CN1054915C - 冷却剂回收系统和热交换器系统 - Google Patents

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Abstract

本发明旨在提供可行而有效，即减小冷却剂损失和对冷却剂的沾污的气体冷却剂回收系统和热交换器，特别是氦回收系统。本发明系统包括有能通过热纤维的通道、将气体冷却剂通入通道的入口和将气体冷却剂从通道排出的出口的热交换器；从热交换器出口泵送气体冷却剂到热交换器入口的装置；对热交换器出口出来的气体冷却剂流速、杂质浓度和/或压力进行监测和/或传送信号的装置及按其数值来控制气体冷却剂进出热交换器的流动的装置。

Description

冷却剂回收系统和热交换器系统
本发明广义上是涉及气体冷却剂回收系统，更具体地是涉及与光导纤维冷却装置有关的氦气回收系统。
在光导纤维的生产中，为制造光导纤维的玻璃棒或预制坯是在一光导纤维拉伸系统中加工。光导纤维拉伸系统一般包括：一炉子，一热交换器，一涂敷装置，一干燥器或固化炉以及一卷轴(spool)，正如欧洲专利申请0,079,188号所述。一开始，玻璃棒或预制坯在炉中熔化，产生半液化状的细小纤维。此半液化纤维然后通过空气和通过热交换器而冷却和固化。从热交换器出来的冷却和固化的纤维在涂敷装置中涂漆，在固化炉或干燥器中干燥和用卷轴拉伸。
光导纤维的拉伸速度取决于光导纤维在热交换器中的冷却速度。即，当冷却速度增加时，纤维可拉伸的速度也可增加。为增加冷却速度，气体冷却剂(如氦或氮)通常引入热交换器，通过直接热交换来直接冷却半液化纤维。为实现直接热交换，可设计一热交换器，它提供一可通过光导纤维的从顶至底的通道或圆柱形孔、一导入气体冷却剂进入通道或圆柱形孔的入口和也可以有至少一个从通道或圆柱形孔中除去冷却剂的出口。进入热交换器的冷却剂气流通常用计量阀和流量表控制。
虽然光导纤维的拉伸速度由于使用上述热交换器而得到提高，但所用的冷却剂通常经由通道或圆柱形孔的一端或两端和/或出口而进入大气造成损失，同时也被杂质沾污，例如空气中的杂质会渗入冷却剂存在的通道或圆柱形孔内。补偿这些损失的气体冷却剂就增加了光导纤维制造过程所需的成本。因此需要一种可行而有效的冷却剂回收系统和热交换器，它可以减小冷却剂的损失和减小对冷却剂的沾污。
本发明部分地是指一回收系统，它可用于有效而可行地回收冷却剂。此回收系统包括：
(a)至少一个热交换器，它有至少一个能通过至少一根热纤维的通道、至少一个将气体冷却剂通入至少一个通道的入口和至少一个从至少一个通道回收气体冷却剂的出口；
(b)将气体冷却剂从所述至少一个热交换器的出口泵入所述至少一个热交换器的入口的装置；
(c)对从至少一个热交换器的出口出来的气体冷却剂的流速、从至少一个热交换器出口出来的气体冷却剂中杂质的浓度和/或从至少一个热交换器出口出来的气体冷却剂的压力进行监测和/或传送信号的装置；以及
(d)根据监测和/或传送信号的数值，控制进入或排出至少一个热交换器的气体冷却剂的流动的装置，以限制空气或其它气体渗入所述至少一个热交换器的至少一个通道。
为更好地控制传输给泵送装置的气体冷却剂的压力和/或流速，在泵送气体冷却剂之前可以提供至少一个用于减小冷却剂气流波动的空间。从泵送装置而送来的气体冷却剂，在进入至少一个热交换器的入口之前，可以用冷却装置冷却、用过滤装置过滤和/或用纯化系统纯化。所用的至少一个冷却装置可以和至少一个热交换器合并。
更具体地讲，本发明还涉及冷却剂回收系统，其中包括：
