带能量回收分离器的混合工质气体液化系统实验

　　1 引 言

　　自20 世纪90 年代以来，基于常规压缩机驱动的混合工质节流制冷循环以其结构简单、效率高、性能可靠等优点引起了广泛的关注和重视，国内外学者纷纷对此开展了研究工作[1-4]。该制冷系统主要采用常规制冷部件，通过遴选不同配比的混合工质而达到非常宽的制冷温区，在提高系统稳定性和可靠性的同时，大大降低了系统成本，这就为小型低温气体液化装置的工业化应用奠定了基础。

　　采用油润滑压缩机驱动混合工质一次节流制冷系统流程简单，但其工程应用仍存在一些技术问题:第一，混合工质中高沸点组元凝固点较高，在低温工况时有可能固相析出[5]，堵塞节流元件，从而进一步影响系统的稳定运行。第二，采用油润滑压缩机作为制冷系统动力源，最大的问题就是如何高效滤油。商业油分离器对油滴可以进行很好的分离，但是对于溶解于混合工质中的油气则分离困难。当润滑油随高压混合工质气流进入多股流换热器低温端时，即使是少量的润滑油凝固，都有可能导致多股流换热器微通道或节流阀堵塞。同时系统回油不畅，导致压缩机润滑不足，影响压缩机的使用寿命。第三，采用常规分离器，在回油的同时使得大量的高压混合工质在没有制冷之前就随润滑油返回压缩机，造成能量浪费，降低了系统的循环效率[6]。基于Kleemenko 循环原理的各种变种循环[7-10]，一般采用一个或几个气液分离器，同时在每个分离器之间安装一个或几个换热器，以逐级分离高低沸点混合工质及润滑油。但常规分离器难以提供足够的让混合工质进行传热、传质的空间接触面积和气液接触停留时间，因而难以达到高效分离的目的。针对上述技术问题，结合小型低温气体液化实验台研究经验，在系统预冷装置之后增置一个一体化的气液分离器。该设备的主要特点是把气液分离器和换热器合而为一，在实现混合工质气液分离的同时还能回收一定的冷量，因而大大简化了实验装置。本研究完成了小型低温气体液化实验台的调试和实验工作，并对分离器的效果、系统整体的热力性能等进行了实验研究。

　　2 实验装置

　　2. 1 实验流程的设计

　　小型低温气体液化装置的循环流程如图1所示。

　　混合工质通过一个全封闭油润滑压缩机压缩，经板式换热器水冷后进行油分离，在预冷板式换热器中被冷水机组冷却，进入气液分离器进行闪蒸分离。气液分离器中的液相混合工质由底部回流管引出，经节流阀减压膨胀后，进入内置于气液分离器中的冷却分凝换热器，与上升的气相混合工质进行热交换。被净化提纯后的气相混合工质从气液分离器的均流收气器逸出进入多股流换热器降温，经节流阀节流后变为低压低温两相工质，吸收高压侧工质和空气流热量，返流与气液分离器中液相混合工质回流汇合后再经气液分离器进入压缩机，形成循环。净化处理后的压缩空气被引入液化系统，在多股流换热器中被低压混合制冷剂冷却降温，转变为液态，经由液氮输送管道引入到液态气储罐中储存。