节流制冷器

节流制冷器（精选六篇）

节流制冷器 篇1

1原理分析

作为最简单的直喷式J-T节流制冷器的T-S如图1所示,压力为P0,温度为T0的初始状态高压制冷工质高纯氮气从制冷器的进气端并联进入制冷器的毛细管,被毛细管外的回流气体预冷后,成为状态为1的工质,此时,毛细管中流量为mp的工质在制冷器的锥头部分内节流,节流后的气液混合物的压力和温度分别为PM和TM,它使导液管中的制冷工质在锥头内得到充分预冷,预冷导液管中流量为mc的工质后,制冷工质mp流过最外层毛细管与外壳之间的夹缝层,去冷却毛细管中的高压来流气体,回热后从制冷器后部排出;而制冷导液管中经过充分预冷后的状态为2的制冷工质mc则经过喷嘴,从制冷器的喷口节流后成为压力和温度分别为Pe和Tc的气液混合物,喷射到需要冷却的红外芯片上。复杂的如可调节流量的节流制冷器依靠温度敏感材料调节节流孔大小控制流量,则更加精密,本文仅从基本的影响因素分析。

2影响因素

2.1气态方程

我们知道理想气体的状态方程即克拉伯龙方程:p V=n RT。其中p为压强,V为体积,n为物质的量,R为普适气体常量,T为绝对温度。当气体在毛细管中流动时,遇到节流孔时,由于局部阻力,其压强P显著下降,但是在外壳和毛细管的紧密配合下气体体积不能显著增大,且来不及与外界进行热交换,因而温度T显著降低。气体在绝热节流时,节流前后的比焓值不变。这是节流过程的主要特征。由于节流时气流内部存在摩擦阻力损耗,所以它是一个典型的不可逆过程,节流后的熵必定增大。

2.2流量比

参考以上对制冷器工作原理的描述,在稳定流动时,根据能量守恒,有如下能量关系式:mph0+mch0=mphx+[mczhl+mc(1-z)hg]-Q.式中,h0为入口处高压气体比焓;hx为回流(预冷级)工质出口比焓;hl为饱和液态制冷工质比焓;hg为饱和气态制冷工质比焓;mp为预冷级工质流量;mc为制冷级工质流量;z为制冷级工质的液化率;Q为漏热及不完全换热功率。[1]

通过计算可知,制冷级和预冷级的流量比对制冷器的制冷效率影响事关重要。剔除客观因素,流量比越大,制冷效果越好。预冷级的流量靠节流孔控制,制冷级流量靠节流管(导液管)控制。当然节流孔也间接影响制冷级,导液管也间接影响预冷级。

3提高性能的方法

3.1通过以上分析,提高初始氮气压力虽然有效,但限于技术条件和其他考量,需着重考虑其他方法。对于气态方程,在压强迅速降低的同时控制住气体体积不发生大幅增加,可以降低温度。所以在毛细管和外壳的配合间尽可能多的紧密缠绕棉线,是一种必要的手段。而且棉线还有隔绝外界热环境,减少热散失的功能,但应时刻注意保证产品的装配。

实验验证,在棉线不足,产品配合较松的时候,显著影响制冷器的出液量和液化比率,有时多一圈产品性能便有显著提高。

3.2调节节流孔孔径大小是增减预冷级流量,调节制冷级和预冷级流量比最直接、最有效的手段。但是显然孔径不是越大越好,越大的孔径使得节流效果减弱,同时减少了制冷级产生的液氮量。对于固定的孔径和具体的产品有对应的最合适的数据,且范围很窄,通常在几个微米级别。

3.3对流量的影响除了毛细管节流孔的面积及导液管的横截面积之外,流速也是十分重要的一环。因此减小导液管内制冷级工质氮气的流速也是提高流量的一种有效方式。在预冷级节流孔大小不变的情况下,增加导液管缠绕的圈数,通过管壁可以增加管内气阻,从而增加预冷级节流孔流速和减小导液管横截面流速,提高预冷级和制冷级的流量比。然而,导液管所能增加的圈数和长度是有限的,即便在锥头部分可以容纳的前提下,过长的导液管需要更久的预冷时间,和产生更大的热耗散,因此有个最佳长度,通过实验数据整理,针对具体的产品有对应的尺寸,范围较宽,通常可以有几个厘米的误差。

通常在秋冬温度较低的季节,节流孔、节流管尺寸有较宽的适应范围,但在冬季,这些往往不能保证产品的合格率。因此,对于具体的产品,在高温高湿环境下,调试出来的数据可以保证在低温环境下稳定合格,虽然在高温高湿环境下,对数据准确性的要求十分苛刻。

4结论

通过以上分析和实验验证可知,对于最简单的直喷式J-T节流制冷器,最关键的三个影响因素分别是半成品与外壳装配的间隙、节流孔的大小、节流管(导液管)的长度和圈数。这三者有一项没有制作到位,将大幅影响启动时间和蓄冷效果。其中,节流孔的大小是最重要的因素,往往需精确到一两个微米的级别,导液管有三五厘米的弹性空间,半成品与外壳的间隙需要通过缠绕棉线紧密配合。找到了各自的最佳尺寸,无论气温高低,制冷器在启动时间和蓄冷时间都能达到满意的效果。此外这种直喷式J-T节流制冷器结构简单,调试方便,启动快,蓄冷较长,完全可以满足单元器件的制冷需求。另外,如果是面阵的探测器,且需要更大的蓄冷量和更久的蓄冷时间,还是应该考虑更复杂的结构,比如记忆合金可调式节流制冷器。

