光纖冷卻管氦氣高效回收方法的研究

羅 輝，黃 衛(wèi)，徐 濤，王傳喜，劉 楊，劉朝明

光纖冷卻管氦氣高效回收方法的研究

羅 輝，黃 衛(wèi)，徐 濤，王傳喜，劉 楊，劉朝明

(安徽萬瑞冷電科技有限公司，合肥 230088)

氦氣的提純方法有很多種，而且技術都非常成熟。但是氦氣的回收卻是提純工藝之前的一個瓶頸，回收氦氣的純度和氣量大小直接影響提純再利用的可行性。給出了光纖領域氦氣的使用工況，提出一種實時控制的氦氣回收方法，并通過試驗數(shù)據(jù)的驗證分析，為光纖生產(chǎn)領域的氦氣回收提供了可靠、可行的依據(jù)。

氦氣；回收；循環(huán)利用；光纖；冷卻管

1 氦氣使用及回收現(xiàn)狀

近年來，隨著國家工業(yè)4.0不斷推進，對光纖產(chǎn)量、質(zhì)量、成本等要求都不斷提高。而國內(nèi)各大光纖生產(chǎn)企業(yè)都在不斷優(yōu)化生產(chǎn)工藝，提高生產(chǎn)效率。提高生產(chǎn)效率就意味著提高拉絲的速度。光纖從拉絲爐中抽成絲開始，到進入第一個涂覆模具之前，一般是8～11 m的距離，目前比較大眾的拉絲速度約為2000 ～2500 m/min，光纖在這一部分運動的時間不超過3 s，這就要求在3 s的時間內(nèi)，將光纖溫度降低兩千多度。目前主要是通過在冷卻管的腔內(nèi)注入氦氣，利用氦氣比熱高、分子活躍、傳熱性能好的特點，將光纖的熱量迅速傳導出去，實現(xiàn)快速降溫的目的。但是隨著光纖速度的提高，氦氣的用量會隨之增加，氦氣所占的成本在光纖生產(chǎn)成本中的比例會增加，因此必須對光纖冷卻管中的氦氣進行回收再利用。而氦氣回收的效率又決定著回收再利用的經(jīng)濟效益，回收氦氣的總量多少，直接決定回收再利用的可行性；回收的氦氣純度低，會增加氦氣再利用過程中的能耗，使回收再利用的經(jīng)濟效益下降。

本文基于氦氣回收再利用的經(jīng)濟性要求，提出一種經(jīng)濟高效的回收方法。

2 氦氣回收基本要求

光纖冷卻管氦氣回收的過程中必須滿足幾個條件：1.不能對光纖產(chǎn)生影響，例如，絲徑波動，光纖抖動；2.不能對拉絲冷卻管腔體內(nèi)原有氣體流動產(chǎn)生影響；3.回收過程不能使原有氦氣用量增加；4.回收裝置的使用對生產(chǎn)工序、工步不能造成太大影響，以免使生產(chǎn)效率下降。

光纖冷卻管為開放式，中間容納冷卻氦氣的腔體與大氣直接相連接，因此回收過程中，除了將氦氣回收回來，同時空氣也被回收回來。回收回來的空氣越少，氦氣的純度越高，再提純的成本就越低，那么氦氣循環(huán)利用的經(jīng)濟性就越好。

目前，雖然光纖生產(chǎn)的工藝非常成熟，但是影響穩(wěn)定拉絲的因素太多，例如光棒質(zhì)量、光纖強度、冷卻效果、車間潔凈度、拉絲生產(chǎn)設備穩(wěn)定性以及主操手的操作技能等等，這些因素直接影響生產(chǎn)過程中冷管氦氣的使用量，如果使用量變化比較大，則使得保證良好氦氣回收效果的難度大大增加。

假設冷卻管氦氣用量為q，回收管路中氣體的流量為Q，回收的氦氣純度為C，則冷卻管的氦氣回收率η為：

由式中可以看出，冷卻管氦氣的用量是一定的，可變的參數(shù)就是回收氣體的流量Q和回收氦氣的純度C。流量和純度的乘積越大，回收效率越高。但是，光纖冷卻管的使用功能要求冷卻管內(nèi)填充氦氣的腔體與大氣相通，腔體內(nèi)的壓力是一個大氣壓，腔體內(nèi)的氦氣直接擴散到大氣中，因此在回收氦氣的過程中，必然會一同抽取空氣。并且回收氣體流量Q越大，回收氦氣的純度C越小，雖然流量和純度的乘積在增大，但是提純過程中的各種能耗勢必會增加，提純的經(jīng)濟性和可行性就會降低。

根據(jù)公式：(p1-p2)v=Qt，回收氣體的流量與回收管路起始端和終止端的壓差、管道中的氣體流速有關，而壓差、流速這些參數(shù)，與空氣泵的參數(shù)、管路內(nèi)徑、長度、管道拐點的數(shù)量及角度等很多因素有關，其數(shù)學模型的建立難度很大，同時，在光纖生產(chǎn)的不同速度階段，冷卻管中氦氣的用量也是不一樣的。即使用計算機模擬，其輸入條件也是變化多樣，很難確定。