(a)至少一个热交换器，此热交换器有至少一个可通过热纤维的通道，至少一个将气体冷却剂通入至少一个通道的入口和至少一个将气体冷却剂从至少一个通道中排出的出口；
(b)至少一个用来减少冷却剂气流波动的空间，它与至少一个热交换器的出口相连；
(c)将气体冷却剂从所述至少一个空间泵送到至少一个热交换器的入口的装置；
(d)对所述的至少一个空间内气体冷却剂的压力、从该空间出来的气体冷却剂的流速和/或其纯度进行监测和/或传送信号的装置；和
(e)按照监测和传送信号的数值控制送入泵送装置的气体冷却剂的流动的装置。
按照本发明的另一实施方案，冷却剂回收系统包括：
(a)至少一个热交换器，此热交换器有至少一个能通过至少一根热纤维的通道、至少一个将气体冷却剂通入至少一个通道的入口和至少一个从至少一个通道中排出气体冷却剂的出口；
(b)将气体冷却剂从至少一个热交换器的出口泵送到至少一个热交换器的入口的装置；和
(c)按照从至少一个热交换器的出口出来的气体冷却剂的流速、其中杂质的浓度和/或其压力，来控制气体冷却剂进出至少一个热交换器的流动的装置，从而限制空气或其它气体向至少一个热交换器的至少一个通道的渗入。
本发明也指一个热交换器系统，它用于改善上述冷却剂回收系统中气体冷却剂的回收。此热交换器系统包括：
(a)至少一个能通过至少一根热纤维的通道，它有至少两个端部开口；
(b)至少一个将气体冷却剂导入至少一个通道的入口；
(c)至少一个从至少一个通道回收气体冷却剂的出口；
(d)对从至少一个热交换器的出口出来的气体冷却剂的流速、从至少一个热交换器的出口出来的气体冷却剂中杂质的浓度、和/或从至少一个热交换器的出口出来的气体冷却剂的压力进行监测和/或传送信号的装置；和
(e)按照监测和/或传送信号的数值来控制进入和排出至少一个热交换器的气体冷却剂的流动的装置，以限制空气或其它气体向至少一个热交换器的至少一个通道的渗入。
在通道的至少一个端部开口附近，可以安置密封装置。密封装置的设计是为使气体进入和排出通道的渗入和外漏降至最小或减低，但又允许至少一根热纤维通过。密封装置可以选自：迷宫密封(labyrinth seals)、气体密封、机械密封、容限密封(tolerance seals)和/或液体密封。
也可以不用另外的密封装置，而分别以熔化玻璃棒或预制坯的炉子和涂敷装置来封结在热交换器的顶部或底部，以使空气渗入最小和增加气体冷却剂的回收。
本文使用的术语“附近”是指某指定点或部位的周围区域。通常它包括气体冷却剂出口和热交换器内最靠近的端部开口之间的区域和/或气体冷却剂入口和热交换器内最靠近的端部开口之间的区域。
本文使用的术语“气体冷却剂”是指任何能冷却热的光导纤维的气体。
本文所使用的术语“机械密封”是指这样一些机械装置，它们能密封通道的端部开口，或能在通道的端部开口附近，以与通过通道的至少一根纤维直接接触的方式提供密封装置。
本文所使用的“容限密封”是指这样的装置，它可用于以与通过通道的至少一根纤维不接触或最小接触的方式来减小通道的端部开口或减小端部开口附近的通道。
本文所使用的“气体杂质”是指气体冷却剂以外的气体。
图1表明本发明一种实施的冷却剂回收的流程图。
图2表明本发明一种实施的一热交换器和一回收管线，此管线有至少一个监测和/或传输信号装置和至少一个控制装置。
图3表明本发明一种实施的具有迷宫密封的热交换器。
图4表明连接在热交换器顶或底的一炉子和一涂敷装置。
如以上图所表明，有几个优选实施方案，可用于回收冷却剂而减小沾污。但是这些优选的实施方案并不排斥本领域人员在读了本发明公开之后作出的显而易见的其它实施。