参考文献

节流制冷器 篇2

关键词：天然气凝液,J-T效应,节流阀,节流膨胀制冷

一、天然气凝液回收的重要意义

天然气凝液, 顾名思义, 系天然气通过冷凝从而回收得到的烃类液体, 即C2+烃类组分。国外称为NGL, 国内油田从原油的角度出发将NGL称之为“轻烃”。NGL通常可分为三部分, 即乙烷、液化石油气和稳定轻烃。应当指出, NGL是很有价值的工业原料, 利用C2组分可以生产乙烯。NGL也是很重要的液体燃料, 我们常用的液化石油气即是C3和C4的混合物。C5+根据其组成的不同科送入炼油厂炼制, 或直接作为汽油的调和组成, 或作为生产溶剂油的原料。同时, NGL组分如不予分离又有可能对天然气集输等过程产生不良影响。

二、天然气凝液回收方法分类

从天然气中回收NGL有多种多样的方法, 主要有吸附法、油吸收法和冷凝分离法。目前在NGL回收领域居于主导地位的工艺是冷凝分离法, 冷凝分离法是利用天然气中各烃类组分冷凝温度不同的特点, 通过制冷将天然气冷至一定温度从而将沸点较高的烃类冷凝分离, 并将凝液分馏成合格产品的方法。其冷能的获得可经由两种不同的途径, 一是利用冷剂将天然气通过间接换热冷至所需的温度, 二是利用气体本身的压能通过降压膨胀而产生所需的低温。主要制冷方法有:节流膨胀制冷、热分离机制冷、透平膨胀机制冷、外加冷源在制冷等。

三、节流膨胀制冷原理

膨胀制冷系利用天然气本身的压力经膨胀降压而产生温度的降低。最早使用的膨胀制冷元件是节流阀, 它很简单, 容易操作。

节流阀的工作原理是气流产生了焦耳-汤姆逊 (J-T) 效应, 所以也常称为J-T阀。对于理想气体, 其焓值仅是温度的函数;而真实气体的焓值则是温度和压力二者的函数。故在节流膨胀时随压力的变化为维持焓值不变其温度也要变化。节流膨胀这一等焓过程产生的冷量大大低于等熵膨胀可以获得的冷量, 但节流阀制冷可在不适于采用膨胀机的工况条件下采用, 虽然降温效果差一些, NGL回收率低一些, 但投资很少。大体上每降低0.1MPa可使气温下降0.5-1℃;且在较高温度下降压时的降温效果较差, 在较低温度下降压则可取得更好的降温效果。还应该指出的是, 节流阀在有液相产生的条件下它也可以正常操作;此外, 节流膨胀时不能回收功。

四、节流膨胀制冷工艺

1. 节流膨胀制冷的示意图

节流阀工艺的主要用途是依靠节流后获得更低的温度分离回收轻烃, 那么, 我们先来了解一下节流膨胀制冷的工艺示意图, 见图4-1。

2. 节流膨胀制冷的影响因素

我们大家都知道, 通过温度的降低或压力的升高都可以提高轻烃回收率, 而节流阀制冷工艺则是利用节流后获得较低的温度来实现轻烃的分离和回收。但若节流压降过大, 则虽可获得较低温度, 但压力也会降低, 冷凝量并不一定能达到最大值。因此在凝液回收和分离过程中, 需权衡压力和温度的相互关系, 根据实际情况分析出两者中对凝液回收影响更大的因素。

在天然气凝液回收的实际操作中, 当甲烷体积百分含量较大 (80%以上) , 节流后压力和温度对冷凝量的影响在不同阶段的影响过程是不同的, 当压降较小, 虽然压力降低, 但节流后温度也降低, 那么此时冷凝量也是增加的, 因此此时温度的降低是主导冷凝量增加的因素;当压降增大, 节流后压力低于某个数值时, 虽然温度降低, 但冷凝量开始减少, 此时压力的降低是主导冷凝量较少的因素。造成上述现象的原因是:天然气是否具有反凝析现象;压力降低导致冷凝量较少。

3. 节流膨胀制冷工艺优化

(1) 确定节流膨胀制冷的操作条件

首先通过生产要求确定烃露点, 计算出节流阀前的压力是多少, 才能保证节流阀后的压力, 使天然气降低至需要的烃露点以下。

(2) 增设辅助设施保证节流膨胀制冷要求

当节流阀前压力不能提供节流后足够的压力时, 应根据分离压力是否需要辅以原料气增压设施。冷凝天然气需要的冷量主要来源于内冷, 内冷是气体本身经膨胀等热力学过程而获得冷量。当仅靠内冷不足以将可凝组分全部冷凝时, 需要辅以外冷, 外冷则是由独立设置的制冷循环为气体冷凝提供冷量, 一般为制冷剂制冷。对于甲烷含量较低的富气, 需要冷凝的组分多, 需要补充外冷。

结语

本文对节流膨胀制冷原理及凝液回收的影响因素等做了详细的讲解后, 得出结论:在节流膨胀制冷回收凝液过程中, 只有权衡压力和温度的相互关系, 才能提高凝液的回收效率。

参考文献

[1]梁平等, 天然气操作技术与安全管理.北京:化学工业出版社, 2006, 5.

