一種用于非共沸工質組分調節的順流式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順流式T形管組分調節器，由單個或復合T形管構成，主要由主管和支管(和節流閥、中間連接管及匯集管)組成，調節器具有一個進口和兩個出口，其中一個出口與進口在同一方向上。該調節器利用了非共沸工質氣液組分不等及順流式T形三通管對兩相流動分配不均的特性，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，可以使兩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，不斷改變混合工質氣液組分的比例，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順流式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。因此，對于單個順流式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，從而使順流式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:本發明利用順流式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順流式T形管組分調節器及調節方法，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順流式T形管組分調節器，是一由主管和與所述主管相交連通的支管構成的T形管，所述主管的一端是混合工質的進口，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；所述非共沸工質自所述主管的混合工質的進口進入主管后分為兩路，一路是非共沸工質的液相從所述第一出口流出，另一路是非共沸工質的氣相從所述第二出口排出。
[0007]利用上述用于非共沸工質組分調節的順流式T形管組分調節器的混合工質的進口與氣液混合工質的輸送管道相連，并通過氣液混合工質的干度控制組分分離的效率;所述第一出口和第二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]進一步講，本發明一種用于非共沸工質組分調節的順流式T形管組分調節器，其中，包括由2個或2個以上依次相連的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形管的第一出口和與之相連的T形管的混合工質的進口相連，位于最前的T形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形管的第一出口為調節器的液相出口；所有T形管的第二出口均與一匯集管連通;所述匯集管的一端與位于所述T形管陣列中一端部的T形管的第二出口連接，所述匯集管的另一端為調節器的氣相出口，所有T形管的第二出口經所述匯集管后匯集到所述調節器的氣相出口 ；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形管的主管后均分為兩路，一路是非共沸工質的液相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第二出口排放并通過匯集管匯集后從所述調節器的氣相出口排出。
[0009]上述包括2個或2個以上依次相連的T形管陣列的用于非共沸工質組分調節的順流式T形管組分調節器的混合工質的進口與氣液混合工質的輸送管道相連，并通過氣液混合工質的干度控制組分分離的效率;所述調節器的液相出口和所述調節器的氣相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。
[0010]進一步講，還可以在相鄰的兩個T形管的主管之間設一節流閥，通過調節相鄰兩個T形管的主管之間的節流閥實現組分調節的范圍。
[0011]本發明用于非共沸工質組分調節的順流式T形管組分調節器，其中，所述主管與支管之間夾角的取值范圍為(0°，180°)。
[0012]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】
[0013]圖1是本發明中單個T形管組分調節器示意圖；
[0014]圖2是本發明中復合T形管組分調節器實施例1示意圖；
[0015]圖3是本發明中復合T形管組分調節器實施例2示意圖；
[0016]圖4是本發明中復合T形管組分調節器實施例3示意圖；
[0017]圖5是不同干度下，混合工質R125/R134a(50%/50%)在T形管組分調節器中的分離情況；
[0018]圖6是非共沸工質R125/R134a氣液相平衡圖。
[0019]圖中:
[0020]1-進口2-主管 3-節流閥4-中間連接管
[0021]5-匯集管6-第二出口 7-第一出口8-支管
【具體實施方式】
[0022]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。
[0023]本發明提供的一種用于非共沸工質組分調節的順流式T形管組分調節器，可以實現非共沸工質組分分離，可以由單個或復合T形管構成，主要由主管和支管(和中間連接管及匯集管)組成，各管道直徑既可以相等也可以不相等，管道截面形狀可以是圓形管、方形管或其它截面形狀的管道。調節器的整體上存在有一個混合工質的進口和兩個工質的出口，其中一個出口與進口在同一方向上。非共沸工質氣液兩相經單個T形管或由多個T形管連接后構成的順流式T形管組分調節器后，重組分較多的液相由于其慣性大可以直接從主管出口流出，而輕組分較多的氣相由于其慣性小而從支管的出口排出。本發明組分調節器利用了非共沸工質氣液組分不等及順流式T形三通管對兩相流動分配不均的特性，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，可以使兩出口的組分在氣液組分之間連續調節，而對于復合T形管組分調節器，通過節流閥的節流降壓作用，不斷改變混合工質氣液組分的比例，使得其組分變化的范圍更大，調節效率更高。該裝置具有結構簡單、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。
[0024]如圖1所示，本發明提出的一種用于非共沸工質組分調節的順流式T形管組分調節器，是一由主管2和與所述主管2相交連通的支管8構成的T形管，所述主管2的一端是混合工質的進口 I，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;所述非共沸工質自所述主管2的混合工質的進口進入主管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)從所述第一出口 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)從所述第二出口 6排出。使用時，將單個T形管組分調節器的主管2的混合工質的進口 I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，并通過氣液混合工質的干度控制組分分離的效率;T形管的兩個出口(主管的第一出口7和支管8的第二出口 6)分別與兩條出口管道相連，并在該兩條出口管道上分別裝有調節流量的閥門。該單個T形管構成的調節器可以實現組分配比在氣液組分比例間的連續調節，從主管進口流入的非共沸工質，重組分易從主管出口流出，輕組分易從支管出口排出。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。
