一種新型多級冷凝過濾分離裝置的設計及研究

王 瑩 張吉恒 孫 穎 吳邦喜 王起霄 趙全華

(1哈爾濱商業大學能源與建筑工程學院 哈爾濱 150028;2國內貿易工程設計研究院 北京 100069)

近年來，自動復疊制冷循環系統以其結構簡單、性能可靠，僅采用單級壓縮就能實現較低的制冷溫度而引起業內的關注，廣泛應用于半導體制冷工業、藥品的低溫保存、食品的冷凍儲存等低溫領域。

自動復疊制冷循環使用非共沸混合制冷劑，混合工質分離效率的高低直接影響著循環的制冷效率。較低的分離效率使壓縮機的制冷量減少，整個系統的運行效率降低，運行時間延長造成能源的浪費，給用戶造成巨大損失[1－2]。為了使混合工質獲得較高的分離效率，這里首次提出了一種多級冷凝過濾分離裝置，對自動復疊循環制冷系統進行改進，實現高、低沸點組分的高效分離;同時潤滑油也在組分分離的過程中隨高沸點組分制冷劑返回到壓縮機，不會進入低溫系統造成盤管堵塞。為檢驗該冷凝過濾分離裝置的分離效果，采用R22和R23為混合工質，通過一套自動復疊循環制冷系統，對該裝置的實際應用性能進行了全面的實驗研究。

1 傳統冷凝分離裝置

混合制冷工質是由兩種或兩種以上的純制冷工質以一定比例混合而成。按照混合后的溶液是否具有共沸的性質，混合制冷工質可分為共沸和非共沸制冷工質。

非共沸混合制冷工質是指混合工質沒有共沸點，在定壓下蒸發或凝結時，溫度不斷變化，氣相和液相的成分也在不斷變化。在自動復疊制冷循環中，非共沸混合制冷工質經單級壓縮機壓縮后排入冷凝器進行冷凝，其中高沸點制冷工質首先被冷卻變成液體，低沸點制冷工質還保持氣體狀態，此時需要一個分離設備對兩種不同狀態的混合制冷工質進行分離。

經過分離的高沸點制冷工質節流后，在冷凝蒸發器內繼續冷凝低沸點制冷工質，并使低沸點制冷工質變成液體狀態，能否很好的把低沸點制冷工質冷卻成液體，關鍵在于兩種非共沸制冷工質的分離是否完全。

傳統的自動復疊制冷循環系統常使用重力沉降分離、折流分離、離心力分離、絲網分離、填料分離等方法來分離非共沸制冷工質[5]，其中以重力沉降分離、填料分離的應用較為普遍。

貯液式汽液分離器就是采用重力沉降原理來分離非共沸混合制冷工質，其結構如圖1所示[3]。非共沸制冷工質的汽液混合物從1進入貯液器，通過減速、改變流向，使得兩種工質自動分離，氣體、液體分別從3氣體、4液體出管流出。這種汽液分離器的效率一般很低，約為60% ～70%，即便采用多級分離也僅能達到70%～85%，難以滿足復疊制冷系統所要求的分離純度。

常用的填料分離式汽液分離器為精餾塔，其結構如圖2 所示[4]。

圖1 貯液式汽液分離器示意圖Fig.1 The schematic drawing of gas-liquid separator with storage fluid type

2 新型多級冷凝過濾分離裝置設計

這里首次提出了一種多級冷凝過濾分離裝置，結構如圖3所示。

非共沸混合工質由貯液式分離器1的頂部進入，并伸入到貯液式分離器1的液體里，高沸點制冷工質液體和潤滑油聚集在貯液式分離器1的底部，大量低沸點制冷工質和少部分高沸點制冷工質經過傘型罩和絲網除沫器過濾分離后由貯液式分離器1的上部引出，進入一級冷凝過濾分離器2內進行冷凝分離(B，D閥開啟，C閥關閉)。在一級冷凝過濾分離器中，大部分高沸點和極少部分低沸點制冷劑氣體被冷凝盤管冷凝變成液體，通過觀察液位的高低來控制E閥的開關，使冷凝后的高沸點液體狀態的制冷工質回到貯液式分離器1中;大部分低沸點和極少部分高沸點制冷工質氣體由D閥排出。為使非共沸制冷工質的分離效率更高，該冷凝過濾分離裝置還設置了二級冷凝過濾分離器3，其分離過程與前者相同。

圖2 精餾塔結構示意圖Fig.2 The schematic drawing of rectifying column structure

圖3 兩級冷凝過濾分離裝置示意圖Fig.3 The rectifying column of two stage condensation filtration disengaging gear

2.1 多級冷凝過濾分離器殼體的設計

設計采用立式汽液分離器，分離器的軸向尺寸對氣液分離效果影響不大，因此殼體設計的主要任務是確定分離器的殼體直徑。參考氨用汽液分離器的殼體直徑計算公式[5]，氟利昂用汽液分離器的殼體直徑按下式計算:

式中:D為殼體直徑，m;G為制冷劑流量，kg/s;v為制冷劑比容，m3/kg;w為汽液分離器中氣流通過橫截面的速度，m/s。

式中:GR23為R23的質量流量，kg/s;Q0為冷柜耗冷量，kW;q'0為R23單位質量制冷量，kJ/kg，q0=h5－h5'=h5－h4。

在計算出R23的質量流量后，通過對冷凝蒸發器換熱量的估算，來確定R22的質量流量。

式中:Qk.R23為R23 的冷凝負荷，kW;GR23為R23的質量流量，kg/s;w'0為R23單位理論功，kJ/kg。

式中:Q0.R22為R22的蒸發負荷，kW;1.2為安全系數。

式中:GR22為R22的質量流量，kg/s;q0為R22單位質量制冷量，kJ/kg，q'0=h11－h10=h11－h9

圖4 自動復疊制冷系統lgP-h圖Fig.4 The lgP-h of automatic cascade refrigeration system

由于設計中有兩種制冷劑，所以經計算得殼體直徑分別為D1=203 mm，D2=147mm。這里設計取殼體直徑為203 mm。

按《壓力容器規范》[6]，設計中平板封頭的計算厚度由公式(6)得出:

式中:δP為平板封頭的計算厚度，mm;D為計算直徑，mm;K為與平板結構有關的結構特征系數，查文獻[6]表5～9取K=0.2;p為設計壓力，MPa，取p=2.0 MPa;[σ]t為材料在設計溫度下的許用應力，MPa;查文獻[6]GB150.2設計溫度為20℃時σ20=190 MPa;φ為焊接接頭系數，查文獻[6]GB150.1取φ =1。

根據上述2個殼體直徑計算得到平板封頭的計算厚度為:δP1=9.3 mm，δP2=6.74 mm。設計取計算厚度為10 mm，滿足壓力容器的結構要求。

根據計算結果，這里設計的冷凝過濾分離器采用Φ219×8mm的20#無縫鋼管外加厚度為10mm的兩盲板焊接制作而成。因此具有結構簡單、制造方便的優點。

2.2 多級冷凝過濾分離器絲網除沫器設計

絲網除沫器(又稱捕沫器、捕霧器)在化工上常用于分離各種汽液混合物中直徑大約3～5μm的液滴，其工作原理如圖5所示。

當帶有液沫的氣體以一定的速度上升，通過架在格柵上的金屬絲網時，液沫與細絲碰撞而粘附在細絲的表面上。細絲表面上的液沫進一步擴散及液沫本身的重力沉降，使液沫形成較大的液滴沿著細絲流至它的交織處。液滴越來越大，直至其自身的重力超過氣體上升的浮力和液體表面張力的合力時，液滴就被分離而下落，流至容器底部。裝置采用的絲網除沫器材料為1cr18ni9ti型高效不銹鋼絲，實物如圖6所示。

圖5 絲網除沫器工作原理示意圖Fig.5 The schematic drawing of screen mesh skimmer about working principle

圖6 1cr18ni9ti型絲網除沫器實物圖Fig.6 The real figure of screen mesh skimmer with 1cr18ni9ti

2.3 多級冷凝過濾分離器離檔板設計

在分離器進行汽液混合物分離的時候，絲網除沫器的上下兩側有壓差，為了防止它來回竄動，需要對其位置進行固定;同時考慮到分離效果，故設計了傘型罩分離檔板，對非共沸混合工質起到輔助分離作用。考慮到分離阻力及分離效率等因素，將傘型罩排氣孔的下側孔直徑設置為Φ10mm，上側孔直徑設置為Φ8mm，傘型罩分離檔板的傾斜度為30°。圖7為傘型罩分離檔板單個排氣孔圖，圖8為傘形罩分離擋板實物圖。

圖7 傘型罩分離檔板單個排氣孔圖Fig.7 The figure of separation damper with umbellate shape and single vent

圖8 傘型罩分離擋板實物圖Fig.8 The real figure of separation damper with umbellate shape

3 多級冷凝過濾分離裝置實際應用性能的實驗研究

按圖9所示搭建自動復疊制冷循環系統的實驗臺。混合制冷工質R23和R22的質量配比為1:2，選用丹佛斯生產的美優樂型全封閉式壓縮機，型號為MT50，額定輸入功率為3087W。冷凝器采用上海金典制冷實業有限公司生產的水冷滿液式冷凝器，型號為JG-WN－9.2。冷柜體凈尺寸為460mm×460mm×710mm(長×寬×高)，保溫材料為150mm厚的聚苯乙烯泡沫。冷柜內實驗初始運行溫度為15℃。

3.1 實驗用自動復疊制冷系統工作流程

混合制冷工質進入壓縮機1，壓縮后產生的高溫高壓蒸汽進入水冷式冷凝器2。在冷凝器中，大部分R22的氣體被冷凝下來變成液體，從水冷式冷凝器2的底部流出進入貯液式分離器3的上部;被冷卻的R23氣體和少量的R22氣體，則從水冷式冷凝器2的頂部流出進入貯液式分離器3的下部。