[2]苏建华等, 天然气矿场集输与与处理.北京:石油工业出版社, 2004, 12.

一种新型的可调式井下节流器 篇3

近些年来, 我国天然气能源开发的速度越来越快, 在天然气井的开采生产过程中, 由于井下的压力及温度的改变, 使采出的天然气转变为天然气水合物, 堵塞井筒、管线、阀门和设备, 从而影响天然气开采的正常运作, 对气井生产危害极大, 为了避免水合物的生成, 更多的气井采用井下节流技术。

气井井下节流工艺是把井下气嘴及其配套工具通过绳索作业或油管带的方式坐放在油管中设计位置。其基本原理是井下节流把节流降压的过程放到井下, 气体经过井下气嘴节流后, 压力、温度降低, 而降温、降压后的天然气又会在井筒中充分吸收地热, 使其温度与环境温度相平衡, 当天然气流至井口时, 温度较高, 压力较低, 不符合水合物生成条件, 有效地阻止了天然气开采过程中水合物的生成。

但目前国内外实用的节流器均为固定气嘴节流器, 在改变气井工作制度时, 需要取出节流器更换气嘴, 再将节流器放入井下。这种节流生产工艺一方面增加了作业费用, 影响正常生产, 并且存在作业事故隐患。

为了解决现有节流器的不足, 该新型可调式井下节流器可通过地层条件及油套管压力等参数的变化, 在井下实现节流器气嘴直径的自换, 减少起管柱作业次数, 减少节流器的磨损, 降低成本。

1 结构组成及工作原理

1.1 结构组成

新型节流器结构组成主要包括:上卡筒、上阀桶、斜齿、小垫片、上阀片、凸块沟槽、大垫片、下阀片、弹簧、下阀筒。结构如如图1所示

1.2 工作原理

该节流器下阀片的底面上的同一圆周上均匀开设有四个孔径不同的孔, 利用自锁与反自锁的理论力学原理, 根据气压更换成多个直径不同的节流气嘴进行井下节流。

关闭气井阀门时, 下阀片受到上阀片和自身的重力下, 弹簧受到下阀片的挤压作用而缩短。当下阀片移到脱离沟槽的约束时, 在上阀片的重力和弹簧的弹力作用下, 脱离沟槽约束的瞬间, 下阀片始终绕一个方向转动。

打开气井阀门, 下阀片和上阀片在气流和弹簧的弹力作用下一起向上运动, 向上运动的同时受到了沟槽的约束, 迫使下阀片和上阀片一起分别进入沟槽和沟槽中, 以上过程中, 下阀片总共向左旋转90°。将下阀片底面上的不同孔径的孔与上阀片底面上的孔对齐, 从而达到了控制气流直径, 根据气压更换成多个直径不同的节流气嘴进行井下节流。

在实际生产工程中, 出现需要改变气井工作状态时, 每开关井一次, 气嘴旋转一次, 实现自动变径。

2 主要技术指标

1) 外径:57m m ;

2) 内径:1.4~8m m ;

3) 长度:890m m;

4) 节流压差:≤50M Pa;

5) 适用油管外径:73m m;

6) 适用油管内通径:≥59m m ;

7) 气嘴直径范围:1.8~10m m

3 结论

新型节流器可实现井下自动更换气嘴直径, 解决了现国内外大部分气田因气井工作制度的改变而需多次起管柱作业更换节流器的问题。从而达到延长节流器的使用寿命, 减少作业次数, 缩短作业周期, 降低作业成本, 避免作业事故风险, 提高经济效益的目的。可实现气井稳定配产, 试井过程中快速切换工作制度, 具有大面积推广使用的价值意义。

摘要：目前常用的气井井下节流器在更换气嘴时, 需要通过反复打捞或起出井下管柱作业才能实现。这不仅影响气井生产、增加作业成本, 而且存在事故风险。本文在分析现有节流器结构原理的基础上, 对其关键部位进行了改进, 设计出了一种新型可调式井下节流器。新型节流器只需要通过改变气井工作制度即实现气嘴的快速切换, 解决了气井合理配产和试井等需要快速切换工作制度的难题。

关键词：气井,井下节流,可调式节流器

参考文献

[1]尹鸿科.活动式井下节流器结构改进及应用[J].内蒙古石油化工, 2012.

[2]胡丹, 侯治民, 滕汶江, 等.新型活动式井下节流器的研制及应用[J].石油钻采工艺, 2004.

[3]段宝玉, 张桂迎, 蒋宜春等.一种新型活动式井下节流器[J].石油机械, 2004.

[4]喻成刚, 张华礼, 邓友超.新型井下节流器研制及应用[J].钻采工艺, 2013.