[0025]如圖2所示，是在圖1所示的單個T形管的基礎上采用多個依次相連的T形管構成的復合T形管組分調節器實施例1的結構，該調節器包括由2個或2個以上依次相連的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形管的第一出口7和與之相連的T形管的混合工質的進口 I相連，位于最前的T形管的混合工質的進口 I為調節器的混合工質的進口，位于最后的T形管的第一出口為調節器的液相出口；所有T形管的第二出口均與一匯集管5連通;所述匯集管5的一端與位于所述T形管陣列中最前端部的T形管的第二出口連接，所述匯集管5的另一端為調節器的氣相出口6(即匯集管的出口在主管出口的一側)，所有T形管的第二出口經所述匯集管5后匯集到所述調節器的氣相出口 6;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形管的主管后均分為兩路，一路是非共沸工質的液相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第二出口排放并通過匯集管5匯集后從所述調節器的氣相出口 6排出。將如圖2所示的復合T形管組分調節器的混合工質的進口 I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，通過氣液混合工質的干度控制組分分離的效率;調節器的液相出口和氣相出口分別與兩條出口管道相連，并在兩條出口管道上分別裝有調節流量的閥門，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，實現混合工質的組分分離。另外，最好在相鄰的兩個T形管的主管2之間可以設一節流閥3，每個T形管的主管出口工質都將經一節流閥3節流降壓，從而改變氣液組分比例，并在下一個T形管中進一步組分分離，每個順流式T形管的支管出口工質經匯集管排出。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。與圖1所示的單個T形管相比，該復合T形管組分調節器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。
[0026]如圖3所示的復合T形管組分調節器實施例2是在圖2所示的復合T形管組分調節器實施例1的基礎上的衍生結構，實施例2與實施例1的基本結構相同，其不同僅在于，匯集管出口在最前端T形管的主管進口的一側，實施例2與實施例1組分調節器的分離原理相同。
[0027]如圖4所示的復合T形管組分調節器實施例3是在圖2所示的復合T形管組分調節器實施例1的基礎上的衍生結構，實施例3與實施例1的基本結構相同，其不同僅在于，其匯集管端口封閉，而在匯集管上加裝一個匯集管支管出口，其位置可以安裝在匯集管上的任何位置，實施例3與實施例1組分調節器的分離原理相同。
[0028]本發明中，所述主管2與支管8(復合T形管結構時，則為中間連接管4)之間夾角的取值范圍為(0° ,180°) ο
[0029]現在結合附圖對本發明的組分分離作進一步詳細的說明。
[0030]以R125/R134a兩種工質組成非共沸混合體系為例，針對圖1所示的單個順流式T形管組分調節器，采用順流式T形管氣液分離預測模型流線型法建立混合工質組分分離模型。當其中的管道直徑都為20mm，進口工質流量為SOOKgnf2s-1，進口流型為環狀流及工質組分R125質量分數為0.5，此時混合工質R125/R134a的支管出口工質R125質量分數在不同進口干度下隨氣體米出分率的變化如圖5所不。圖5中，橫坐標表不支管中氣體的米出分率，縱坐標表示支管出口的R125質量分數，水平實線表示工質的進口組分比例0.5，不同的點線分別對應進口干度0.1、0.3、0.5、0.7、0.9。由圖可見，在相同干度的工況下，隨著支管氣體采出分率的增加，R125的支管出口質量分數逐漸從低于進口組分比例值增加到高于進口組分比例值。同時，不同干度下，對應著不同的組分調節范圍。由于在混合工質R125/R134a中，R125屬于輕組分，其氣相組分質量分數較大，因此，在較大氣體采出率時，對于任意進口干度，R125的出口質量分數總是大于其進口質量分數0.5。
[0031]對于如圖2至圖4所示的復合T形管組分調節器，在一定壓力、溫度下，非共沸工質氣液相組分比例將產生顯著性差異，如圖6所不。圖6中，橫坐標表不混合工質Rl25/R134a中工質R125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形管組分調節器通過節流過程改變每個T形管主管出口的混合工質壓力溫度，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。
[0032]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順流式T形管組分調節器，是一由主管(2)和與所述主管(2)相交連通的支管(8)構成的T形管，其特征在于，所述主管(2)的一端是混合工質的進口(I)，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);所述非共沸工質自所述主管(2)的混合工質的進口進入主管(2)后分為兩路，一路是非共沸工質的液相從所述第一出口(7)流出，另一路是非共沸工質的氣相從所述第二出口(6)排出。2.根據權利要求1所述用于非共沸工質組分調節的順流式T形管組分調節器，其特征在于，包括由2個或2個以上依次相連的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形管的第一出口(7)和與之相連的T形管的混合工質的進口(I)相連，位于最前的T形管的混合工質的進口(I)為調節器的混合工質的進口，位于最后的T形管的第一出口為調節器的液相出口；所有T形管的第二出口均與一匯集管(5)連通;所述匯集管(5)的一端與位于所述T形管陣列中一端部的T形管的第二出口連接，所述匯集管(5)的另一端為調節器的氣相出口(6)，所有T形管的第二出口經所述匯集管(5)后匯集到所述調節器的氣相出口(6);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形管的主管后均分為兩路，一路是非共沸工質的液相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T形管第二出口排放并通過匯集管(5)匯集后從所述調節器的氣相出口(6)排出。3.根據權利要求2所述用于非共沸工質組分調節的順流式T形管組分調節器，其特征在于，相鄰的兩個T形管的主管(2)之間設有一節流閥(3)。4.根據權利要求1至3中任一所述用于非共沸工質組分調節的順流式T形管組分調節器，其特征在于，所述主管(2)與支管(8)之間夾角的取值范圍為(0°，180°)。5.根據權利要求1至3中任一所述用于非共沸工質組分調節的順流式T形管組分調節器，其特征在于，所述匯集管(5)上連通有一出口支管。
【文檔編號】B01D17/00GK105833565SQ201610331708
【公開日】2016年8月10日
【申請日】2016年5月18日
【發明人】蘇文, 趙力, 趙晴, 盧培, 許偉聰, 王志, 張瑩, 倪佳鑫
【申請人】天津大學