参阅图1，该图例示了气体冷却剂回收系统的流程图。气体冷却剂回收系统包括：一系列热交换器(1(a)-1(f))，至少一个收集容器(3)，至少一个压缩机(5)，至少一个冷却装置(7)，至少一个过滤装置(9)，至少一个纯化系统(11)，至少一个产品容器(13)和至少一个冷却剂储存罐(15)。气体冷却剂回收系统可以与使用至少一个热交换器(1(a)-1(f))的常规光导纤维拉伸系统相结合。
正如图2-4所示，至少一个热交换器(1(a)-1(f))有至少一个能通过纤维的通道(100)、至少一个将气体冷却剂引入通道(100)的入口(101)和至少一个从通道(100)回收或排除气体冷却剂的出口(102(a)和/或102(b))。通道(100)通常是从热交换器的顶通到底，因而在顶和底形成端部开口。此通道(100)在其长度上某一位置(103(a)-103(c))可以扩展其横截面积。此扩展的截面直接与入口(101)和出口(102(a)和/或102(b))相连通，以便从通道(100)中回收和向通道中导入大体积的气体冷却剂。这些扩展面(103(a)-103(c)可位于通道(100)的中间部分和/或在通道(100)端部开口的附近。因为冷却剂是送入这些扩展面或从这些扩展面回收，因此由该位置而定，气体冷却剂可以以所需的方式送入通道(100)，例如与纤维的行进方向呈逆流的方式。
在通道(100)端部开口附近，最好在端部开口和最靠近端部开口的出口(102(a)或102(b))之间，可装至少一个密封装置(104)。此密封装置(104)使通过端部开口进入和/或排出通道(100)的气体的渗入和/或外流最小或减小，和同时提供足以使纤维通过通道的一个开口或一些开口。优选的密封装置可选自：迷宫密封、气体密封、机械密封、容限密封和/或液体密封。在这些优选的密封装置中，迷宫密封可能有用，因为在端部开口和最靠近此端部开口的出口之间的气流路径中由于一系列扩张(108)和收缩(109)而增加了压力降。在某些情况下，流体密封的使用更有利。为使用流体密封(如空气、氮气或一氧化碳)，至少要有一附加的入口(105)，此入口与通道(100)是以流体连通方式连接。流体密封的气流可用一流量计(111)和一阀(112)控制。本文所使用的术语“流体密封”是指在通道的某一点加入一流体来改变通道内的流动分配和/或压强，以增加气体冷却剂的回收和/或减小污染物的渗入。上述通道的某一点是介于通道的气体冷却剂入口和最靠近端部开口之间和/或介于通道的气体冷却剂出口和最靠近端部开口之间。
可以理解，设计热交换器使之具有与密封装置等效的功能，或使之具有适合与上述密封装置组合的功能。例如，用于熔化玻璃棒或预制坯的炉子(106)和用于涂敷纤维的涂敷装置(107)可分别封接在热交换器的顶或底，此时可有或没有密封装置(110)，因为在常规光导纤维拉伸系统中热交换器一般用于炉子(106)和涂敷装置(107)之间。对于这种安排象气体密封这样的附加的密封装置也可以使用，以进一步减小空气或其它气体向通道内的渗入。
开始，气体冷却剂以0-1034214帕(表压)的压力导入一系列热交换器。虽然气体冷却剂可以从任何来源供给，但此处是从一储存罐(15)供给。从储存罐(15)，气体冷却剂经过分支管线(16)和一系列冷却剂送入管线(17(a)-17(f))通入，这些管线与热交换器的入口流体连通。冷却剂送入管线上装计量阀(18(a)-18(f)和流量计(19(a)-19(f))，它们用于控制气体冷却剂进入热交换器的流动。使用的气体冷却剂可以是氦、氮、氢、一氧化碳等气体中之至少一种。在这些气体中，优选地是使用至少含有80％(体积)氦的气体。