节流制冷器 篇4

天然气生产过程中使用井下节流器,能够实现井筒内节流降压、防止形成水合物堵塞、提高采气集输系统安全性等,不管是在经济效益和安全生产管理上都有很多的益处,我厂在部分井使用的是CQX型井下节流器(如图1,以下简称节流器),这类节流器的投放和打捞施工也存在一定的安全风险,本文就遇到的安全风险进行分析。

1 井下节流器组成及工作原理

主要由投放头、打捞头、卡瓦、本体、中心管、密封胶筒及节流嘴等组成(见图2),它的投放、座封和打捞都是通过试井钢丝操作完成。

节流器座封后,密封胶筒在被压缩弹簧释放出弹力的作用下,外径增大,密封井下节流器中心管与油管的环形空间。

开井生产,井内天然气经防砂罩从陶瓷气嘴通过时节流降压,节流压差作用在胶筒和外套上,产生向上的推力,带动锥体继续上行,卡瓦卡紧油管内壁,胶筒进一步胀开,使中心管与油管内的环形空间进一步密封,实现井下节流和降压。

2 井下节流器的投放

利用测试车,通过井口防喷装置将井下节流器下到设计位置后,上提钢丝,中心管和锥体上行,将卡瓦撑开,卡住油管内壁,然后剪断座封销钉,密封胶筒在被压缩弹簧释放出弹力的作用下,外径增大,密封井下节流器中心管与油管的环形空间,此时3片卡瓦也紧紧卡在油管内壁上,从而实现了井下节流器的投放和座封(见图3)。

3 井下节流器的打捞

因节流嘴胶皮磨损或其他原因节流器失效时,需要捞出节流器。利用测试车,通过井口防喷装置将打捞工具下放到节流器投放位置以上50米时(可根据井筒情况提高位置),向下快速冲击,一方面打捞工具可以抓到节流嘴上端的打捞头,另一方面使节流嘴卡瓦从油管壁脱开,然后上起,打捞出井下节流器。

4 节流器投放存在问题及采取措施

从2008年12月份到2009年元月,气田测试中心共参与节流器投放12口井,全部投放成功。在投放过程中主要存在以下几个方面的问题:

4.1 部分井较脏,并且有出砂现象,影响投放。

在榆X-1节流器投放过程中,通井发现井下较脏,节流器下放到1750米后准备座封,上下活动5次,节流器不能座封,第一次投放失败。将节流器起出后发现卡瓦与本体中间有砂粒,将卡瓦卡住使卡瓦在座封时不能活动,与本体一起上下运动,卡瓦不能卡在油管壁上。这样在上起过程中造成很大风险,节流器在上起时如果卡瓦突然下落,造成钢丝猛然受力可能使钢丝拉断。

采取措施:(1)在通井时增加活动次数,用通井规将井壁尽量刮干净;(2)采取预防措施,防止杂物进入卡瓦与本体之间;(3)遇见这种情况后上起时,一定要控制上起速度。

4.2 井下油管斜率较大,影响投放作业安全。

在榆X-2井投放过程中,由于该井与其他两口井构成丛式井,井下有造斜,在1835米称重时静止拉力110kg、慢下拉力108kg比其它井下降了3~5kg。在座封时,虽然座封过程相同,但经过11次震击才脱手,投放成功。

采取措施:根据井身结构和相关资料,在设计投放位置时尽量靠近井口。

4.3 油管不规则或井壁有附着物,影响投放。

在榆X-3施工作业过程中,通井时,分别在38米、330米、1233米有遇阻现象,但都顺利通过,在38米和330米位置怀疑是有水合物附着在井壁,在1233米处,怀疑是井壁不干净,有其他杂物附着或油管不规则。在上起到以上位置时,分别多次上下活动后起出通井工具串。节流器投放过程中,在38米、330米顺利通过,通过1233米时钢丝拉力猛然下降到50kg,但顺利通过,最后投放成功。

采取措施:(1)尽可能使用大直径的通井规通井,保证节流器下放顺利;(2)在有遇阻现象位置要多活动,保证通井工具串顺利通过;(3)节流器下放时,在通过有遇阻现象位置时要缓慢下放。

5 节流器打捞存在问题及采取措施

在2009年元月施工的2口井打捞过程中,1口井打捞成功,另外1口井未捞出,在打捞过程中主要存在一下几方面的问题:

5.1 虽然节流器失效,但节流器下入时间不够长,胶筒没有被破坏或与节流器脱开,仍然撑在油管壁上,使节流器与油管壁摩擦阻力较大,再由于胶筒与油管壁接触,在上起过程中造成钢丝拉力过大,使作业风险增加。在榆X-4节流器打捞过程中,在1892米到1430米拉力达到150kg,到1430米后拉力猛然下降到98kg。证明在1430米胶筒脱落。

采取措施:(1)在向下震击时,使节流器活动的距离尽量的大,发现每次震击时节流器都向下运行,然后再上起节流器;(2)在上起一段时间后再下放,如果不能下放,采用震击的方法向下震击再上起,如此反复,尽量使胶筒严重磨损或破损,甚至脱落;(3)严格控制上起速度,速度要缓慢,不能猛起。

