一種用于非共沸工質組分調節的撞擊式t形管組分調節器的制造方法
【專利摘要】本發明公開了一種用于非共沸工質組分調節的撞擊式T形管組分調節器，由單個T形管或多個T形管連接而成，主要由進口管及出口管組成，由多個相連的T形管構成時，則還包括與每個T形管的出口管連通的上匯集管3和位于相鄰兩個T形管之間的節流閥。該調節器利用非共沸工質氣液組分不等及豎直撞擊式T形管對兩相流動分配不均的特性，使流體一次流過多個T形管及節流閥，從而達到組分分離。對于單個T形管，可以使上下出口的組分在氣液組分之間連續調節，而對于復合T形管，通過節流閥的節流降壓作用，不斷改變混合物氣液組分的比例，從而擴大組分調節的范圍。該調節器具有結構簡單、集約、組分調節效率高以及在管路上安裝、更換、維護方便等優點。
【專利說明】
一種用于非共沸工質組分調節的撞擊式T形管組分調節器
技術領域
[0001]本發明涉及多相流分離技術領域，特別涉及一種用于非共沸混合物組分分離的裝置和方法。
【背景技術】
[0002]熱力循環，如有機朗肯循環、制冷、熱栗等，是實現熱功轉換的主要技術手段。因此，不斷提高循環系統中能量傳遞和轉換的技術水平以減少損失，是實現我國節能減排的關鍵所在。為了提高變負荷下實際熱力系統的運行效率，基于非共沸混合工質的循環特性，采用組分調節技術，不斷改變熱力循環系統中組分配比，從而實現熱力系統的變負荷調節。
[0003]在非共沸混合工質相平衡理論中，沸點較高的組分在氣相中的濃度小于其在液相中的濃度，沸點較低的組分在氣相中的濃度大于其在液相中的濃度。因此，傳統的組分調節裝置氣液分離器，如分離罐，依據處于氣液相平衡的混合工質氣相與液相的組分濃度差異實現熱力系統中組分循環濃度的改變。然而此類裝置只能得到氣相或液相的組分濃度，不能得到兩者之間的濃度，更不能將組分調節擴大到氣液組分濃度之外。同時，傳統組分調節裝置不僅體積龐大，投資高而且在熱力系統中的安裝、更新以及維護保養都不方便。
[0004]T形三通管作為流體分配的一個常用管件，早在1960年代就有文獻報道了當氣液兩相流流經T形管時，出現相分離的現象。中國專利CN200910029249.4《一種多相流分離的復合T形管分離器及其分離方法》、CN201210015904.2《一種兩相流或多相流分離的多層復合T形管分離器》利用復合及多層順流型T形管提高了氣液兩相流分離的效率。2016年天津大學趙力教授(Zheng N,Hwang Y b , Zhao L, Deng S.Experimental study on thedistribut1n of constituents of binary zeotropic mixtures in verticalimpacting T-junct1n[J].1nternat1nal Journal of Heat and Mass Transfer,97
(I),242-252)基于T形管的氣液分布不均及非共沸工質的氣液組分不等特性，報道了利用撞擊式T形管實現組分連續調節的基本原理。對于單個T形管，可以實現工質組分配比在氣液組分濃度間的連續調節，同時為了擴大組分調節的范圍，本發明亦采用復合T形管組分調節技術，從而使撞擊式T形管組分分離技術具有大規模工業應用的可能。
【發明內容】
[0005]本發明要解決的技術問題是:本發明利用T形管的氣液分布不均及非共沸工質的氣液組分不等特性，提供一種組分大范圍連續調節的撞擊式T形管調節器及調節方法，解決現有組分調節器只能得到混合工質氣液組分比例的技術問題。
