CN101071008A

CN101071008A - 超音热分离机

Info

Publication number: CN101071008A
Application number: CN 200710087171
Authority: CN
Inventors: 李树云; 刘庆梅; 杨泳升
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2006-04-25
Filing date: 2007-03-23
Publication date: 2007-11-14

Abstract

一种利用气体压力膨胀制冷、可自动起动运行的超音热分离机，其特征是喷嘴出口M₁＞1.2，初始膨胀值1.35°～4°从而减小A₁、M₁、λ、ψ实现第二喉部A₂ ^*吞咽激波效能，可在大小膨胀比都能自动起动运行；圆锥角2.7°效率100％超音速扩压器；共振腔和马大猶金属微穿孔板将高低频声能转换为反射激波压强；轴向力平衡结构可使10MPa机组轴承连续运行三年。本机依据超音速上游禁讯原理建造，可在其它机种很难工作的两相区域运行；达到工作状态非常快；不怕气体水化物是其它机种做不到的。最高空气效率83％，全自动、全密闭适用于易燃易爆气体相分离，安全可靠、牢固耐用。利用输气压力减压值，建造冷库空调液化天然气、降低燃气成本，亦可用于沙漠海上无电地区。

Description

超音热分离机

技术领域属于利用气体压力膨胀制冷设备

背景技术国内公告号CN2052509U“气波制冷机”撰写的效率数据比现有技术“法国NAT公司研制的旋转式热分离机的最新一代产品提高10～30％，公告号CN2082380U“脉冲制冷机”指出“气波制冷机，采用斜喷嘴效率低，采用电机拖动皮带轮调速可靠，效率高。”气波制冷法的核心技术是两个专利，将美国专利号3828574脉冲管末端用来增大反射激波压强P3，吸声频带窄的单个共振器改作“激波吸收腔”或“破波器”用来“吸收激波”或“防止激波反射”。法国纳特公司1969年开始试验热分离机，1980年法国超音热分离机公开、宣告了以法国1974年美国专利号3828574为代表的，依据亚音速技术方案结构设计的电机拖动运行，空气效率45％～50％的亚音热分离机被淘汰。专利号3828574特征：喷嘴、喷嘴前后阀板(一维非定型激波条件)，喷嘴倾斜，超音速进气道设计成没有吞咽激波效能的等截面管段亚音静子，负流入角，导致严重失速，只能靠电机拖动运行，脉冲管未端吸声频带窄的单个共振器。美国专利号3828574发明涉及喷嘴流脉冲气流装置，根据美国斯坦福大学S·J克兰《湍流附面层的计算和结构—技术发展水平》在0.8≤M≤1.2范围内，变成严重堵塞，即激波产生于转子喷嘴内，根据比利时冯·卡门流体动力学研究院《跨音状态的叶栅流》激波产生于转子里，这就增大了转子与静子之间的压力和温度，从而导致转子进入失速工作状态，对于飞机来说这种危险是极大的，实际上是没有质量流量范围的。因此，喷嘴结构应是出口马赫数M＞1.2的超音缩放喷嘴，根据冯·卡门作序的经典教科书，国内外普遍采用作为高年级大学生和研究生气体动力学课程的两本教科书，与超音转子喷嘴相对的叶栅结构应是超音速进气道，几何尺寸固定的超音进气道应是缩放结构的超音速喷管。因此，超音热分离机是由超音速上游禁迅原理构造流动和分析流动，上游禁迅即下游产生的挠动(压力温度密度变化)不影响上游流动状态，亚音速不具有这一特性。喷嘴的两壁沿旋转方向加厚为前后阀板U_A＝0，U_B＝0因此脉冲管内流动可按一维非定型激波计算。P₁是脉冲管出口压力，P₁和排气出口压强相等，P₃是脉冲管末端反射激波压强，P₁/P₃是激波管的基本参数，P₂/P₃定义膨胀波强度。一维非定性激波的一个极端是大压强差，最大膨胀T＝-273℃；一个极端是微小压强差，声学激波管，喷嘴出口气流速度与音速之比u/c即马赫数Mx＝1.0激波后My＝1.0，Py/Px≌1.0，Ty/Tx≌1.0声波等熵流动。热分离机是怎样制冷的，有必要在具体实施中说明。根据87101903.5湍流膨胀机发明专利研制的2Mpa、4Mpa撬装超音热分离机，经历了十多年石油气生产考核，积累了正反两方面经验。本机型的优势在于，可在其它机种很难工作的两相区域运行，达到工作状态非常快，不怕石油气水化物，这是其它机种做不到的，因此具有开发价值。本发明的任务是解决小膨胀比工况自动起动运行；提高机组效率；本机唯一的易损件是轴承，实现10Mpa压力大型机组轴承使用寿命连续运行3年以上。

