CN1307091C - 采用喷射器回收氦气的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及回收氦气方法。该方法包括a)将第一含氦气体(10)送入到喷射器(26)中以产生第二含氦气气体(28)；b)使第二含氦气气体(28)通过热交换器(40)以产生第三含氦气气体(42)；以及c)回收第三含氦气气体(42)到该喷射器(26)中以便与第一含氦气气体(10)合并。

Description

采用喷射器回收氦气的方法

技术领域

本发明涉及气体的回收和循环。更具体地说，本发明涉及在光纤生产中从生产设备的拉丝塔冷却管中回收并循环约30％～70％(体积)氦气的方法。

背景技术

光纤制造的现有技术通常从专门制备的玻璃棒或料坯的生产开始。料坯在纤维拉丝站被加工成为光纤。专门制备的玻璃料坯喂入到炉子中，在此，玻璃熔融，形成半液态纤维。随着纤维穿过空气层下落并经过热交换器(冷却器)，它变冷并固化。冷却后，纤维经涂布并卷绕。拉伸率通过炉子与涂布器之间空气中的冷却速率来控制。为了提高冷却速率，少量气体常常被施加到纤维热交换器中。氦气通常被用作该热交换器中的气体，因为它提供高传热速率并且是惰性的。热交换器一般由铝或不锈钢块组成，其中钻有极小直径的孔，以便让纤维由其穿过。氦气或氦气的混合物以及空气或氮气也喂入到该圆柱体通道中，在此，它从块的一端或两端流出，进入到周围大气中。热通过氦气从玻璃纤维散出并进入热交换器的壁。热交换器可具有导热翅片以便从热交换器金属表面将热散去或者热交换器可制造成具有附加水夹套的冷却源。

光纤拉丝冷却加工期间，氦气的消耗从几个标准升每分钟(slpm)氦气到几百标准升每分钟氦气每个热交换器不等。现有技术已公开从光纤拉丝中回收并循环返回氦气的方法。参见美国专利5,377,491和5,452,583。

这些现有技术包括采用旋转或往复压缩设备、分析设备以及控制系统从光纤拉丝站热交换器中回收并循环氦气。采用此类型回收方法的决定是依据每台热交换器的氦气用量、氦气成本以及购买、操作和维护该回收系统的成本做出的。光纤生产厂必须决定的根本问题是，针对现场具体情况投资于拉丝塔氦气回收技术在经济上是否划算。

一般而言，对于拉丝塔热交换器使用氦气体积非常少的场合(5～50slpm(标准升每分钟)每台热交换器)，目前的回收技术可能在经济上不可行。

本发明的目的是给光纤生产者提供一种氦气回收和循环的廉价选择。这是通过提供一种氦气回收系统实现的，它将能从每台热交换器回收并循环30％～70％氦气，而不需要使用任何诸如压缩机、真空泵、控制阀之类的运动部件，也不需要分析设备。

现有技术在拉丝加工期间主要采用“一次通过的氦气”来冷却光纤，或者采用氦气回收和循环技术(以远高于本发明的氦气流量)来冷却光纤。

现有技术通常采用运动部件，如压缩机、真空泵和控制阀。因此需要提供一种不用运动部件的氦气回收系统。

若能采用喷射器在小规模纤维光缆制造过程中促进氦气的回收，那将是所期望的。现有技术喷射器通常被用于混合、抽真空、排液、干燥以及许多其他常规加工领域。驱动流差不多可以是任何流体，它可用来驱动由气体、液体或粉末型固体组成的吸入流。排出流将驱动流与吸入流合并，且在大多数场合显著不同于二者中任何一个。在建议的氦气回收和循环应用中，所有这三股流在组成和性质上基本相同。

一些类型喷射器是已知的。例如，美国专利5,836,745公开采用某种驱动力回收流体的设备和方法，包括采用喷射器从液体生成中回收流体。它公开了一种液体浸没式泵用于从液体生成中抽运流体。此项技术不包括有关氦气和/或其他稀有气体的回收的教导或建议，并且也不回收液体。

美国专利4,613,412公开一种蒸发回收系统用的抽真空系统和方法，它采用喷射器在蒸发废料回收系统中造成部分真空。它采用一种流体作为喷射器的驱动介质，以便从蒸发器中抽出浓缩液和馏出液。此项技术没有关于回收和循环氦气或其他稀有气体的教导或建议。

美国专利4,115,235公开一种用于将气体样品送过分析器室的设备。该现有技术采用引射回路与对流回路联合将气体样品送过分析器。该项技术未公开部分地回收从喷射器排出的气体——氦气或其他稀有气体的内容。该项技术未教导或建议回收氦气或其他稀有气体并将这些气体循环返回到系统中重新利用。

美国专利5,795,146公开一种炉室，它具有用来强化热处理的喷射器。该项技术公开一种产品热处理用炉子，并包括一个或多个喷射器。这些喷射器能强化炉内气氛的循环以利于传热或排气。该专利公开一种用于加强炉室内循环的喷射器，却未采用回收氦气或其他稀有气体的喷射器。

