CN105833565A - 一种用于非共沸工质组分调节的顺流式t形管组分调节器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于非共沸工质组分调节的顺流式T形管组分调节器，由单个或复合T形管构成，主要由主管和支管(和节流阀、中间连接管及汇集管)组成，调节器具有一个进口和两个出口，其中一个出口与进口在同一方向上。该调节器利用了非共沸工质气液组分不等及顺流式T形三通管对两相流动分配不均的特性，使流体流动过程中一次流过多个T形管及节流阀，从而达到组分分离的目的。对于单个T形管，可以使两出口的组分在气液组分之间连续调节，而对于复合T形管，通过节流阀的节流降压作用，不断改变混合工质气液组分的比例，从而扩大组分调节的范围。该调节器具有结构简单、集约、组分调节效率高以及在管路上安装、更换、维护方便等优点。

Description

一种用于非共沸工质组分调节的顺流式T形管组分调节器

技术领域

本发明涉及多相流分离技术领域，特别涉及一种用于非共沸混合物组分分离的装置和方法。

背景技术

热力循环，如有机朗肯循环、制冷、热泵等，是实现热功转换的主要技术手段。因此，不断提高循环系统中能量传递和转换的技术水平以减少损失，是实现我国节能减排的关键所在。为了提高变负荷下实际热力系统的运行效率，基于非共沸混合工质的循环特性，采用组分调节技术，不断改变热力循环系统中组分配比，从而实现热力系统的变负荷调节。

在非共沸混合工质相平衡理论中，沸点较高的组分在气相中的浓度小于其在液相中的浓度，沸点较低的组分在气相中的浓度大于其在液相中的浓度。因此，传统的组分调节装置气液分离器，如分离罐，依据处于气液相平衡的混合工质气相与液相的组分浓度差异实现热力系统中组分循环浓度的改变。然而此类装置只能得到气相或液相的组分浓度，不能得到两者之间的浓度，更不能将组分调节扩大到气液组分浓度之外。同时，传统组分调节装置不仅体积庞大，投资高而且在热力系统中的安装、更新以及维护保养都不方便。

T形三通管作为流体分配的一个常用管件，早在1960年代就有文献报道了当气液两相流流经T形管时，出现相分离的现象。中国专利CN200910029249.4《一种多相流分离的复合T形管分离器及其分离方法》、CN201210015904.2《一种两相流或多相流分离的多层复合T形管分离器》利用复合及多层顺流型T形管提高了气液两相流分离的效率。2016年天津大学赵力教授(Zheng N,Hwang Y b,Zhao L,Deng S.Experimental study on the distribution ofconstituents of binary zeotropic mixtures in vertical impacting T-junction[J].International Journalof Heat and Mass Transfer,97(1),242-252)基于T形管的气液分布不均及非共沸工质的气液组分不等特性，报道了利用撞击式T形管实现组分连续调节的基本原理。因此，对于单个顺流式T形管，可以实现工质组分配比在气液组分浓度间的连续调节，同时为了扩大组分调节的范围，本发明亦采用复合T形管组分调节技术，从而使顺流式T形管组分分离技术具有大规模工业应用的可能。

发明内容

本发明要解决的技术问题是:本发明利用顺流式T形管的气液分布不均及非共沸工质的气液组分不等特性，提供一种组分大范围连续调节的顺流式T形管组分调节器及调节方法，解决现有组分调节器只能得到混合工质气液组分比例的技术问题。

为了解决上述技术问题，本发明提出的一种用于非共沸工质组分调节的顺流式T形管组分调节器，是一由主管和与所述主管相交连通的支管构成的T形管，所述主管的一端是混合工质的进口，所述主管的另一端是第一出口，所述支管的端口是第二出口；所述非共沸工质自所述主管的混合工质的进口进入主管后分为两路，一路是非共沸工质的液相从所述第一出口流出，另一路是非共沸工质的气相从所述第二出口排出。

利用上述用于非共沸工质组分调节的顺流式T形管组分调节器的混合工质的进口与气液混合工质的输送管道相连，并通过气液混合工质的干度控制组分分离的效率；所述第一出口和第二出口分别与两条出口管道相连，两条出口管道上均分别装有调节阀，通过所述调节阀调节混合工质出口的流量比例，实现混合工质的组分分离。