当气体冷却剂进入热交换器，即通道时，它流向通道的出口。通道的出口与回收管线(20)(a)-20(f))连接。至少一回收管线有装置(22(a)-22(f))，它们对从至少一个热交换器出口出来的气体冷却剂的流速、其中杂质的浓度和/或该气体冷却剂的压力进行监测和/或传送信号；和装置(21(a)-21(f))，它们根据监测和传送信号的数值来控制进入和排出至少一个热交换器的气体冷却剂的流动，以限制空气或其它气体向至少一个热交换器的至少一个通道的渗入。监测和/或传送信号的装置选自：流量计、压力传感器、杂质或气体分析器(氧分析器)和/或任何已知装置，而控制装置可以是至少一个流动阻尼装置，如阀、节流孔、烧结滤片、比回收管线直径小的细管道或填料床。流动阻尼装置可按照每一回收管线中气体冷却剂的流速、压力和/或组成进行手动或自动调节。另一方式是流动阻尼装置可根据经验和计算或根据每一个回收管线中气体冷却剂的流速、压力和/或组成进行预置或预调节。在操作中用氧分析仪来分析气体冷却剂中氧的含量可确定气体冷却剂的组成。另方面，气体冷却剂的流速和压力也可以分别使用流量计和压力传感器来测量。调节流动阻尼装置(如计量阀)，来控制出口附近，即直接与出口连通的通道部位的压力，就能改善冷却剂的回收而基本不会有沾污问题。一般说来，采用这种设计可回收高于50％的气体冷却剂。而其余的冷却剂通常任其流出通道的端部开口，以限制空气或其它流体的沾污，或空气或其它气体渗入通道。当然，如果有密封装置或其等效物用于与本设计相联合，则气体冷却剂的回收可进一步提高，尽管还是需要消耗小量气体冷却剂来防止或减小，空气或其它流体的沾污。例如迷宫密封通过一系列膨胀和收缩而在气流路径的端部开口与最靠近端开口的出口之间增加了压力降。如果空气或其它流体的沾污不能排除，一个或几个可控硅或其它阀(23(a)-23(f))可用来将高沾污的气体冷却剂与具体的热交换器分开，或者也可以使用纯化系统来除去一种或多种流体沾污。另外，纯化系统可用于通过除去污染物而使气体冷却剂回收提高，这些污染物可能是在较高的冷却剂流速或较高的冷却剂回收速度下流入热交换器的。
在回收管线中的回收了的气体冷却剂使之流入一为了减小在冷却剂气流中的波动的空间，此空间可以是一回收分支管线(24)或一任选的气体收集罐(3)。如果回收分支管线(24)用于作为减缓冷却剂气流中波动的空间，它们的长度和内径(视来自回收管线的气体冷却剂的体积而定)应有合适的尺寸，以减缓冷却剂气流的波动，但通常优选使用气体收集罐，因它也适于减小压力波动并增加对气体冷却剂流动的控制。
从回收管线(24)和/或从气体收集罐(3)，气体冷却剂通过有阀(26)的管线(25)流至泵送气体冷却剂的装置(5)，如一回收压缩机。泵送气体冷却剂的装置压缩气体冷却剂使之从低真空(通常为344738.8-100663.5帕(绝对压力))至足以再循环的压力(通常为344738.8-1723690帕(表压))。压缩的气体冷却剂通过管线(27)流入任选的冷却装置(7)。在冷却装置中，压缩的气体冷却剂被冷却。冷却后，经由任选的过滤装置(9)从气体冷却剂中除去油、水/或颗粒物。
至少一部分压缩了的气体冷却剂，它们可以被冷却和/或被过滤或没有进行这些操作，可以通过装有阀(29)的循环管线(28)，或者通过装有阀(29)的循环管线(28)和管线(25)的一部分，自动循环至泵送气体冷却剂的装置。此循环管线用于控制为减小气体冷却剂流的波动而设的空间(如气体收集罐)内的压力和用于控制气体冷却剂的流速。至少一个监测此空间的压力、从此空间流出的气体冷却剂的流速和/或此空间内气体冷却剂的纯度的装置(30(a)-30(c))用于调节阀(26和/或29)或其它等效的阻流装置(未示出)，来控制冷却剂的流速和此空间(如容器(25))的压力。在装置(30(a)-30(c))上可装有传送监测信号值的装置，从而按照监测和/或传送的信号值经由控制装置(31)和/或(32)自动调节这些阀(26和/或29)或其它等效阻流装置，以控制如容器(25)的空间内的压力和控制从如容器(25)的空间出来的气体冷却剂的流速。可以利用电子、气动或水力信号进行手动或自动控制。
