冷凍脫硅氧烷系統(tǒng)非穩(wěn)態(tài)緩沖期對比實(shí)驗(yàn)研究

李雅清 黃 虎 張忠斌 吳未立 王 慧

(1南京師范大學(xué)能源與機(jī)械工程學(xué)院 南京 210042;2南京碳環(huán)生物質(zhì)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(zhì)氣體中通常含有水蒸汽、硫化氫、硅氧烷等微量成分［1］。在燃?xì)廨啓C(jī)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(yùn)行效率;燃燒過程后形成的一些有機(jī)硅化合物會使發(fā)動機(jī)潤滑油中毒，因此需要更頻繁地更換發(fā)動機(jī)潤滑油［2－4］。采用深冷技術(shù)脫除硅氧烷是一種高效、經(jīng)濟(jì)并可投入商業(yè)化的途徑。文獻(xiàn)［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(xiàn)證明深冷脫硅氧烷技術(shù)的可行性，但在國內(nèi)，對于這類系統(tǒng)裝置的研究卻很少。一種冷凍脫除硅氧烷的系統(tǒng)［6］，在開機(jī)啟動和切換除霜的過程都有一個較長的非穩(wěn)態(tài)緩沖期，在這個階段內(nèi)，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(nèi)各因素對系統(tǒng)的影響，采用了兩組實(shí)驗(yàn)進(jìn)行對比研究。

1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)原理及方案

1.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)原理介紹

如圖1所示，冷凍脫硅氧烷系統(tǒng)由制冷劑循環(huán)系統(tǒng)和生物質(zhì)氣循環(huán)系統(tǒng)組成?？紤]到嚴(yán)重結(jié)霜溫區(qū)為0～3℃［7］，生物氣先進(jìn)入預(yù)冷器被預(yù)冷至3℃左右，然后進(jìn)入蒸發(fā)器被進(jìn)一步冷卻至－28℃，再回流至預(yù)冷器冷卻來流生物氣，最后排出收集。在開機(jī)和除霜的過程中(具體過程可參考文獻(xiàn)［6］)，系統(tǒng)開始運(yùn)行到進(jìn)入穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)(預(yù)冷器和蒸發(fā)器中生物氣進(jìn)出口溫度不再隨時間變化)需要一段較長的動態(tài)緩沖時間。

1.2 實(shí)驗(yàn)方案

考慮到實(shí)驗(yàn)處理后的生物質(zhì)氣不能回收，直接排入大氣將對人員安全和環(huán)境造成影響，實(shí)驗(yàn)中采用相同溫度和壓力下的壓縮空氣來替代生物質(zhì)氣體。樣機(jī)裝置采用R22制冷劑，主要由壓縮機(jī)、冷凝器，蒸發(fā)器，預(yù)冷器、干燥過濾器、膨脹閥等組成。

圖1實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)流程圖Fig．1 The schematic diagram of the experiment system

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

為了探討這兩個因素對系統(tǒng)開機(jī)緩沖期時間的影響效果，分別采用了一個常規(guī)實(shí)驗(yàn)和一個對比實(shí)驗(yàn)進(jìn)行研究。如圖1所示的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)流程，常規(guī)實(shí)驗(yàn)中，制冷劑循環(huán)系統(tǒng)和空氣循環(huán)系統(tǒng)正常開啟，中間冷干機(jī)始終處于關(guān)閉狀態(tài);對比實(shí)驗(yàn)中，系統(tǒng)開啟時，同時開啟冷干機(jī)，輔助預(yù)冷運(yùn)行10 min后，再將冷干機(jī)退出系統(tǒng);測定兩組實(shí)驗(yàn)中系統(tǒng)從啟動到穩(wěn)定運(yùn)行所耗時間，并采用溫度、壓力傳感器測定兩組實(shí)驗(yàn)中預(yù)冷器和蒸發(fā)器中空氣進(jìn)出口溫度隨時間的變化數(shù)據(jù)。

1.3 測點(diǎn)分布

對應(yīng)實(shí)驗(yàn)流程圖中的標(biāo)號，對預(yù)冷器和蒸發(fā)器的幾個測點(diǎn)進(jìn)行說明，如表1所示:

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

2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集與處理

2.1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集

常規(guī)實(shí)驗(yàn):12:54開機(jī)運(yùn)行，13:28系統(tǒng)進(jìn)入穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)，整個數(shù)據(jù)采集過程持續(xù)46 min(間隔采樣為10 s);空氣定質(zhì)量流量(62 kg/h)。

對比實(shí)驗(yàn):9:57開機(jī)運(yùn)行，10:07冷干機(jī)退出系統(tǒng)，10:21系統(tǒng)進(jìn)入穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)，整個數(shù)據(jù)采集過程持續(xù)1 h 18 min(間隔采樣為10 s);空氣定質(zhì)量流量(62 kg/h)。

2.2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理

對兩組實(shí)驗(yàn)中系統(tǒng)非穩(wěn)態(tài)緩沖期內(nèi)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理。常規(guī)實(shí)驗(yàn)選取12:54到13:34這一時間段的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，以每1 min時間間隔取一組數(shù)據(jù)，共41組;對比實(shí)驗(yàn)選取9:57到10:25這一時間段的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，以每1 min時間間隔取一組數(shù)據(jù)，共28組。

根據(jù)兩組實(shí)驗(yàn)中數(shù)據(jù)分別繪制了制冷劑各測點(diǎn)溫度和空氣各測點(diǎn)溫度隨時間的變化曲線圖(圖2～圖5)。

圖2常規(guī)實(shí)驗(yàn)制冷劑溫度隨時間變化圖Fig．2 Refrigerant temperature VS operating time in routine test

3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

圖3對比實(shí)驗(yàn)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(guī)實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)空氣溫度隨時間變化圖Fig．5 Air temperature VS operating time in contrast test

常規(guī)實(shí)驗(yàn)中系統(tǒng)的非穩(wěn)態(tài)緩沖時間為40 min;對比實(shí)驗(yàn)加入冷干機(jī)的時段打破了預(yù)冷器和蒸發(fā)器的動態(tài)耦合關(guān)系，系統(tǒng)的非穩(wěn)態(tài)緩沖時間降為27 min，非穩(wěn)態(tài)緩沖時間減少了32.5%;雖然來流空氣溫度略有差別，但對數(shù)據(jù)不會造成本質(zhì)影響。

3.1 制冷劑狀態(tài)變化及蒸發(fā)器熱惰性因素

由于工質(zhì)遷移和制冷劑的狀態(tài)變化，制冷劑循環(huán)系統(tǒng)在啟動時需要一個穩(wěn)定時間段;這一階段內(nèi)，制冷劑在蒸發(fā)器內(nèi)處于池狀沸騰到正常沸騰的過渡階段，蒸發(fā)吸收來自空氣和自身溫度下降放出的熱量，制冷劑進(jìn)出口溫度逐漸降低，直至達(dá)到蒸發(fā)溫度。

蒸發(fā)器內(nèi)空氣側(cè)流動換熱公式:

蒸發(fā)器內(nèi)制冷劑側(cè)流動換熱公式:

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

在考慮蒸發(fā)器自身的熱惰性時有:

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

由圖2和圖3對比可知，常規(guī)實(shí)驗(yàn)中，制冷劑進(jìn)口溫度在啟動22 min后基本達(dá)到穩(wěn)定，對比實(shí)驗(yàn)中，制冷劑進(jìn)口溫度在啟動18 min后基本達(dá)到穩(wěn)定。常規(guī)實(shí)驗(yàn)中，空氣進(jìn)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(dá)到穩(wěn)定溫度的耗時更長。對比實(shí)驗(yàn)中，空氣進(jìn)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(dá)到穩(wěn)定溫度的耗時相對較短。兩組實(shí)驗(yàn)中，制冷劑循環(huán)系統(tǒng)自身穩(wěn)定的時間相差為4 min左右。

采用Matlab軟件對兩組實(shí)驗(yàn)中t7隨時間變化數(shù)據(jù)進(jìn)行了擬合:

常規(guī)實(shí)驗(yàn):

對比實(shí)驗(yàn):

在常規(guī)實(shí)驗(yàn)中，t7隨時間t近似為三次多項(xiàng)式變化，而對比實(shí)驗(yàn)中，t7隨時間t近似為線性變化。

圖6常規(guī)實(shí)驗(yàn)t7隨時間變化圖Fig．6 t7VS operating time in routine test

圖7對比實(shí)驗(yàn)t7隨時間變化圖Fig．7 t7VS operating time in contrast test

3.2 蒸發(fā)器和預(yù)冷器的耦合關(guān)系因素

預(yù)冷器的冷負(fù)荷為來流空氣進(jìn)出口焓差，預(yù)冷器冷源為回流空氣進(jìn)出口焓差，在考慮冷量耗散η后，由能量守恒方程:

預(yù)冷器內(nèi)的傳熱方程:

隨著t4下降，溫差升高，預(yù)冷器的換熱能力提高，蒸發(fā)器空氣進(jìn)口溫度t3也會降低;而t3又直接影響了蒸發(fā)器空氣出口溫度t4;在蒸發(fā)器和預(yù)冷器之間存在一個動態(tài)的耦合關(guān)系，直到t3、t4達(dá)到平衡點(diǎn)，系統(tǒng)各點(diǎn)溫度不再隨時間變化。

由圖4、圖5知，常規(guī)實(shí)驗(yàn)中，t4隨t3呈線性變化，且變化速率近似為1。對比實(shí)驗(yàn)中，開機(jī)0～9 min冷干機(jī)輔助預(yù)冷運(yùn)行時段，蒸發(fā)器進(jìn)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(jī)退出系統(tǒng)，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(xiàn)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(fā)器的管壁溫度逐漸降低，而空氣進(jìn)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(xiàn)出相反的變化趨勢;而在之后t4出現(xiàn)了回升現(xiàn)象，但回升幅度相對較小;說明t4對t3的熱響應(yīng)存在延遲和衰減，延遲時間約為2 min。

常規(guī)實(shí)驗(yàn)中，冷凍脫硅氧烷系統(tǒng)非穩(wěn)態(tài)緩沖時間為40 min，制冷劑循環(huán)系統(tǒng)在22 min已達(dá)到穩(wěn)定;對比實(shí)驗(yàn)中冷凍脫硅氧烷系統(tǒng)非穩(wěn)態(tài)緩沖時間為27 min，制冷劑循環(huán)系統(tǒng)在18 min達(dá)到穩(wěn)定。兩組實(shí)驗(yàn)中，由于空氣溫度的影響，制冷劑系統(tǒng)自身穩(wěn)定時間僅相差4 min;在對比實(shí)驗(yàn)中，由于冷干機(jī)破壞了蒸發(fā)器和預(yù)冷器的耦合作用，整個系統(tǒng)穩(wěn)定時間減少了13 min，非穩(wěn)態(tài)緩沖時間減少了32.5%;由此可見，蒸發(fā)器和預(yù)冷器的耦合作用對系統(tǒng)的穩(wěn)定性有很大影響。

4 結(jié)論

通過對兩組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的對比分析，得出了以下幾點(diǎn)結(jié)論:

1)導(dǎo)致系統(tǒng)非穩(wěn)態(tài)緩沖時間過長的兩個主要原因:制冷劑狀態(tài)變化及蒸發(fā)器自身的熱惰性;預(yù)冷器和蒸發(fā)器之間的動態(tài)耦合關(guān)系;打破蒸發(fā)器和預(yù)冷器的耦合關(guān)系后，非穩(wěn)態(tài)緩沖時間減少了32.5%，因此，對系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)以減小這種耦合作用對提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性具有顯著意義。

2)環(huán)境及被處理空氣溫度對制冷劑循環(huán)系統(tǒng)自身穩(wěn)定時間有一定延遲影響，蒸發(fā)器出口溫度t4是管壁溫度tw和空氣進(jìn)口溫度t3的共同作用的結(jié)果，并且對t3的熱響應(yīng)存在延遲和衰減。

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

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