发明内容本发明提供了既可在大膨胀比工况条件下自动起动运行，也可在小膨胀比工况条件下自动起动运行的超音进口相对流动的自动起动运行结构；采用扩压效率100％的超音速扩压器(8)，在脉冲管(5)末端联通组合共振器(6)，共振腔内设置金属微穿孔板，将大部分声能转换为压力能，增加脉冲管末端反射激波压强，提高机器效率；本机无易损零件，采用轴向力平衡结构，可使10Mpa超音热分离机组连续运行3年以上。

附图说明图1是超音热分离机结构原理示意图，也是脉冲管(5)末端联结连通组合共振器(6)示意图。图2是超音进口相对流动的自动起动运行结构示意图，也是扩压效率100％的超音速扩压器结构示意图。图3是轴向力平衡结构示意图。从图1和图2可以看出超音静子叶栅(3)是由多个超音速扩压器(超音喷管)(8)组成，超音速扩压器(8)选择了扩压效率100％缩放喷管。喷管的壁面总转折角2.7°/2＝1.35°，因为0.8≤M≤1.2严重堵塞(激波)，所以旋转喷嘴(2)的喷嘴出口设计成M＞1.2的缩放超音喷嘴，与M＞1.2的超音速气流，相对的应是超音速进气道，几何尺寸固定的超音速进气道首先想到的是缩放结构，因此选用超音缩放喷管(8)如图2所示，基本超音喷管的圆锥角υ_T＝16°，初始膨胀值(即壁面总折转角)为θmax＝1/2υ_T，因为初始膨胀区是由径向流开始的，则计算可从初始膨胀区的下游开始，往往可避免喉部问题，则θmax＝1/4υ_T，这样得到的喷管比基本的喷管长，这对小型机组非常适用，因此喷嘴喷管的圆锥角为8°，扩压效率100％圆锥角2.7°，因此选用圆锥角2.7°～8°，壁面总折转角1.35°～4°喷嘴倾斜放置，产生喷气推力和转矩，叶栅(3)内圆面D₂与喷嘴外圆面d₂配合间隙H8/c8，为保障几何尺寸固定的超音进口相对流动的自动起动运行，根据冯·卡门研究院得到的经验，私营公司拥有相当数量的可以利用的重要资料，但是公开了的资料却很少，然而可以提供某些入门的途径。所有导致减小进口马赫数的因素都是有利的因素。起动过程还不完全清楚，最初在超音缩放喷嘴出口和超音缩放喷管前缘(实验段)建立起的流动必定是亚音速的，其后才变为超音速流，在实验段必有一道激波。喷嘴喉部面积为A₁*，超音喷管(扩压器)A₂*。最小起动面积A₂*/A₁*＝P₀₁/P₀₂＝λs，通常不用上述比值，而用实验段截面积，与扩压器喉部面积之比，即喷嘴出口面积A₁/A₂*更为方便，比值称作扩压器收缩比，起动时最大容许收缩比ψmax＝A₁/A₂*＝A₁/A₁*·1/λ＝f(M₁)，由A₁/A₁*给出面积——马赫数M₁关系式。可由图得出喷嘴出口马赫数M₁的函数的最大起动收缩比和压比λs计算出面积。当第二喉部面积A₂*等于或大于该最小面积时，激波能从实验段跳到扩压器喉部A₂*下游一侧。这很形象地被叫做激波“吞咽”。超音起动过程为专业技术人员和大学生所熟悉。喷嘴出口马赫数M₁大于堵塞马赫数M＝0.8～1.2，由于所有导致减小进口马赫数的因素都是有利因素，因此M₁稍大于1.2，所以缩放喷嘴出口初始膨胀值(即壁面总转折角)选择小角度1.35°～4°，从而减小喷嘴出口面积A₁出口马赫数M₁、压比λ、最大起动收缩比ψ，使第二喉部面积大于等于该最小面积时，实现激波吞咽效能，使机器既能在大膨胀比工况自动起动运行，也能在小膨胀比工况自动起动运行，实现超音进口相对流动的自动起动运行。与旋转喷嘴(2)出口气流相对速度W₂相匹配的超音喷管(8)正流入角(攻角)18°。旋转喷嘴(2)是由1个或2个具有一定倾斜角度放置的缩放喷嘴构成，采用1个喷嘴的目的是适应小气量应用较好。喷嘴沿旋转方向加厚为前后阀板(9)(10)，管内流动可按一维非定型激波计算。图1示出了脉冲管(5)的末端联结连通组合共振器(6)，其数量是1个或2个两端封闭的内径为φ100mm、φ150mm、φ200mm或φ250mm钢管，穿孔率P＝1～1.5％，吸声系数50％～90％，内装马大猶单层金属微穿孔板P＝1％或双层金属微穿孔板P＝2.5～3％，+1％共同组成一个共振系统，分别吸收高低频噪声，吸声系数63～99％，频率100～1000赫，根据压力和处理气量设计1个或2个组合共振器(6)。将声能转换为脉冲管末端高滞止焓，反射激波压强P₃。图3是轴向力平衡结构示意图，轴向力平衡结构是由高压平衡室(11)低压平衡室(13)以及排气口(4)连通的平衡孔(14)构成，高压平衡室(11)是由超音喷嘴(2)的进口直管段内孔，轴向两端封闭，进气口(1)由径向进口与喷嘴(2)的进口连通，外壁由装配于壳体(16)里的迷宫气封(12)迷宫气封(15)与排气口(4)、低压平衡室(13)之间的动密封点隔开，低压平衡室(13)是由迷宫气封(12)与高压平衡室(11)隔开，由平衡孔(14)与排气口(4)连通。迷宫气封(12)(15)可认为是轴的支点，选材应适用。