若能在本领域提供一种光纤制造方法和系统，它能以低于目前气体回收和循环技术的方法和系统的成本来回收和循环氦气及其他稀有气体，那将是所期望的。

若能提供一种方法，它不要求运动部件，不要求能源、不要求旋转压缩设备，可安装在光纤生产厂现有热交换器供应管线中作为其一部分，且很少或不要求维护，那将是所期望的。

再有，若能提供一种特别有利于少量氦气回收和循环用户的此种设备的制造、安装、操作和维护的方法和系统，那将是所期望的。

发明概述

本发明涉及一种回收氦气的方法。该方法包括a)将第一含氦气气体送入到喷射器中以产生第二含氦气气体；b)使第二含氦气气体通过热交换器以产生第三含氦气气体；以及c)将第三含氦气气体回收到该喷射器中以便与第一含氦气气体合并。

在一种实施方案中，第二含氦气气体可流经冷却器。第二含氦气气体和/或第三含氦气气体可流经转子流量计。第三含氦气气体在它从热交换器出来时可分为顶部分与底部分，顶部分和底部分的流量在它们从热交换器出来时皆可通过流量控制手段如阀门，进行部分地调节。可采用诸如过滤器之类颗粒去除装置在第三含氦气气体与第一含氦气气体在喷射器中合并之前从第三含氦气气体中去除颗粒。

本文使用的术语“喷射器”是指一种水力装置。它可由喷嘴或文丘里喉管组成，用于造成负压(吸力)，该负压是通过经喷嘴排出一股高压驱动流体，以同心、高速射流形式流过或穿过吸入流的进口管，进入到排出室而产生的。如此产生的负压诱导吸入流物料通过进口管的正向抽吸，并进入排出室。

本文使用的术语“转子流量计”是指用于测量气体流量的装置。一个例子是简单圆筒设备，空气流经该设备并测出流动速率。

附图简述

其他目的、特征和优点，本领域技术人员在研读了下面有关一种优选实施方案以及唯一附图的描述之后将会明白，在该图1中，给出了按本发明回收和循环气体的小规模气体回收系统的示意图。

发明详述

本发明提出一种不需要旋转或往复压缩设备便可回收并循环光纤拉丝站热交换器中所用的氦气的概念。本发明的目的是提供一种光纤拉丝塔热交换器用的廉价的氦气回收装置，它小到足以与用户现有氦气进料系统制成一体，而且不需要运动部件。该回收系统将产生优选40％～60％回收氦气，更优选30％～70％回收氦气，最优选80％以上回收氦气，用于优选5slpm～50slpm，更优选10slpm～40slpm，最优选15slpm～30slpm每台热交换器的公称热交换器氦气进料速率的情况。

此种方法的工艺流程图示于图1。含氦气气体10通过流量测量装置12，例如，转子流量计，然后再流经压力调节器14，最后喂入到热交换器40中。氦气(亦称驱动介质)随后流过压力测量装置16，再流经控制阀18，该阀可以是手动阀或者是自动阀，然后，压力经过调节的氦气20流经流量测量装置22，例如转子流量计，和颗粒过滤器24，然后进入喷射器26作为补加。喷射器的喷嘴构造造成进口氦气供应流(驱动介质)的压降，从而在喷射器26的吸入侧造成文丘里效应。该文丘里效应经过物流56将从热交换器40供应的第三氦气流42推入到喷射器26中。第二含氦气气体28代表第一含氦气气体10和第三含氦气气体42的合并流，其经由物流56流入每台热交换器40。第二含氦气气体28流入每台热交换器40之前的流量由位于喷射器26排出侧的流量测量装置32，例如，转子流量计，进行测量。第二含氦气气体28流经过滤器30然后进入到流量测量装置32。该第二含氦气气体28的流量代表来自物流20与56的合并氦气流量。物流20代表来自第一含氦气气体的补加氦气；物流56代表来自第三含氦气气体42的回收的氦气。来自热交换器40的氦气流42经过流量控制装置，例如阀58和60(手动或自动)的调节，再流经过滤器44以除掉夹带的颗粒。从每台热交换器40回收的氦气流量由流量测量装置50，例如，由位于氦气流46经过过滤器44处理以后的转子流量计进行测量。氦气流46流过流量测量装置50，而变成氦气流52。隔离阀54，可手动或自动，位于喷射器的吸入口，用于分开来自热交换器40的氦气物流52以形成回收的氦气物流56进入喷射器26。鉴于大约30％～70％，优选40％～60％供应给每台热交换器40的氦气被回收，因此不需要分析设备来监测氦气的纯度。未被回收的氦气从每台热交换器40的顶部和底部开口作为未回收氦气62和64逸至大气。