在貯液式分離器3中，R23氣體和少量的R22氣體在3內由下向上，經過傘型罩分離擋板和絲網除沫器進行初次分離，使氣體中夾帶的少量液體被分離出來，回落到貯液式分離器3的底部，經過初次分離的混合氣體則由貯液式分離器3上部經回熱器4過冷后進入一級冷凝過濾分離器5之中;大量的R22液體聚積在貯液式分離器3的下部，并從分離器底部排出，經過濾器11給調節站13供液。

混合氣體在冷凝過濾分離器5中經過冷凝和過濾分離，被冷卻下來的R22液體聚積在5的底部，通過手閥19的開啟使R22液體回流到貯液式分離器3之中;極少量的R22和所有的R23氣體同樣經過傘型罩分離擋板和絲網除沫器分離后從分離器5的上部排出。

為了得到更進一步的提純，冷凝過濾分離器5排出的氣體可以通入二級冷凝過濾分離器6或者三級冷凝過濾分離器7中進行再次的分離，也可以依次通入二級、三級冷凝過濾分離器進行第二、三次分離。經過多級冷凝過濾分離后，排到冷凝蒸發器8中的氣體基本上為R23氣體，從而實現了R22和R23的分離。在冷凝蒸發器8中R23氣體被冷凝成液體，經過回熱器9過冷后給冷柜10供液，從而使冷柜達到較低的蒸發溫度。

圖9 自動復疊制冷系統循環流程圖Fig.9 The flow chart of automatic cascade refrigeration system

5、6、7、8的內部盤管冷凝供液是由液體調節站13提供的，制冷工質為高沸點的R22液體，R22和R23蒸發后的回氣混合后被壓縮機抽回，又開始重復循環。

3.2 實驗結果

為了達到滿意的降溫要求和檢測該裝置的實際應用性能，做了多次實驗，結果表明，該實驗裝置達到了較低的冷柜溫度，降溫曲線如圖10所示。

圖10 低溫冷柜降溫曲線Fig.10 The cooling curve of low temperature refrigerator

在實驗中觀察到:低溫冷柜在運行2h之內，冷柜溫度迅速下降到－50℃;運行6h后，溫度緩慢下降到－60℃;實驗運行8h后，溫度下降的幅度趨于平穩，最后實驗裝置穩定在－62.0℃左右。為了確定裝置的分離效率，將分離后的組分采樣后，用氣相色譜法對樣品中各組分的含量進行檢測，結果表明該裝置可使低沸點氣體純度達到98%，達到了高效分離。

4 結論

傳統汽液分離器或存在分離效率低、制冷效果差，或存在結構設計復雜、成本較高的問題。與傳統分離裝置相比，這里設計的新型多級冷凝過濾分離裝置分離效率得到極大提高，結構簡單、成本較低，具有極強的生產實用性，目前已獲得國家專利[7]。這里將該裝置用于自動復疊制冷循環系統中，對傳統循環進行改進。新循環以非共沸混合制冷劑R22和R23作為制冷工質，只使用一臺單級蒸汽制冷壓縮機，采用多級冷凝過濾分離裝置實現高低沸點組分及潤滑油的有效分離。在對該循環的性能通過實驗作了系統研究之后，得到以下結論。

1)實驗系統采用新型多級冷凝過濾分離裝置、只使用一臺單級壓縮機實現了非共沸制冷工質自動復疊，將冷柜內的溫度降低并穩定在－62℃。

2)首次提出的多級冷凝過濾分離裝置可使混合工質分離純度達到98%，且分離裝置結構簡單、成本較低，具有更強的生產實用性。

3)采用文中提出的多級冷凝過濾分離裝置改進后的自動復疊制冷循環系統，能效比和穩定性都得到極大提高，對國內自動復疊制冷循環系統方面的研究起到了一定的借鑒作用。

[1] 王起霄，王瑩，孫穎，等.一種新型大容積低溫箱的研制[J].哈爾濱商業大學學報(自然科學版)，2004(4):487-489.(Wang Qixiao，Wangying，Sun Ying，et al.Study on a kind of new type low temperature cabinet with big volume[J].Journal of Harbin University of Commerce(Sciences Edition)，2004(4):487-489.)

[2] 吳邦喜.單級壓縮非共沸工質低溫制冷裝置的研究[D].哈爾濱:哈爾濱商業大學，2007.

[3] 尤大海.新型高效折板分離器原理與應用[J].化肥設計，2003，41(2):47-48.(You Dahai.The principle and application of new and high efficiency s-shapedplate separator[J].Chemical Fertilizer Design，2003，41(2):47-48.)

[4] 李文林，華小龍.混合工質制冷循環的實驗研究[J].流體工程，1987(4):53-55.(Li Wenlin，Hua Xiaolong.Experimental research on refrigerant mixtures of refrigeration system[J].Fluid Engineering，1987(4):53-55.)

[5] 商業部設計院.冷庫制冷設計手冊[M].農業出版社，1988.

[6] 中華人民共和國質量監督檢驗檢疫總局.GB150.1～150.4—2011壓力容器規范[S].2011.

[7] 王起霄，王瑩.非共沸混合制冷工質高效自動分離裝置:中國，ZL，200820210170.2[P].2009-09-30.