[0006]為了解決上述技術問題，本發明提出的一種用于非共沸工質組分調節的撞擊式T形管組分調節器，由水平設置的進口管和與所述進口管相交連通的出口管構成，所述出口管包括位于所述進口管之上的上出口管段和位于所述進口管之下的下出口管段;所述進口管的一端是混合工質的進口，所述進口管的另一端與所述出口管貫通，所述上出口管段的上端口為上出口，所述下出口管段的下端口為下出口；所述非共沸工質自所述進口管后分為兩路，一路是非共沸工質的液相從所述下出口管段的下出口流出，另一路是非共沸工質的氣相從所述上出口管段的上出口排出。
[0007]將上述用于非共沸工質組分調節的撞擊式T形管組分調節器的水平方向的混合工質的進口與氣液混合工質的輸送管道相連，所述上出口和下出口分別與兩條出口管道相連，兩條出口管道上均分別裝有調節閥，通過所述調節閥調節混合工質出口的流量比例，實現混合工質的組分分離。
[0008]本發明中，在上述用于非共沸工質組分調節的撞擊式T形管組分調節器的基礎上，可以由多個T形管構成組分調節器，包括由2個或2個以上相連的T形管構成的T形管陣列，所述T形管陣列中、位置在前的T形管的下出口和與之相連的T形管的混合工質的進口相連，每個T形管的上出口均與一上匯集管連通;位于最前的T形管的進口管的混合工質的進口為調節器的混合工質的進口，位于最后的T形管的下出口管段的下端口為調節器的液相出口；所述匯集管的一端與位于所述T形管陣列中一端部的T形管的上出口管段的上出口連接，所述匯集管的另一端為調節器的氣相出口；所述非共沸工質自所述調節器的混合工質的進口后，每進入一個T形管的進口管后均分為兩路，一路是非共沸工質的液相依次通過每個T形管的下出口后從調節器的液相出口流出，另一路是非共沸工質的氣相自所述上出口排放并通過上匯集管匯集后從所述調節器的氣相出口排出。
[0009]進一步講，相鄰的兩個T形管中，在前的T形管的下出口管段與在后的T形管的進口管的連接處設有一節流閥，通過調節相鄰兩個T形管之間的節流閥實現組分調節的范圍。
[0010]所述調節器的液相出口連接有一水平方向的下出口管;所述調節器的氣相出口連接有一開口向上的上出口管。
[0011]本發明與現有技術相比，具有結構簡單，體積小、成本低、能實現組分連續調節等優點。同時由于是管式的設備，本發明可用于在線安裝完成組分分離任務，其維護，更換也更方便。
【附圖說明】
[0012]圖1是單個T形管構成的組分調節器示意圖；
[0013]圖2是復合T形管構成的組分調節器實施例1示意圖；
[0014]圖3是復合T形管構成的組分調節器實施例2示意圖；
[0015]圖4是復合T形管構成的組分調節器實施例3示意圖；
[0016]圖5是復合T形管構成的組分調節器實施例4示意圖；
[0017]圖6是用于測試本發明裝置對混合工質組分分離效果而進行的實驗流程圖；
[0018]圖7是混合工質R134a/R245fa在T形管調節器中的分離情況及效果；
[0019]圖8是非共沸工質R134a/R245fa氣液相平衡圖。
[0020]圖中:
[0021]1-進口2-進口管3-上匯集管4-中間連接管
[0022]5-節流管6-下出口管7-下出口8-上出口
[0023]9-上出口管 10-過濾器11-工質栗12-主質量流量計
[0024]13-電加熱蒸發器14-上出口冷凝器 15-上出口質量流量計16-上出口閥
[0025]17-下出口冷凝器18-下出口質量流量計19-下出口閥20-主冷凝器
[0026]21-儲液罐
【具體實施方式】
[0027]下面結合附圖和具體實施例對本發明技術方案作進一步詳細描述，所描述的具體實施例僅對本發明進行解釋說明，并不用以限制本發明。