压缩了的气体冷却剂的其余部分可通过一装有阀(43)的管线(42)送至任选的纯化系统(11)。此任选的纯化系统可特别选自：过滤系统、固液分离系统、低温液体纯化系统、化学吸附系统、催化反应系统、吸附系统、膜分离系统和/或变压和/或变温吸附系统。其中优选膜分离系统和变压和/或变温吸附系统，因纯化的气体冷却剂(如氦)在冷却至少一根热纤维时无需高纯。当然，低温气体分离系统也是有用的，因为此时纯化的气体冷却剂就不必进一步冷却。这些系统是否使用干燥器视进入纯化系统的气体冷却剂中的水分含量而定。
在所需的膜纯化系统中，压缩了的气体冷却剂的纯化可按下述方式进行。首先，压缩了的气体冷却剂可以送入至少一个膜组件，而产生废气流和产品气流。不渗透气流可用作废气流，而可渗透气流则可用作产品气流。回收的产品气流直接或通过任选的产品容器(13)和分支管线(16)送入一系列热交换器，可使用一任选的压缩机(未示出)来传送产品气流至热交换器。如必要，至少一部分产品气流可以通过管线(33)循环回泵送气体冷却剂的装置，以控制如容器(3)的空间内的压力。同时废气流可用附加的膜组件处理，以产生次级产品气流。此次级产品气流，如果纯度足够高，可通过管线(34)循环至泵送气体冷却剂的装置。如纯度不够，它们可用另外的纯化装置(如一任选的干燥器)处理再送入泵送气体冷却剂的装置，或通过管线(35)排放弃之。附加的膜分离可用于增加气体冷却剂的回收和/或提高气体冷却剂的纯度。
经过或未经过冷却、过滤和/或纯化的压缩了的气体冷却剂传送至产品容器(13)。此产品容器可用来减小压力波动和/或改善气体冷却剂流速的控制。从储存罐(15)通过装有阀(37和38)的管线(36)送至此产品容器，以与压缩了的气体冷却剂合并来补偿损失的气体冷却剂。合并气流通过装有阀(39)的管线(16)传送给热交换器。在此气流进入热交换器之前可用附加的冷却装置(未示出)冷却和/或用并入或与热交换器成为一体的附加冷却装置冷却。成为一体的冷却装置可以是热交换器中的一个或数个附加的通道或贮槽。用液氮、液氦、液氩等注满热交换器中这些通道或贮槽，则在通过至少一根纤维的通道中的气体冷却剂可以通过间接热交换而被冷却。
当从热交换器回收的气体冷却剂中杂质浓度(如氧的含量)超过允许值(典型为1％-50％(摩尔))时，补充的气体冷却剂通过装有阀(41)的管线(40)直接送入热交换器。同时，从热交换器出口回收气体冷却剂相关的回收系统可以分开或关闭，以减小或防止气体冷却剂的沾污。当然，如果由于其它原因回收系统关闭时，气体冷却剂总是直接送至热交换器。
虽然本发明冷却剂回收系统已结合某些实施方案详细描述了，但本领域技术人员会认识到本发明仍有其它实施方案也在权利要求书的范围之内。

Claims (14)

1.冷却剂回收系统，包括：
(a)至少一个热交换器，该热交换器有至少一个能通过至少一根热纤维的通道、至少一个将气体冷却剂通入至少一个通道的入口和至少一个将气体冷却剂从至少一个通道排出的出口；
(b)从至少一个热交换器的出口泵送气体冷却剂到至少一个热交换器入口的装置；
(c)对于从至少一个热交换器的出口出来的气体冷却剂的流速、其中杂质的浓度和/或其压力进行监测和/或传送信号的装置；和