3 氦氣回收系統(tǒng)概述

本文提出了一種能適應多種工況的氦氣回收系統(tǒng)，流程如圖1所示。

回收工裝安裝在冷卻管的端面。空氣泵開始工作，在泵之前的管路系統(tǒng)中形成負壓，于是冷卻管中的氦氣在負壓的作用下，通過管道，先進入精密過濾器，再經(jīng)過質(zhì)量流量控制器，最后進入空氣泵，由空氣泵升壓后，供給下一級用氣單元。

圖1 氦氣回收流程圖Fig.1 Flowsheet of retrieving helium

該系統(tǒng)中，質(zhì)量流量控制器根據(jù)事先設定好的值自動調(diào)節(jié)回收管路中氣體的流量，流量調(diào)節(jié)直觀方便，避免了理論計算中很多不確定的因素，例如回收工裝到精密過濾器之間的長管路以及精密過濾器自身不停變化的壓力損失等因素，對實際結果的影響，而且質(zhì)量流量控制器基本不受溫度、壓力等因素的影響，調(diào)節(jié)非常精確。由于氣體抽取量的大小會對冷卻管內(nèi)的氣流環(huán)境產(chǎn)生影響，因此流量計的設定值，要以不影響光纖生產(chǎn)為前提。因此首先針對冷卻管的生產(chǎn)過程中某一階段進行回收，測試出最佳點。再對冷卻管整個生產(chǎn)過程進行回收測試，從而找出抽取量的最優(yōu)值。

4 系統(tǒng)回收試驗數(shù)據(jù)

由于光纖生產(chǎn)中，用氦分兩個階段，一個是光纖拉絲速度提升的階段，此階段中氦氣用量隨著拉絲速度的增加而不斷增加，是個變量。另外一個是拉絲生產(chǎn)穩(wěn)定階段，該階段中氦氣用量一般是穩(wěn)定不變的。因此，要對這兩個生產(chǎn)過程分別進行回收測試。

圖2 拉絲升速階段氦氣回收數(shù)據(jù)趨勢分析圖Fig.2 Tendency chart retrieving helium during the stage of increasing

圖2為該系統(tǒng)在光纖冷卻管升速過程中，進行氦氣回收試驗的數(shù)據(jù)趨勢圖。從光纖冷卻管開始用氦氣的時候，即開始進行回收直到光纖生產(chǎn)結束。由數(shù)據(jù)可以看到，冷卻管的氦氣用量平均回收率可以達到80%，而且回收的純度都在70%左右。并且在光纖正常穩(wěn)定生產(chǎn)的時候，系統(tǒng)氦氣回收率最高，可見，該系統(tǒng)的回收能力與光纖拉絲生產(chǎn)的工況是非常匹配的。

圖3顯示的是冷卻管氦氣用量為11.6 L/min，即穩(wěn)定生產(chǎn)的時候，進行回收測試的數(shù)據(jù)。

圖3 氦氣回收測試數(shù)據(jù)趨勢圖(穩(wěn)定狀態(tài))Fig.3 Tendency chart retrieving helium (in the stable state)

由數(shù)據(jù)和曲線圖可以看到，抽取流量越小，純度越高，但是回收率并不高，經(jīng)濟效益不是最好。隨著抽取流量增加，純度雖然在降低，但是流量和純度的乘積在增加，也就是回收氦氣的量在增加，回收率就會不斷增加，經(jīng)濟效益不斷變好。當增加到一定程度的時候，冷卻管內(nèi)氣體環(huán)境的平衡被打破，隨之回收氦氣的純度急劇下降，回收率的曲線出現(xiàn)峰值，此時的氦氣回收純度為74.5%，回收量為14.3 L/min，回收率為91.8%，也就是經(jīng)濟效益最好的回收工況點。

5 總 結

綜上所述，本文闡述了一套簡單易行的回收系統(tǒng)，從實際角度出發(fā)，避開了冗長的設計計算，就能得到光纖生產(chǎn)過程中，冷卻管氦氣回收的最佳工況點，為氦氣回收的快速推進提供有力的保障。另外，數(shù)據(jù)中能直接反應出回收氣體中氦氣的含量，為評估后續(xù)氦氣提純流程設計計算提供可靠的依據(jù)。此外，該回收系統(tǒng)與回收工裝的組合，保證氦氣回收純度不低于70%，這樣，不論提純采用膜分離、變壓吸附、低溫精餾等任何提純工藝方法，都能最大限度降低提純的能耗，從而將循環(huán)利用的經(jīng)濟效益最大化。

A Method Researching How to Retrieve Helium from Optical Fiber Cooling Pipe Efficiently

LUO Hui,HUANG Wei,XU Tao,WANG Chuanxi,LIU Yang,LIU Zhaoming

(Anhui Vacree Technologies Co.,Ltd.,Hefei 230088,China)

We have lots of method which is reliably about purifying helium gas,but the key technology is how to retrieve the helium gas which has a higher purity and more volume,because it decides that the purifying method is able or not in economy.In this article,a retrieving method which used real-time control was introduced,meanwhile,this method was analyzed using testing data.And providing some retrieving experience in production of optical fiber.

helium; retrieving; cyclic utilization; optical fiber; cooling pipe

2017-06-06

TQ117

A

1007-7804(2017)04-0012-03

10.3969/j.issn.1007-7804.2017.04.004

羅 輝(1983)，男，工程師，現(xiàn)于安徽萬瑞冷電科技有限公司主要從事工業(yè)氦氣循環(huán)利用裝備的研發(fā)與應用。