进一步讲，本发明一种用于非共沸工质组分调节的顺流式T形管组分调节器，其中，包括由2个或2个以上依次相连的T形管构成的T形管阵列，所述T形管阵列中、位置在前的T形管的第一出口和与之相连的T形管的混合工质的进口相连，位于最前的T形管的混合工质的进口为调节器的混合工质的进口，位于最后的T形管的第一出口为调节器的液相出口；所有T形管的第二出口均与一汇集管连通；所述汇集管的一端与位于所述T形管阵列中一端部的T形管的第二出口连接，所述汇集管的另一端为调节器的气相出口，所有T形管的第二出口经所述汇集管后汇集到所述调节器的气相出口；所述非共沸工质自所述调节器的混合工质的进口后，每进入一个T形管的主管后均分为两路，一路是非共沸工质的液相从调节器的液相出口流出，另一路是非共沸工质的气相自所述第二出口排放并通过汇集管汇集后从所述调节器的气相出口排出。

上述包括2个或2个以上依次相连的T形管阵列的用于非共沸工质组分调节的顺流式T形管组分调节器的混合工质的进口与气液混合工质的输送管道相连，并通过气液混合工质的干度控制组分分离的效率；所述调节器的液相出口和所述调节器的气相出口分别与两条出口管道相连，两条出口管道上均分别装有调节阀，通过所述调节阀调节混合工质出口的流量比例，实现混合工质的组分分离。

进一步讲，还可以在相邻的两个T形管的主管之间设一节流阀，通过调节相邻两个T形管的主管之间的节流阀实现组分调节的范围。

本发明用于非共沸工质组分调节的顺流式T形管组分调节器，其中，所述主管与支管之间夹角的取值范围为(0°，180°)。

本发明与现有技术相比，具有结构简单，体积小、成本低、能实现组分连续调节等优点。同时由于是管式的设备，本发明可用于在线安装完成组分分离任务，其维护，更换也更方便。

附图说明

图1是本发明中单个T形管组分调节器示意图；

图2是本发明中复合T形管组分调节器实施例1示意图；

图3是本发明中复合T形管组分调节器实施例2示意图；

图4是本发明中复合T形管组分调节器实施例3示意图；

图5是不同干度下，混合工质R125/R134a(50％/50％)在T形管组分调节器中的分离情况；

图6是非共沸工质R125/R134a气液相平衡图。

图中：

1-进口 2-主管 3-节流阀 4-中间连接管

5-汇集管 6-第二出口 7-第一出口 8-支管

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明技术方案作进一步详细描述，所描述的具体实施例仅对本发明进行解释说明，并不用以限制本发明。

本发明提供的一种用于非共沸工质组分调节的顺流式T形管组分调节器，可以实现非共沸工质组分分离，可以由单个或复合T形管构成，主要由主管和支管(和中间连接管及汇集管)组成，各管道直径既可以相等也可以不相等，管道截面形状可以是圆形管、方形管或其它截面形状的管道。调节器的整体上存在有一个混合工质的进口和两个工质的出口，其中一个出口与进口在同一方向上。非共沸工质气液两相经单个T形管或由多个T形管连接后构成的顺流式T形管组分调节器后，重组分较多的液相由于其惯性大可以直接从主管出口流出，而轻组分较多的气相由于其惯性小而从支管的出口排出。本发明组分调节器利用了非共沸工质气液组分不等及顺流式T形三通管对两相流动分配不均的特性，使流体流动过程中一次流过多个T形管及节流阀，从而达到组分分离的目的。对于单个T形管，可以使两出口的组分在气液组分之间连续调节，而对于复合T形管组分调节器，通过节流阀的节流降压作用，不断改变混合工质气液组分的比例，使得其组分变化的范围更大，调节效率更高。该装置具有结构简单、集约、成本低、安全、组分调节效率高以及在管路上安装、更换、维护方便等优点。