(d)按照监测和/或传送信号的数值来控制气体冷却剂进出至少一个热交换器的流动的装置，以限制空气和其它气体渗入至少一个热交换器的至少一个通道。
2.根据权利要求1的冷却剂回收系统，还包括在冷却剂进入至少一个热交换器的入口之前对其进行冷却的装置。
3.根据权利要求1的冷却剂回收系统，其中监测和/或传送信号的装置是：在至少一个回收管线上设有至少一个压力传感器、至少一个流量计和/或至少一个杂质或气体分析仪，回收管线直接与至少一个热交换器的出口相连。
4.根据权利要求1的冷却剂回收系统，其中控制气体冷却剂进出至少一个热交换器的流动的装置是至少一个气体冷却剂的阻流装置。
5.根据权利要求1的冷却剂回收系统，还包括位于热交换器至少一个通道的至少一端的密封装置，使空气向至少一个通道的渗入最小或减低，同时提供可通过一根或数根纤维的一个或数个开孔。
6.根据权利要求5的冷却剂回收系统，其中密封装置是迷宫密封，它装在热交换器的至少一个通道的两端开口处。
7.根据权利要求5的冷却剂回收系统，其中密封装置包括一炉子和一涂敷装置，它们分别封结在热交换器的顶和底，使空气向热交换器的至少一个通道的渗入最小或减低。
8.根据权利要求1的冷却剂回收系统，还包括从来自热交换器出口和/或泵送装置的气体冷却剂中除去油、水和/或颗粒物的过滤装置。
9.根据权利要求1的冷却剂回收系统，还包括一个或数个纯化系统，这些纯化系统选自：膜分离系统、变压吸附系统、变温吸附系统、和/或低温气体分离系统。
10.根据权利要求1的冷却剂回收系统，还包括一将补充的冷却剂与来自泵送装置的气体冷却剂合并的产品容器。
11.根据权利要求1的冷却剂回收系统，其中此系统的气体冷却剂含有至少80％(体积)的氦。
12.冷却剂回收系统，包括：
(a)至少一个热交换器，此热交换器有至少一个可通过热纤维的通道，至少一个将气体冷却剂通入至少一个通道的入口和至少一个将气体冷却剂从至少一个通道中排出的出口；
(b)至少一个用来减少冷却剂气流波动的空间，它与至少一个热交换器的出口相连。
(c)将气体冷却剂从所述至少一个空间泵送到至少一个热交换器的入口的装置；
(d)对所述的至少一个空间内气体冷却剂的压力、从该空间出来的气体冷却剂的流速和/或其纯度进行监测和/或传送信号的装置；和
(e)按照监测和传送信号的数值控制送入泵送装置的气体冷却剂的流动的装置。
13.冷却剂回收系统，包括：
(a)至少一个热交换器，此热交换器有至少一个能通过至少一根热纤维的通道、至少一个将气体冷却剂通入至少一个通道的入口和至少一个从至少一个通道中排出气体冷却剂的出口；
(b)将气体冷却剂从至少一个热交换器的出口泵送到至少一个热交换器的入口的装置；
(c)按照从至少一个热交换器的出口出来的气体冷却剂的流速、其中杂质的浓度和/或其压力，来控制气体冷却剂进出至少一个热交换器的流动的装置，从而限制空气或其它气体向至少一个热交换器的至少一个通道的渗入。
14.热交换器系统，包括：
(a)至少一个能通过至少一根热纤维的通道，此至少一个通道至少有二个端部开口；
(b)至少一个将气体冷却剂导入至少一个通道的入口；
(c)至少一个从至少一个通道回收气体冷却剂的出口；和
(d)对来自至少一个热交换器出口的气体冷却剂的流速、其中杂质的浓度和/或其压力进行监测和/或传送信号的装置；和
(e)按照监测和/或传送信号的数值，控制进出至少一个热交换器的气体冷却剂的流动的装置，来限制空气或其它气体向至少一个热交换器的至少一个通道的渗入。
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