5.2 由于部分井较脏,生产一段时间后,节流器上方堆积杂物,或者在以后的施工过程中节流器上方有落物,使打捞筒无法抓住节流器打捞头,造成节流器无法打捞,或者抓住打捞头后也无法将节流器捞出。在榆X-5施工过程中,第一次下放打捞筒在距投放位置(1900米)60米处快速下放工具串,在1900米接触到节流器,然后缓慢上提工具串,发现钢丝拉力没有变大,经过多次重复操作也无法抓住节流器。在另外一口井作业时,虽然向下震击后节流器向下移动20米左右,但向上震击时节流器几乎没有移动。

采取措施:一是发现向下震击后节流器有移动,但上起使钢丝拉力无变化,应考虑节流器上方有落物,采取其他方法打捞。二是发现能抓住节流器但不能上起时,应考虑尽快脱手不能继续震击防止打捞工具无法脱手。

5.3 井筒内下有多个节流器时,由于打捞上部节流器产生的胶筒碎片,以及背帽脱落,都将造成其它节流器无法打捞。在榆X-6井打捞节流器时,向下震击300多次后,节流器从1900米下移到1926米,仍无法抓住节流器,起出工具串后发现打捞筒脱手销钉未剪断,初步判断节流器上部有异物。

5.4 打捞筒安全销钉强度设计过大,不易脱手。2009年1月17日,榆X-7井打捞节流器时,经多次下击节流器仍不能解卡,准备上起工具串,在向上震击约150次后,打捞筒也未能脱手。建议将原来打捞筒销钉8mm,改为6mm,以增加作业安全性,同时采用盲锤下击节流器进行解卡。

6 节流器本身存在的问题

(1)投放头和本体直径不一样,导致在下放时卡瓦和本体之间有异物存在,卡瓦可能卡死在本体上,在座封时卡瓦不能起作用,造成投放失败。(2)连接投放头和节流器的销钉强度大,震击时不容易脱手,使震击次数增加,造成安全风险增大。(3)在搬运时,造成节流器卡瓦变形,在座封时节流器不能很好的座封。

7 认识

(1)节流器投放存在一定的安全风险,在作业过程中要针对出现的问题进行认真分析,确定应对的方法。(2)节流器投捞作业过程中会出现各种情况,针对出现的不同情况要具体分析,尽量将各种情况分析透彻,然后采取不同的应对方法,以降低安全风险。(3)在通井时,在设计深度上下50米内,要进行多次通井,以达到清除管壁脏物,使座封更严密。(4)在投放作业前要对历史通井以及管柱情况进行统计了解。(5)建立气井投放井下节流器标准业务流程,工作流程应按照:选井→核实气井资料→核对稳定产量及稳定压力→确定气嘴直径→编写、审批投放方案→投放井下节流器→更新气井资料。(6)建立气井打捞井下节流器标准化业务流程,工作流程应按照:明确气井运行状况→分析失效原因及确定对策→核实气井资料→确定打捞方案→编写、审批打捞方案→打捞井下节流器→更新气井资料。(7)一般井下节流器的寿命为1-2年,有效期较短,井下节流器失效的主要原因是密封胶皮在高压、高温及流体的冲蚀下造成损坏,导致胶筒与油管内壁密封不严。节流器失效后应及时打捞,避免节流器上部沉积其他杂物影响打捞。

摘要：虽然井下节流器有许多优点,但在施工过程中具有一定的安全风险,本文针对CQX型井下节流器在投捞作业施工过程中存在的安全风险进行分析,并提出解决措施。

关键词：节流器,投捞作业,风险

参考文献

[1]芦造华,洪鸿,王玉富.NWT井下测试脱挂器在天然气井的应用与改进[A].2005年石油装备技术发展学术交流年会论文集[C].2005年.

[2]史华,李天太,默远哲,姚瑞峰.苏里格气田井下节流器工艺参数确定[J].石油化工应用,2010(05).

[3]周立辉,苟宏刚,王效明,于志刚.卡瓦式井下节流器密封性能研究及试验[J].油气井测试,2006(01).

[4]段宝玉,张桂迎,蒋宜春,刘慧,王军.一种新型活动式井下节流器[J].石油机械,2010(09).

节流制冷器 篇5

常规制冷循环的制冷性能COP值一般都在2~3之间, 有的甚至小于2, 火用效率不超过15%, 这说明对制冷循环过程的优化与改进具有很大的潜力。由螺杆式压缩机的结构特点可知, 在同一气缸中可实现两次吸气, 且二次吸气压力大于蒸发压力, 并不影响螺杆压缩机的第一次吸气过程, 因而带经济器的螺杆制冷循环较常规制冷循环的热力性能得到了显著的改进, 并具有显著的节能效果。本文介绍一种带经济器的螺杆制冷循环, 详细分析其循环工作过程和工作原理, 与常规的制冷循环在循环工作原理及系统结构上的比较, 结合能量守恒方程和质量守恒方程, 分析新循环较常规循环在制冷系数上的提高, 并结合现阶段的节能主题分析新循环的节能经济性。