如图1所示，本发明提出的一种用于非共沸工质组分调节的顺流式T形管组分调节器，是一由主管2和与所述主管2相交连通的支管8构成的T形管，所述主管2的一端是混合工质的进口1，所述主管2的另一端是第一出口7，所述支管8的端口是第二出口6；所述非共沸工质自所述主管2的混合工质的进口进入主管2后分为两路，一路是非共沸工质的液相(通常还有相对于少量的气相)从所述第一出口7流出，另一路是非共沸工质的气相(通常还有相对于少量的液相)从所述第二出口6排出。使用时，将单个T形管组分调节器的主管2的混合工质的进口1与热力系统中非共沸工质气液两相混合物的输送管道相连，并通过气液混合工质的干度控制组分分离的效率；T形管的两个出口(主管的第一出口7和支管8的第二出口6)分别与两条出口管道相连，并在该两条出口管道上分别装有调节流量的阀门。该单个T形管构成的调节器可以实现组分配比在气液组分比例间的连续调节，从主管进口流入的非共沸工质，重组分易从主管出口流出，轻组分易从支管出口排出。可以通过两个出口管道上的阀门调节混合工质出口的分配比例，在适当的分配比例下，使工质发生组分分离。

如图2所示，是在图1所示的单个T形管的基础上采用多个依次相连的T形管构成的复合T形管组分调节器实施例1的结构，该调节器包括由2个或2个以上依次相连的T形管构成的T形管阵列，所述T形管阵列中、位置在前的T形管的第一出口7和与之相连的T形管的混合工质的进口1相连，位于最前的T形管的混合工质的进口1为调节器的混合工质的进口，位于最后的T形管的第一出口为调节器的液相出口；所有T形管的第二出口均与一汇集管5连通；所述汇集管5的一端与位于所述T形管阵列中最前端部的T形管的第二出口连接，所述汇集管5的另一端为调节器的气相出口6(即汇集管的出口在主管出口的一侧)，所有T形管的第二出口经所述汇集管5后汇集到所述调节器的气相出口6；所述非共沸工质自所述调节器的混合工质的进口后，每进入一个T形管的主管后均分为两路，一路是非共沸工质的液相从调节器的液相出口流出，另一路是非共沸工质的气相自所述第二出口排放并通过汇集管5汇集后从所述调节器的气相出口6排出。将如图2所示的复合T形管组分调节器的混合工质的进口1与热力系统中非共沸工质气液两相混合物的输送管道相连，通过气液混合工质的干度控制组分分离的效率；调节器的液相出口和气相出口分别与两条出口管道相连，并在两条出口管道上分别装有调节流量的阀门，通过两个出口管道上的阀门调节混合工质出口的分配比例，实现混合工质的组分分离。另外，最好在相邻的两个T形管的主管2之间可以设一节流阀3，每个T形管的主管出口工质都将经一节流阀3节流降压，从而改变气液组分比例，并在下一个T形管中进一步组分分离，每个顺流式T形管的支管出口工质经汇集管排出。在一定的控制条件下，可以使非共沸工质在本发明装置内获得高效的分离。与图1所示的单个T形管相比，该复合T形管组分调节器通过不断改变气液组分比例及不断进行组分分离，使其组分调节的范围扩大，从而使某一组分的浓度得到浓缩。

如图3所示的复合T形管组分调节器实施例2是在图2所示的复合T形管组分调节器实施例1的基础上的衍生结构，实施例2与实施例1的基本结构相同，其不同仅在于，汇集管出口在最前端T形管的主管进口的一侧，实施例2与实施例1组分调节器的分离原理相同。

如图4所示的复合T形管组分调节器实施例3是在图2所示的复合T形管组分调节器实施例1的基础上的衍生结构，实施例3与实施例1的基本结构相同，其不同仅在于，其汇集管端口封闭，而在汇集管上加装一个汇集管支管出口，其位置可以安装在汇集管上的任何位置，实施例3与实施例1组分调节器的分离原理相同。