具体实施方式如图1所示，开启排气口(4)进气口(1)，机进口压力P₀，机出口压力P₁当机进出口膨胀比P₀/P₁对应的马赫数M₁＞1.2时，倾斜一定角度放置的超音喷嘴产生的喷气推力和转矩，使超音转子旋转喷嘴(2)即以设计的低频气动转速2000～3000r/min，在超音静子叶栅(3)的内圆面自动起动运行，带有前后阀板(9)(10)的旋转喷嘴出气口，对准圆周均布倾斜18°正流入角(攻角)超音喷管(8)和脉冲管(5)接通和断开的瞬间，进行周期性喷射超音气流，从而在脉冲管内产生压力速度突跃变化的脉冲气流。如图1和图2所示，管I处在旋转喷嘴(2)的正面，管I进气前被喷嘴的前阀板(9)关闭，如管0所示，管I内的气体处于静态U_A＝0；进气后的管I被喷嘴后阀板(10)关闭，管内的气体处于静态U_B＝0；如管II所示，于是管内流动可按一维非定型激波计算。如图1所示，处在喷嘴(2)正面的管I，正对喷嘴出口M＞1.2的超音速气流以正流入角18°，来流雷诺数Reu₂≥2·10⁶在超音缩放喷管(8)的前缘收缩段减速至音速，等熵压缩通过音障，从而实现超音进口相对流动的自动起动运行。在喉部以后的截面积扩张部位减压膨胀到排气压强P₁，气流被加速至超音速，P₀机进口压强(绝压)减压膨胀至排气压强P₁，涌进管I的气体膨胀变冷的同时，压强降落在超音喷管(8)内获得气体动能马赫数M_A，在脉冲管头部转换成初始压强比P₂/P₁＝2的激波压强(突跃压缩波)，压缩管内静止气体，当进气后的管I被后阀板(10)关闭，U_B＝0管内的气体处于静态，管内气体速度滞止至零，管内气体动能在脉冲管(5)末端转换成反射激波压强P₃如管II所示，一维非定型激波理论结果的实验检测结果，由压电晶体检波器测出，激波压强P₂/P₁＝1.6为设计值80％，P₃/P₁＝2.6与三维理论结果相等，因此在脉冲管(5)末端联通组合共振器(6)增加反射激波压强P₃。有激波就有熵增，一根细长的脉冲管(5)，被温度接触面分成两部分，一侧是脉冲管末端高压高温的静止气体(循环气)，另一侧是涌入脉冲管内的低压低温气体(动力气)，温度接触面就象1个膜片将脉冲管(5)头部的低压(膨胀)室和脉冲管(5)末端高压(压缩)室隔开，膜片压比是激波管的基本参数，当进气后的管I被打开排气，如管III所示，在突然膜破的初始时刻，压力分布是一个阶跃，这个阶跃分裂成一个激波P₂/P₁和1个膨胀波P₂/P₃，激波向脉冲管(5)敞口端低压(膨胀)室传播，膨胀波P₂/P₃向脉冲管末端高压(压缩)室传播，两区的交界面为温度接触面，把分别受到激波和膨胀波加速的相邻两股气柱分开，它标志着两边气体的一条边界，如果忽略扩散作用、可以认为管内气体(循环气)和喷射涌入的冷气体(动力气)互不混掺，接触面很像一个向低压(膨胀)室运动的活塞面，在接触面两侧，气体的温度与密度不等，但两侧的压力和速度相等，当激波压强P₂/P₁到达脉冲管敞口端的那一瞬间，必有一束等熵膨胀共心波向管内反射，以P₂/P₃定义膨胀波强度，它位于活塞面上，以u₂速度向脉冲管(5)敞口端移动，因此，位于活塞面上的等熵膨胀共心波和脉冲管(5)敞口端等熵膨胀共心波都位于低压(膨胀)室，反射激波P₃前后的压强增量一瞬间就被膨胀波前后的相应压强降落所对消掉P₃＝P₁，涌进脉冲管内的气体被等熵膨胀波扫过排出管外时产生温降焓降，对于大多数工程计算来说，在低压比时，理论和实验结果的符合程度是合用的，法国在此设计值，较大截面尺寸低压机组空气效率达83％，能否有新的突破这要靠实验验证，以及加工精度。