部機電式繼電器的兩個端子，將電磁閥串聯在這兩個端子上并連接到24 V 直流電源，CD和CE 為RS485 通信端口。 可以通過RS485-RS232 轉換器連接安裝有相應組態軟件的電腦，對溫控器進行編程，修改各種參數。

3.3 溫控器的組態

正確連接溫控器，打開Watlow 組態軟件成功建立通信后，軟件讀入溫控器的各個參數。

首先設置溫度單位為℃， 在Display Units 中選擇C（圖6）。

圖6 溫控器前面板設置畫面

設置測溫元件類型。 進入Setup 菜單下的Analog Input，設定模擬輸入1 的類型為RTD 100 Ohm，RTD Leads 選擇3，即三線制Pt100（圖7）。

圖7 設定測溫元件類型

設定參考操作溫度。 進入Control Loop 1 中，根據需要設定參考的溫度控制點。 此處Set Point設為12 ℃。 參考的最小設定點Minimum Set Point為-10 ℃，最大設定點Maximum Set Point 為50 ℃（圖8）。

圖8 設定參考操作溫度

設置溫度控制器輸出。在Output 菜單下可以有兩個輸出設置，Output 1 為4～20 mA 輸出，用于復雜的PID 調節，Output 2 為報警輸出。僅設置Output 2 即可， 即選擇溫度控制器的報警輸出。Function 設為Alarm（圖9）。

設置溫度報警滯后設定點。 利用報警繼電器來控制電磁閥的動作，此處可以設定報警滯后溫度值。 進入Alarm 菜單下的Alarm 1，根據具體需要設置Hysteresis，此處為8 ℃，即比高報設定點High Set Point 低8 ℃關閉繼電器，目的是通過切斷電磁閥的電源來關閉渦流管的壓縮空氣。 將高報設定點設為12 ℃。 由于此處的應用為冷卻高溫樣氣，將低報設定點Low Set Point 設為較低的一個數值，此處為-30 ℃（圖10）。

組態完畢后需要將相關的組態下裝到溫度控制器中。 這樣，當熱電阻測量的樣品氣體的溫度高于高報設定值12 ℃時， 溫控器內部的機電式繼電器閉合，電磁閥接通電源打開渦流管的壓縮空氣進行制冷。 當樣品氣的溫度低于高報設定值的滯后值8 ℃，即4 ℃時關閉電磁閥。 從而關閉渦流管的壓縮空氣氣源，停止制冷。 由于制冷和升溫存在一個過渡的過程，所以實際的溫度范圍控制在2～14 ℃。

4 結束語

雖然用PID 回路控制溫度的控制精度更高，但是所需設備復雜。 在滿足控制要求的情況下使用簡單有效的方案反而可靠性更高。 在增加自動溫度控制后，仍然保留原手動旁路。 手動旁路的氣源壓力設定值以冬季單獨使用手動旁路時也能夠達到要求的制冷能力為標準。 這樣手動旁路氣源可以使渦流管保持基本的制冷效果，自動控制電磁閥也可以在較低的工作頻率下運行。 當溫度升高到報警值時，自動溫度控制電磁閥打開作為補充制冷。 在系統投用后，樣品處理系統運行非?？煽?，再未發生樣品凍結或者后系統帶液的情況，取得了較好的效果。