[0028]本發明用于非共沸工質組分調節的撞擊式T形管組分調節器是由單個或多個相連的T形管構成，主要由進口管及出口管組成，由多個相連的T形管構成時，則還包括與每個T形管的出口管連通的上匯集管3和位于相鄰兩個T形管之間的節流閥組成，各管道的直徑既可以相等也可以不相等，各管道的截面形狀可以是圓形管、方形管或其它截面形狀的管道。組分調節器包括一個混合工質入口和兩個混合工質出口，非共沸工質氣液兩相經水平進口管流入，重組分較多的液相從下出口管道流出，而輕組分較多的氣相從上出口管道流出。對于單個T形管，其可以實現組分配比在氣液組分比例間的連續調節，從水平進口管2流入的非共沸工質，撞擊T形管后將在豎直方向上發生組分分離，含重組分較多的液相往下出口 7流出，含輕組分較多的氣相往上出口8排出。上、下出口混合工質流量比例可以通過分別連接在兩個出口管道上的閥門加以控制。
[0029]如圖1所示，本發明一種用于非共沸工質組分調節的撞擊式T形管組分調節器，由水平設置的進口管2和與所述進口管2相交連通的出口管構成，所述出口管包括位于所述進口管2之上的上出口管段9和位于所述進口管2之下的下出口管段6;所述進口管2的一端是混合工質的進口 I，所述進口管2的另一端與所述出口管貫通，所述上出口管段9的上端口為上出口 8，所述下出口管段6的下端口為下出口 7;所述非共沸工質自所述進口管2后分為兩路，一路是非共沸工質的液相(通常還有相對于少量的氣相)從所述下出口管段6的下出口7流出，另一路是非共沸工質的氣相(通常還有相對于少量的液相)從所述上出口管段9的上出口 8排出。
[0030]圖2示出的是由多個如圖1中所示的T形管構成的用于非共沸工質組分調節的撞擊式T形管組分調節器的實施例1，其結構是:包括由2個或2個以上相連的T形管構成的T形管陣列，所述T形管陣列中、位置在前的T形管的下出口 7和與之相連的T形管的混合工質的進口 I相連，每個T形管的上出口 8均與一上匯集管3連通;位于最前的T形管的進口管2的混合工質的進口 I為調節器的混合工質的進口，位于最后的T形管的下出口管段6的下端口為調節器的液相出口，所述調節器的液相出口連接有一水平方向的下出口管;相鄰的兩個T形管中，在前的T形管的下出口管段6與在后的T形管的進口管2的連接處設有一節流閥5。所述匯集管3的一端與位于所述T形管陣列中一端部的T形管的上出口管段的上出口 8連接，所述匯集管3的另一端為調節器的氣相出口；所述非共沸工質自所述調節器的混合工質的進口后，每進入一個T形管的進口管后均分為兩路，一路是非共沸工質的液相依次通過每個T形管的下出口7后從調節器的液相出口流出，另一路是非共沸工質的氣相自所述上出口8排放并通過上匯集管3匯集后從所述調節器的氣相出口排出。每個T形管的下出口工質都將經節流閥節流降壓，從而改變氣液組分比例，在下一個T形管中進一步調節組分比例。每個上出口工質經匯集管流出。與單個T形管相比，該復合T形管通過不斷改變氣液組分比例及不斷進行組分分離，使其組分調節的范圍擴大，從而使某一組分的濃度得到濃縮。
[0031]將單個T形管調節器或復合T形管調節器的水平入口與熱力系統中非共沸工質氣液兩相混合物的輸送管道相連，T形管的兩個出口分別與兩條出口管道相連，并在管道上分別裝有調節流量的閥門。對于單個T形管，可以通過兩個出口管道上的閥門調節混合工質出口的分配比例，在適當的分配比例下，使工質發生組分分離。對于復合T形管，還可以通過調節節流管上的節流閥，改變氣液組分的比例，實現組分的多次分離。在一定的控制條件下，可以使非共沸工質在本發明裝置內獲得高效的分離。
[0032]圖3示出的是由多個如圖1中所示的T形管構成的用于非共沸工質組分調節的撞擊式T形管組分調節器的實施例2，是上述實施例1組分調節器的衍生結構，其結構與實施例1基本相同，不同僅在于:該組分調節器的液相出口就是最后一個T形管的下出口豎直向下，便于與熱力系統的豎直管道相連，實施例2與實施例1的分離原理相同。