任选的冷却器36可安装在第二含氦气气体28中以便在进入热交换器40之前冷却氦气。可采用多个冷却器。每台冷却器由多组冷却管组成。纯度分析和控制装置34以及流量控制装置48任选地设置在系统中以控制在系统中流动的气体流量。再有，本发明还考虑采用大量喷射器，优选呈串联布置以推动气体流动。

该系统可运转在有回收或无回收的情况下。在正常操作状态下，至每台热交换器的氦气总流量用手动阀控制。随着物流被引入到喷射器中，文丘里效应将回收氦气从热交换器抽到喷射器的吸入口。如果位于喷射器吸入口的手动隔离阀关闭，则进入每台热交换器的氦气流量依然由手动控制阀控制着，然而，将不再有回收氦气从热交换器流出。需要的话手动控制阀可换成自动控制阀。其他流量测量装置也可用来测量至每台热交换器的总氦气流量以及从每台热交换器流出的总回收氦气流量。需要的话也可用单一喷射器将氦气供应给一台或多台热交换器。作为一种选择，可在由流40到喷射器20的吸入口一侧安装现场氧气分析仪。该装置可根据来自纤维热交换器的空气污染物高含量指示关闭喷射器吸入口的自动阀或提供报警。

该小规模回收技术从多种意义上是本领域从未公开或建议过的独特技术。基于喷射器的该回收系统利用文丘里喉管(喷射器)两端的压力降从光纤冷却管抽出氦气并将其送入回收装置。现有技术则利用真空泵或压缩机从光纤冷却管抽出氦气。从冷却管抽出氦气的数量，在现有技术中通常由位于压缩机或真空泵进口的控制阀控制。目前的回收技术还利用氧传感器来控制从冷却管抽出的氦气数量。氧传感器限制从冷却管吸入的氦气量，以便不让诸如空气之类的污染物也被吸入到压缩机或真空泵的吸入口。鉴于大多数压缩机和真空泵的大小都使得能力超过需要回收的氦气量，因此取消压缩机或真空泵吸入口上的控制阀会导致进入回收装置的气体量超过喂入到冷却管中的氦气量。这将导致真空泵或压缩机把污染物吸入到回收装置中。

本发明基于喷射器的回收技术没有运动部件。从冷却管回收氦气的最大百分数由喷射器设计(喉管间隙)限制着。预计，从冷却管可回收最高80％氦气，从而排除了空气污染物吸入到回收系统中的可能。这便消除了对进入回收装置的氦气实施自动控制的需要，同时也消除了对分析设备的需要。

现在，通过采用本发明，可利用喷射器回收氦气，而不需要使用运动部件如压缩机、真空泵和控制阀。尽管上面已结合实施方案详细描述了本发明，但要知道，尚存在许多其他实施方案，仍属于权利要求的精神和范围内。

Claims (16)

1.一种回收氦气的方法，包括：

a)将第一含氦气体(10)送入到喷射器(26)中，以产生第二含氦气气体(28)，其代表第一含氦气气体(10)和从热交换器(40)回收的第三含氦气气体(42)的合并流量；

b)使第二含氦气气体(28)通过所述热交换器(40)以产生所述第三气体(42)；以及

c)回收第三含氦气气体(42)到该喷射器(26)中以便与第一含氦气气体(10)合并。

2.权利要求1的方法，还包括使第一含氦气气体(10)通过压力调节器(14)。

3.权利要求1的方法，还包括使第一含氦气气体(10)通过手动阀(18)。

4.权利要求1的方法，还包括使第二含氦气气体(28)通过冷却器(36)。

5.权利要求1的方法，还包括使第一含氦气气体(10)、第二含氦气气体(28)和第三含氦气气体(42)中任何一股通过流量测量装置。

6.权利要求1的方法，还包括使第一含氦气气体(10)、第二含氦气气体(28)和第三含氦气气体(42)中任何一股通过过滤器。

7.权利要求1的方法，还包括使第一含氦气气体(10)、至少部分第二含氦气气体(28)和第三含氦气气体(42)中任何一股通过控制阀。

8.权利要求1的方法，还包括使第三含氦气气体(42)通过流量测量装置(50)和流量控制装置(58、60)。

9.权利要求1的方法，还包括通过第二含氦气气体(28)上的流量测量装置(32)和第一含氦气气体或第三含氦气气体上的流量控制装置(18、58、60)来控制第二含氦气气体(28)的流量。

10.权利要求1的方法，其中第二含氦气气体(28)进入到多个冷却器(36)。

11.权利要求10的方法，其中第二含氦气气体(28)进入多根冷却管。

12.权利要求1的方法，包括使第三含氦气气体(42)通过热交换器(40)的顶部分和底部分。

13.权利要求12的方法，包括使顶部分和底部分通过至少一个流量控制装置(58、60)。

14.权利要求13的方法，其中流量控制装置(58、60)是阀。

15.权利要求1的方法，还包括使第三含氦气气体(42)通过过滤器(44)以除去颗粒。

16.权利要求1的方法，还包括多台喷射器。

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