当开启机器的进排气阀(1)(4)机器即自动起动以2000～3000r/min设计低频气动转数运行，经过周而复始的循环，当开机2～3分钟之后，脉冲管头部变冷结冰，距离十几厘米处管壁温度300～500℃，从一个循环到另一个循环，管内气体被加热，一直到它循环所接受的热量与通过管壁排放的热量平衡为止，排放热量是辐射，自然或强制对流或者其它换热流体引起的，由于管内循环气体无法把它原来压缩时吸收的能量还给动力气体，因为都变成热量散发掉了，所以涌进管内的气体变冷排出。激波管提供的了一种使流体状态快速发生变化的简单手段，它是一种瞬态动力效应，持续时间受高低压室长度的限制，通常在毫秒的量级。图3示出了轴相力平衡结构，由机进气口(1)来流的高压气体P₀流经高压平衡室(11)由于轴向左右面积相等，因此由进机压力P₀产生的轴向力≌零，迷宫气封(12)(15)是进机压力P₀与排气压力P₁之间，按临界状态设计的动密封点，排气压力产生的轴向力由低压平衡室(13)平衡，低压平衡室(13)压力由平衡孔(14)连通排气口(4)，等于排气压力。从而使轴承所受的轴向力不受进排气压力影响，大型机组或高压机组轴向力相当大，因此本发明提供的轴向力平衡结构可使10Mpa高压超音热分离机连续运行3年以上，管理部门要求透平膨胀机连续运行1年。国外超音热分离机多用于-160℃天然气液化，本发明通流部件全部采用-196℃不锈钢材质建造，由图3可看出本新型轴承远离进口或出口气体，受进出口气体温度影响小，适用于多种润滑油路设计可控制轴承温度，因此可用于更低温度，可在其它机种很难工作的两相区域运行，使得天然气液化工艺简单；超音热分离机提供了使流体状态发生快速变化的简单手段，进入工作状态非常快是其它机种做不到的；适应组分、压力、温度，流量和膨胀比变化幅度非常大。效率能否有新的突破，任何层流切变流动，在雷诺数足够大时，层流流动就变成不稳定的，转捩为全湍流流动，临界雷诺数对喷嘴流而言其数量级为10⁵，最引人注目的是湍流场与声场耦合，由湍流传递给声波的能量相当可观，因而湍流能量不断发散出去，这种效应非常类似高温情况下热的幅射损失。现有的共振器从外观上看吸声频带100～300赫，吸声系数50～90％内部看不到，本机共振腔内装有金属微穿孔板吸声频带100～800赫吸声系数大多数可达96～99％声能转换成热量，热量q加给脉冲管高压区循环气体，q+对系统作的功等于系统能量增加，因此提高脉冲管末端高焓值反射激波压强P3用来提高效率，同时采用2.7°扩压效率100％扩压器，能否在效率上有新的突破还要靠加工精度，故最高效率仍定为83％。本发明可用来建造0.3～10Mpa撬装机组，日处理气量0.25～1000万米³，最高空气效率83％，膨胀比2～6，低频气动转速2000～3000r/min，操作简单，全自动无需电机作动力，全密闭安全可靠牢固耐用，可连续运行3年以上，适用于易燃易爆气体相分离。输气管道以高压10Mpa输送天然气，0.1Mpa供燃气用户使用，这样大的减压值，有相当大的能量可以回收，在燃气站工艺创新，节能降耗建造冷库、空调缓解用电高峰，降低燃气成本。液化天然气为汽车提供清洁能源，亦可用于沙漠海上无电地区，回收轻烃，凝析油，以及从石油化工厂尾气中回收有用组分。