一、螺杆压缩机的结构及性能介绍

螺杆压缩机最早由德国人H.Krigar在1978年提出, 直到1934年瑞典皇家立功学院A.Lysholm才奠定了螺杆压缩机SRM技术, 并开始在工业上应用, 取得了迅速的发展。20世纪50年代, 就有喷油螺杆式压缩机应用在制冷装置上, 由于其结构简单, 易损件少, 能在大的压力差或压力比下工作, 排气温度低, 对制冷剂中还有大量的润滑油不敏感, 有良好的输气量调节特性, 很快占据了大容量往复式压缩机的使用范围, 而且不断的向中等范围延伸, 广泛地应用在冷冻、冷藏、空调和化工工艺等制冷装置上。以它为主机的螺杆式热泵从20世纪70年代初便开始用于采暖空调方面, 有空气源热泵、水热泵型、热回收型、冰蓄冷型等。在工业方面, 为了节能, 亦采用螺杆式热泵作为回收。目前, 螺杆式压缩机用于越来越广泛, 各种开启式和半封闭式螺杆压缩机已形成系列, 近今年又出现全封闭式螺杆压缩机。双螺杆式压缩机简称螺杆压缩机, 由两个转子组成, 而螺杆式压缩机由一个转子和一个星轮组成, 它们制冷和制热的输入功率已发展到10~1000KW, 基于螺杆式和螺杆式压缩机一系列的优点, 其研究和开发领域十分广泛, 性能优化潜力很大。

螺杆式压缩机是靠气缸中一对含有螺旋齿槽的转子相互齿合, 造成由齿形空间组成的基元容积的变化, 进行制冷剂气体的压缩。

本文重点介绍开启式螺杆压缩机。制冷装置上最先用到的是开启式螺杆压缩机, 以后才发展到半封闭式和全封闭式。同往复活塞式相比较, 开启式螺杆压缩机的主要优点是: (1) 螺杆转子压缩气体的运动为旋转运动, 转子转速可得到提高, 因此当输气量相同时, 螺杆式压缩机与往复活塞式相比较, 体积小, 重量轻, 占地面积小, 运动中无往复惯性力, 对地面基础要求不高。 (2) 机器结构简单, 其零件数仅为往复活塞式的十分之一, 而且易损部件少, 尤其是它无吸排气阀门, 无膨胀过程, 简单压力比大, 对液击不敏感。 (3) 有适应广阔的工况范围运转, 尤其是用于热泵机组上, 其容积效率并不像往复活塞式压缩机那样有明显的下降。 (4) 输气量能无级调节, 并在50%以上的容量范围内, 功率和输气量成正比下降。

本文所介绍的带经济器的螺杆式制冷循环, 其压缩机就是开启式螺杆压缩机。开启式螺杆压缩机中间可开口, 有利于压缩机进行中间补气的过程的发生, 进而可以让整个压缩过程相似于两级压缩。

二、经济器的结构及性能介绍

带经济器的螺杆压缩制冷循环, 其来自气液分离器的制冷剂液体分两路进入经济器, 一部分进入管程, 一部分进入壳程。其中进入壳程的这部分制冷剂在热力膨胀阀及电磁阀的控制下进行蒸发吸热, 用来过冷管程中的制冷剂液体, 从而降低蒸发器入口制冷剂的温度以提高制冷效果;然后从螺杆压缩机中段的开口进入压缩机, 与蒸发器进入的制冷剂混合。其实质上是为螺杆压缩机增加了一个补气过程, 把一部分制冷剂先预冷, 然后用来过冷蒸发器入口的制冷剂, 减小其焓值, 增加了整个制冷循环的制冷量, 提高整个制冷循环的制冷性能系数, 从而使整个制冷循环与常规制冷循环相比, 具有了显著的节能优势。

三、带经济器的螺杆压缩机的工作流程

工作流程为:蒸发器出口的制冷剂 (状态6) 进入螺杆压缩机, 经压缩后 (状态1) 进入冷凝器经冷却水冷却后 (状态2) 经一次节流进入气液分离器, 气液分离器中的气态制冷剂 (状态7) 从压缩机中段开口回到螺杆压缩机, 气液分离器中的液态制冷剂 (状态4) 经二次节流后进入蒸发器, 一个循环完成。

四、带经济器的螺杆压缩制冷循环的工作原理

带经济器的螺杆压缩制冷循环, 其来自气液分离器的制冷剂液体分两路进入经济器, 一部分进入管程, 一部分进入壳程。其中进入壳程的这部分制冷剂在热力膨胀阀及电磁阀的控制下进行蒸发吸热, 用来过冷管程中的制冷剂液体, 从而降低蒸发器入口制冷剂的温度以提高制冷效果;然后从螺杆压缩机中段的开口进入压缩机, 与蒸发器进入的制冷剂混合。与常规制冷循环相比, 其制冷剂不是全部用于蒸发器中的蒸发吸热。这样蒸发器的供液量减小, 压缩机的压缩接近于两级压缩的过程, 对于螺杆压缩机的结构特点, 带经济器的螺杆压缩制冷循环比常规制冷循环多了一个螺杆压缩机的中间补气的过程, 其lg-p图如下:

五、带经济器的螺杆压缩制冷循环的实例分析

1、现取制冷工质为R134a

R134a (1, 3-四氟乙烷, CH2FCF3) 作为R12的替代制冷工质而提出。它的许多特性与R12很接近。近来R134a也被用于离心式制冷机中, 作为R11的替代制冷工质。R134a的临界压力比R12略低, 温度及液体密度均比R12略小标准沸点略高于R12, 液体、气体的比热容均比R12大;两者的饱和蒸汽压在低温时R134a略低, 因此, 一般情况下, R134a的压比略高于R12, 但它的排气温度比R 1 2低, 对压缩机工作更有利。R134a的毒性非常低, 在空气中不可燃, 是很安全的制冷工质;与R12相比, R134a具有优良的迁移性质, 其液体及气体的热导率显著高于R12;R134a的化学稳定性很好, 与其他HFC类制冷工质一样, R134a分子中不存在氯原子, 所以综合以上的各种优点, 本文选择R134a作为制冷工质。

2、现假定制冷工况为:

假设两循环过程制冷剂量总量为1kg;

制冷剂经膨胀机等熵膨胀后至蒸发压力。

蒸发温度为-1 5℃, 冷凝温度为4 0℃

由制冷剂R134a的lgp-h图可得:

P0=0.16MPa, PK=1MPa,

假设中间压力为0.6 M P a, 查制冷剂R134a的lgp-h图可得:带经济器的螺杆压缩制冷循环各工况点的焓值为:

h6=3 8 5 k J/k g, h8=4 2 0 k J/k g, h3=260Kj/kg, h4=250 kJ/kg, h5=250 kJ/kg, h7=412 kJ/kg

3、带经济器循环的气液分离器中闪发气态制冷剂质量

由能量守恒方程得:

解得x=0.06Kg

4、带经济器的螺杆制冷循环的制冷量Q0

5、带经济器的螺杆压缩制冷循环的耗功率W

6、制冷性能系数COP

六、常规制冷循环的实例分析

1、常规制冷循环的lg-p图如下:

2、既定制冷工况为:

假设两循环过程制冷剂量总量为1kg;

制冷剂经膨胀机等熵膨胀后至蒸发压力。

蒸发温度为-1 5℃, 冷凝温度为4 0℃

由制冷剂R134a的lgp-h图[3]可得:

P0=0.16MPa, PK=1MPa;

查制冷剂R134a的lgp-h图可得:常规制冷循环各工况点的焓值为:

H1=3 8 5 k J/k g, h8=4 4 0 k J/k g, h3=260Kj/kg, h4=260 kJ/kg

3、带经济器的螺杆制冷循环的制冷量Q0

4、带经济器的螺杆制冷循环的制冷量Q0

5、制冷性能系数COP

七、结果比较与节能性分析

从以上计算结果可以得出, 在相同的运行工况和设备参数下, 带经济器的螺杆压缩制冷循环的制冷性能系数比常规制冷循环的制冷性能系数提高了0.2 8, 这样可以得出带经济器的螺杆制冷循环较常规制冷循环所得到的改善, 性能系数的提高, 及循环流程和设备结构的变化。理论和实践证明, 螺杆压缩机增加经济器补气后, 其容积效率有所降低, 但制冷量和制冷系数均有较大幅度的增长。所以, 相比于常规制冷循环而言, 带经济器的螺杆压缩制冷循环具有显著的节能效果, 对于在当今世界, 能源相对短缺, 环境污染日益恶劣, 急于开发利用新型能源的情况下, 提高原有工作的效率也是节能的一大重要方法。带经济器的螺杆压缩循环正是利用了简单的系统循环结构, 达到了相同情况下提高循环制冷性能系数的目的, 使得单位制冷量得到了显著的提高, 改善了循环的整体性能, 巧妙的运用了螺杆压缩机的结构特点, 具有了显著的节能特性。

八、综述

我国现代化过程中面临能源短缺的问题。因此, 目前国家倡导节能减排提倡使用清洁优质高效能源, 大力推广节能环保新技术。对于制冷与空调行业, 应注重新技术的研发和应用, 以及制冷空调技术与相关技术的融合与交叉, 以适应二十一世纪的能源战略新需要。不可再生资源日益短缺、环境污染日趋严峻, 为了避免对不可再生资源的过度索取, 保护人类赖以生存的自然环境, 大力开发利用可再生能源, 节能己成为科技发展的必然路线。当前的制冷技术已经几乎渗透到各个生产技术、科学研究领域, 并在改善人类的生活质量方面发挥着巨大作用。在制冷工程中运用新的节能技术来减少能量的消耗, 提高制冷的效率, 同时也要将环境的污染减少到最低程度, 这已经成为整个制冷行业发展的首要任务。带经济器的螺杆压缩制冷循环提高了制冷循环的工作效率, 具有显著的节能效果, 符合当今社会的发展主题, 紧跟科技前进发展的方向, 属于制冷节能新技术。

参考文献

[1]陈光明, 陈国邦.制冷与低温原理[M].机械工业出版社.2000

[2]缪道平, 吴业正.制冷压缩机[M].机械工业出版社.2000

[3]曾丹苓, 敖越, 张新铭, 刘朝.工程热力学[M].高等教育出版社.2000

温差热电制冷器研究与应用 篇6

能源是人类社会生存与发展的基础。能源危机和环境压力, 使人们越来越意识到能源的重要性, 因此开始采用开源节流的战略, 即一方面节约能源, 另一方面开发绿色无污染的新能源, 研究提高能源利用率的方法[1]。合理利用各种余热、废热是一种提高能源利用率的新思路[2]。以汽车为例, 汽车燃油的利用率只有1/3, 余下2/3的能量被浪费掉, 其中尾气排放的热量占总热量的40%, 提高燃油利用率已势在必行。温差热电技术是近年来国际上发展迅速的新技术, 该技术为缓解能源短缺, 减少环境污染提供了有效途径。[3]