[0033]圖4示出的是由多個如圖1中所示的T形管構成的用于非共沸工質組分調節的撞擊式T形管組分調節器的實施例3，是上述實施例1組分調節器的衍生結構，其結構與實施例1基本相同，不同僅在于:該組分調節器的上匯集管端口封閉，而在上匯集管上加裝一個匯集管上出口管9，以便與熱力系統的豎直管道相連，其位置可以安裝在上匯集管上的任何位置，實施例3與實施例1的分離原理相同。
[0034]圖5示出的是由多個如圖1中所示的T形管構成的用于非共沸工質組分調節的撞擊式T形管組分調節器的實施例4，是上述實施例3組分調節器的衍生結構，其結構與實施例3基本相同，不同僅在于:該組分調節器的液相出口就是最后一個T形管的下出口豎直向下，便于與熱力系統的豎直管道相連，實施例4與實施例3的分離原理相同。
[0035]現在結合附圖對本發明作進一步詳細的說明。這些附圖均為簡化的示意圖，僅以示意方式說明本發明的基本結構，因此其僅顯示與本發明有關的構成。下面描述用來進行組分分離的實驗設備和實驗方法。
[0036]圖6為用于測試本發明裝置對混合工質組分分離效果而進行的實驗流程圖。在儲液罐21中的混合工質經過工質栗11加壓后，流經質量流量計12和加熱管道13，形成氣液混合物，進入T形管的水平入口管，同時調節T形管上下出口的閥門16，19，控制兩出口的流量分配比例，使T形管的組分分離效率優化，上下出口的氣液混合物分別經冷凝器14，17冷凝成飽合液后流經質量流量計15，18，然后兩流體混合經過冷凝器20，到達儲液罐。實驗系統中所用流量計不僅能測試混合工質單位時間內的質量流量，還能測試其密度，從而根據混合工質的物性法則推算出其組分比例。該系統的實驗數據可由趙力教授于2016年Zheng N，Hwang Y b, Zhao L, Deng S.Experimental study on the distribut1n ofconstituents of binary zeotropic mixtures in vertical impacting T-junct1n[J].1nternat1nal Journal of Heat and Mass Transfer，97(l)，242_252提出的組分分離效率指標進行評價。
[0037]采用圖1所示的單個T形管調節器進行組分分離。以R134a/R245fa兩種工質組成非共沸混合體系，采用單個T形管實現工質組分在氣液組分比例下的連續調節，當T形管進出口管道直徑比為0.457，進口工質質量流量為SOOKgnr2S-1，進口工質組分R134a質量分數為
0.3215，此時T形管下出口 R134a質量分數及R134a與R245fa組分分離效率差隨進口混合工質干度的變化如圖7所示。圖7中，橫坐標表示實驗中T形管進口處混合工質的干度，左邊縱坐標表示R134a的質量分數，右邊縱坐標表示R134a與R245fa組分分離效率之差，用以評價T形管的組分分離效果。斜線為不同干度下氣液相組分R134a的質量分數，虛線表示進口工質組分R134a的質量分數，三角形為相應干度的T形管下出口 R134a的質量分數，方框表示相應干度的組分分離效率差值。由圖7可見，隨著進口干度的增加，下出口 R134a的質量分數逐漸減小，效率差值也從正的變為負，表示進口干度的增加會使下出口中R245fa的質量分數逐漸增大。