Claims

1、超音热分离机属于利用气体压力膨胀制冷设备，它由超音转子缩放喷嘴(2)放置在超音静子叶栅(3)内，超音喷嘴(2)的两壁沿旋转方向加厚为前后阀板(9)(10)，叶栅(3)是由多个超音速扩压器(超音喷管)(8)组成，超音速扩压器(8)的出口与相同数量的脉冲管(5)联结，脉冲管(5)末端联结组合共振器(6)其特征是超音转子缩放喷嘴(2)的缩放超音出口与超音喷管(8)缩放进口，构成了几何尺寸固定的超音进口相对流动的自动起动运行结构，超音喷管(8)壁面总转折角1.35°，圆锥角2.7°脉冲管(5)末端联结组合共振器(6)共振腔内装有马大猶金属微穿孔板和轴向力平衡结构。

2、根据权利要求1，所述的超音热分离机，其特征是缩放喷嘴出口和缩放喷管进口构成了几何尺寸固定的超音进口相对流动的自动起动运行机构，超音喷嘴(2)是由1个或2个具有一定倾斜角度放置的缩放喷嘴构成、喷嘴出口马赫数M₁＞1.2，缩放喷嘴和缩放超音喷管(8)截面积扩张部位的圆锥角2.7°～8°壁面总转折角θmax＝1.35°～4°，超音喷管(8)喉部面积A₂ ^*≥超音喷嘴(2)的出口面积A₁/ψmax或A₁/A₁ ^*·1/λ，λ喉部固定的扩压器压比，与此相匹配的正流入角(攻角)18°。

3、根据权利要求1所述的超音热分离机，小型机组超音喷管(8)壁面总转折角1.35°。圆锥角2.7°。

4、根据权利要求1，所述的超音热分离机，其特征是脉冲管(5)末端联结组合共振器(6)穿孔率P＝1～1.5％两端封闭的钢管内装有马大猶单层金属微穿孔板或双层金属微穿孔板。

5、根据权利要求1，所述的超音热分离机，其特征是轴向力平衡结构，是由高压平衡室(11)低压平衡室(13)平衡孔(14)构成，高压平衡室(11)是由超音喷嘴(2)的进口与径向进气口(1)连通的圆形直管段，直管段两端封闭，其外壁由设置在壳体(16)里的迷宫气封(12)迷宫气封(15)与排气口(4)、低压平衡室(13)之间的动密封点隔开，低压平衡室(13)由平衡孔(14)与排气口(4)连通。