温差发电技术利用温差可以直接将热能转化为电能, 具有无噪音、无污染、无磨损、轻便、寿命长等特点。热电制冷技术因其无污染, 结构简单, 便于控制, 寿命长等优点, 在很多领域越来越受到青睐。

2 温差热电技术概述

温差热电技术研究热能和电能的相互转换, 分为温差发电和温差电制冷两大分支。理论基础是三大效应:塞贝克效应、珀尔帖效应和汤姆逊效应。

1821年发现的塞贝克效应指出, 在两种不同材料组成的回路中, 两种不同的导体相连接时, 如果两端的连接处具有不同温度, 导体中产生温差电动势, 该电动势叫做热电动势, 即塞贝克电动势。温差发电基于该理论。珀尔帖效应于1834年发现, 它指出当直流电流通过两种不同金属的接点时, 连接处会出现放热或吸热的现象。放热或吸热大小由电流的大小来决定。实用的半导体制温差电材料有碲化铅、硅化铁、锑化锌、碲化铋等。[4]半导体制冷主要理论依据是珀尔帖效应。汤姆逊效应指出, 当电流经过有温度梯度的导体时, 必然会有吸热或放热现象发生。

3 温差热电制冷器研究与应用

温差制冷技术, 也称为半导体制冷技术或者热电制冷技术。根据半导体材料的珀尔帖效应, 可制成半导体热电偶。半导体热电偶是制冷器的单元, 由N型半导体和P型半导体组成, 其中N型半导体富含的电子, 有负温差电势;P型半导体缺乏电子, 有正温差电势。通电后, 接头处因产生热量的转移而形成温差, 如果电流从N流向P, 温度下降并吸热, 即冷端;接头处电流从P流向N, 温度上升并且放热, 即热端。

一对热电偶产生的制冷量是微小的, 通常采用多个热电偶串联制成半导体制冷片。半导体制冷片中间是串联的热电偶, N型和P型半导体之间通常用铜、铝等金属导体连接成一完整线路, 两侧由两片绝缘的陶瓷片像三明治一样夹起来。为了减少接触热阻, 提高陶瓷片的导热性能, 常在其表面涂抹导热硅脂;为了隔绝热端向冷端的导热, 可用保温材料将冷端密封, 还在冷端和热端之间填充优良的隔热材料。

直流电通过热电偶时, 其两端可分别吸热和放热。如果在放热端安装散热装置, 吸热端就能通过吸收热量使吸热端的温度低于放热端的温度, 改变电流方向时, 吸热面与放热面交换又能达到制热的效果。

半导体制冷中热量的传递是依靠空穴、电子在运动实现的, 不使用制冷剂, 与传统的制冷方法比较具有独特的优越性。半导体制冷器的热电堆就相当于“制冷压缩机”, 冷端部分相当于蒸发器, 而热端部分相当于冷凝器。自由电子和空穴在外加电场的作用下运动, 从热电堆的冷端到热端的过程相当于制冷压缩机中制冷剂的压缩过程。在热电堆的冷端, 由于热交换器吸热, 产生电子--空穴对, 该过程相当于制冷剂在蒸发器中的吸热和蒸发。热端的热交换器散热, 电子-空穴对复合, 相当于在冷凝器中制冷剂的放热和凝结。[5]

通过改变的电臂大小、温差电对数、排列方式, 就能改变半导体制冷器的功率, 大到千瓦级, 小到毫瓦级, 半导体制冷器的应用非常广泛, 比如空调、冰箱、低温医疗器具、电子仪器中的快速冷却室等等。

半导体制冷器由于不使用制冷剂, 不污染环境, 非常环保;内部不含机械传动部件, 结构简单、轻便可靠, 无磨损、无噪声、易于维修;具有灵活、可逆的控制特点, 改变工作电流大小可以调节制冷速度和温度, 改变直流电流极性就可以实现冷热功能转换, 一次广泛应用于各类高低温、恒温控制的设备中。

4 结语

温差热电制冷技术具有许多优越性, 但目前其应用还有一定局限 (集中在小制冷量领域) 。随着半导体制冷技术的快速发展, 正逐渐向大制冷量、微型集成制冷器等方向发展, 其市场前景将会越来越广泛。

参考文献

[1]刘洪阳, 刘万钊, 贺强, 杨晓光, 赵力.发动机排气管余热发电研究[J].长春理工大学学报 (自然科学版) , 2007 (03) :70-72.

[2]韦节廷, 熊林常, 李挺力.基于半导体温差发电的电锻煤炉余热回收研究[J].长春工程学院学报 (自然科学版) , 2010 (02) :86-89.

[3]韩天鹤.小型热电制冷器及温差发电初步研究[J].硕士学位论文, 湖南大学, 2009.

[4]邹乾林.温差电技术原理及在工科物理实验中的应用[J].大学物理实验, 2010 (05) :43-46.