本发明中，所述主管2与支管8(复合T形管结构时，则为中间连接管4)之间夹角的取值范围为(0°，180°)。

现在结合附图对本发明的组分分离作进一步详细的说明。

以R125/R134a两种工质组成非共沸混合体系为例，针对图1所示的单个顺流式T形管组分调节器，采用顺流式T形管气液分离预测模型流线型法建立混合工质组分分离模型。当其中的管道直径都为20mm，进口工质流量为300Kgm^-2s^-1，进口流型为环状流及工质组分R125质量分数为0.5，此时混合工质R125/R134a的支管出口工质R125质量分数在不同进口干度下随气体采出分率的变化如图5所示。图5中，横坐标表示支管中气体的采出分率，纵坐标表示支管出口的R125质量分数，水平实线表示工质的进口组分比例0.5，不同的点线分别对应进口干度0.1、0.3、0.5、0.7、0.9。由图可见，在相同干度的工况下，随着支管气体采出分率的增加，R125的支管出口质量分数逐渐从低于进口组分比例值增加到高于进口组分比例值。同时，不同干度下，对应着不同的组分调节范围。由于在混合工质R125/R134a中，R125属于轻组分，其气相组分质量分数较大，因此，在较大气体采出率时，对于任意进口干度，R125的出口质量分数总是大于其进口质量分数0.5。

对于如图2至图4所示的复合T形管组分调节器，在一定压力、温度下，非共沸工质气液相组分比例将产生显著性差异，如图6所示。图6中，横坐标表示混合工质R125/R134a中工质R125质量分数，纵坐标表示混合工质处于相平衡时温度，虚线表示相应组分下的露点温度，实线表示泡点温度，点化线与两者的交点分别对应相同压力温度下的气液相组分比例XG,XL。从图中可以看出，不同压力温度所对应的组分比例也不一样。因此复合T形管组分调节器通过节流过程改变每个T形管主管出口的混合工质压力温度，从而不断改变混合工质气液组分比例，并经过多重组分分离，实现组分的大范围调节。

尽管上面结合附图对本发明进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨的情况下，还可以做出很多变形，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (5)

1.一种用于非共沸工质组分调节的顺流式T形管组分调节器，是一由主管(2)和与所述主管(2)相交连通的支管(8)构成的T形管，其特征在于，所述主管(2)的一端是混合工质的进口(1)，所述主管(2)的另一端是第一出口(7)，所述支管(8)的端口是第二出口(6)；所述非共沸工质自所述主管(2)的混合工质的进口进入主管(2)后分为两路，一路是非共沸工质的液相从所述第一出口(7)流出，另一路是非共沸工质的气相从所述第二出口(6)排出。

2.根据权利要求1所述用于非共沸工质组分调节的顺流式T形管组分调节器，其特征在于，包括由2个或2个以上依次相连的T形管构成的T形管阵列，所述T形管阵列中、位置在前的T形管的第一出口(7)和与之相连的T形管的混合工质的进口(1)相连，位于最前的T形管的混合工质的进口(1)为调节器的混合工质的进口，位于最后的T形管的第一出口为调节器的液相出口；所有T形管的第二出口均与一汇集管(5)连通；所述汇集管(5)的一端与位于所述T形管阵列中一端部的T形管的第二出口连接，所述汇集管(5)的另一端为调节器的气相出口(6)，所有T形管的第二出口经所述汇集管(5)后汇集到所述调节器的气相出口(6)；所述非共沸工质自所述调节器的混合工质的进口后，每进入一个T形管的主管后均分为两路，一路是非共沸工质的液相从调节器的液相出口流出，另一路是非共沸工质的气相自所述T形管第二出口排放并通过汇集管(5)汇集后从所述调节器的气相出口(6)排出。

3.根据权利要求2所述用于非共沸工质组分调节的顺流式T形管组分调节器，其特征在于，相邻的两个T形管的主管(2)之间设有一节流阀(3)。

4.根据权利要求1至3中任一所述用于非共沸工质组分调节的顺流式T形管组分调节器，其特征在于，所述主管(2)与支管(8)之间夹角的取值范围为(0°，180°)。

5.根据权利要求1至3中任一所述用于非共沸工质组分调节的顺流式T形管组分调节器，其特征在于，所述汇集管(5)上连通有一出口支管。