[0038]對于復合T形管，在一定壓力、溫度下，非共沸工質R134a/R245fa氣液相組分比例將產生顯著性差異，如圖8所示。圖8中，橫坐標表示混合工質R134a/R245fa中工質R134a質量分數，縱坐標表示混合工質處于相平衡時溫度，虛線表示相應組分下的露點溫度，實線表示泡點溫度，點化線與兩者的交點分別對應相同壓力溫度下的氣液相組分比例XG，XL。從圖中可以看出，不同壓力溫度所對應的組分比例也不一樣，因此復合T形管通過節流過程改變中間下出口混合工質的壓力溫度，從而不斷改變混合工質氣液組分比例，并經過多重組分分離，實現組分的大范圍調節。
[0039]綜上，本發明組分調節器利用了非共沸工質氣液組分不等及豎直撞擊式T形三通管對兩相流動分配不均的特性，主要由撞擊式T形管和氣液兩相節流閥構成，使流體流動過程中一次流過多個T形管及節流閥，從而達到組分分離的目的。對于單個T形管，可以使上下出口的組分在氣液組分之間連續調節，而對于復合T形管，通過節流閥的節流降壓作用，不斷改變混合物氣液組分的比例，使得其組分變化的范圍更大，調節效率顯著提高。該調節器具有結構簡單、集約、成本低、安全、組分調節效率高以及在管路上安裝、更換、維護方便等優點。
[0040]盡管上面結合附圖對本發明進行了描述，但是本發明并不局限于上述的【具體實施方式】，上述的【具體實施方式】僅僅是示意性的，而不是限制性的，本領域的普通技術人員在本發明的啟示下，在不脫離本發明宗旨的情況下，還可以做出很多變形，這些均屬于本發明的保護之內。
【主權項】
1.一種用于非共沸工質組分調節的撞擊式T形管組分調節器，由水平設置的進口管(2)和與所述進口管(2)相交連通的出口管構成，所述出口管包括位于所述進口管(2)之上的上出口管段(9)和位于所述進口管(2)之下的下出口管段(6);其特征在于，所述進口管(2)的一端是混合工質的進口(I)，所述進口管(2)的另一端與所述出口管貫通，所述上出口管段(9)的上端口為上出口( 8)，所述下出口管段(6)的下端口為下出口(7);所述非共沸工質自所述進口管(2)后分為兩路，一路是非共沸工質的液相從所述下出口管段(6)的下出口(7)流出，另一路是非共沸工質的氣相從所述上出口管段(9)的上出口(8)排出。2.根據權利要求1所述用于非共沸工質組分調節的撞擊式T形管組分調節器，其特征在于，包括由2個或2個以上相連的T形管構成的T形管陣列，所述T形管陣列中、位置在前的T形管的下出口(7)和與之相連的T形管的混合工質的進口(I)相連，每個T形管的上出口(8)均與一上匯集管(3)連通;位于最前的T形管的進口管(2)的混合工質的進口(I)為調節器的混合工質的進口，位于最后的T形管的下出口管段(6)的下端口為調節器的液相出口；所述匯集管(3)的一端與位于所述T形管陣列中一端部的T形管的上出口管段的上出口(8)連接，所述匯集管(3)的另一端為調節器的氣相出口；所述非共沸工質自所述調節器的混合工質的進口后，每進入一個T形管的進口管后均分為兩路，一路是非共沸工質的液相依次通過每個T形管的下出口(7)后從調節器的液相出口流出，另一路是非共沸工質的氣相自所述上出口(8)排放并通過上匯集管(3)匯集后從所述調節器的氣相出口排出。3.根據權利要求2所述用于非共沸工質組分調節的撞擊式T形管組分調節器，其特征在于，相鄰的兩個T形管中，在前的T形管的下出口管段(6)與在后的T形管的進口管(2)的連接處設有一節流閥(5)。4.根據權利要求2所述用于非共沸工質組分調節的撞擊式T形管組分調節器，其特征在于，所述調節器的液相出口連接有一水平方向的下出口管。5.根據權利要求2至4的任一所述用于非共沸工質組分調節的撞擊式T形管組分調節器，其特征在于，所述調節器的氣相出口連接有一開口向上的上出口管(9)。
【文檔編號】B01D45/08GK105972880SQ201610330695
【公開日】2016年9月28日
【申請日】2016年5月18日
【發明人】趙力, 蘇文, 鄭楠, 鄧帥, 盧培
【申請人】天津大學