一种用于非共沸工质组分调节的撞击式T形管组分调节器的制作方法

本实用新型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 of constituents of binary zeotropic mixtures in vertical impacting T-junction[J].International Journal of 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。对于单个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，本实用新型亦采用复合T形管组分调节技术，从而使撞击式T形管组分分离技术具有大规模工业应用的可能。

技术实现要素：

本实用新型要解决的技术问题是:本实用新型利用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撞击式T形管调节器及调节方法，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，本实用新型提出的一种用于非共沸工质组分调节的撞击式T形管组分调节器，由水平设置的进口管和与所述进口管相交连通的出口管构成，所述出口管包括位于所述进口管之上的上出口管段和位于所述进口管之下的下出口管段；所述进口管的一端是混合工质的进口，所述进口管的另一端与所述出口管贯通，所述上出口管段的上端口为上出口，所述下出口管段的下端口为下出口；所述非共沸工质自所述进口管后分为两路，一路是非共沸工质的液相从所述下出口管段的下出口流出，另一路是非共沸工质的气相从所述上出口管段的上出口排出。

将上述用于非共沸工质组分调节的撞击式T形管组分调节器的水平方向的混合工质的进口与气液混合工质的输送管道相连，所述上出口和下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。

本实用新型中，在上述用于非共沸工质组分调节的撞击式T形管组分调节器的基础上，可以由多个T形管构成组分调节器，包括由2个或2个以上相连的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形管的下出口和与之相连的T形管的混合工质的进口相连，每个T形管的上出口均与一上汇集管连通；位于最前的T形管的进口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形管的下出口管段的下端口为调节器的液相出口；所述汇集管的一端与位于所述T形管阵列中一端部的T形管的上出口管段的上出口连接，所述汇集管的另一端为调节器的气相出口；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形管的进口管后均分为两路，一路是非共沸工质的液相依次通过每个T形管的下出口后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上出口排放并通过上汇集管汇集后从所述调节器的气相出口排出。

进一步讲，相邻的两个T形管中，在前的T形管的下出口管段与在后的T形管的进口管的连接处设有一节流阀，通过调节相邻两个T形管之间的节流阀实现组分调节的范围。

所述调节器的液相出口连接有一水平方向的下出口管；所述调节器的气相出口连接有一开口向上的上出口管。

本实用新型与现有技术相比，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，本实用新型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是单个T形管构成的组分调节器示意图；

图2是复合T形管构成的组分调节器实施例1示意图；

图3是复合T形管构成的组分调节器实施例2示意图；

图4是复合T形管构成的组分调节器实施例3示意图；

图5是复合T形管构成的组分调节器实施例4示意图；

图6是用于测试本实用新型装置对混合工质组分分离效果而进行的实验流程图；

图7是混合工质R134a/R245fa在T形管调节器中的分离情况及效果；

图8是非共沸工质R134a/R245fa气液相平衡图。

图中：

1-进口 2-进口管 3-上汇集管 4-中间连接管

5-节流管 6-下出口管 7-下出口 8-上出口

9-上出口管 10-过滤器 11-工质泵 12-主质量流量计

13-电加热蒸发器 14-上出口冷凝器 15-上出口质量流量计 16-上出口阀

17-下出口冷凝器 18-下出口质量流量计 19-下出口阀 20-主冷凝器

21-储液罐

具体实施方式

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

本实用新型用于非共沸工质组分调节的撞击式T形管组分调节器是由单个或多个相连的T形管构成，主要由进口管及出口管组成，由多个相连的T形管构成时，则还包括与每个T形管的出口管连通的上汇集管3和位于相邻两个T形管之间的节流阀组成，各管道的直径既可以相等也可以不相等，各管道的截面形状可以是圆形管、方形管或其它截面形状的管道。组分调节器包括一个混合工质入口和两个混合工质出口，非共沸工质气液两相经水平进口管流入，重组分较多的液相从下出口管道流出，而轻组分较多的气相从上出口管道流出。对于单个T形管，其可以实现组分配比在气液组分比例间的连续调节，从水平进口管2流入的非共沸工质，撞击T形管后将在竖直方向上发生组分分离，含重组分较多的液相往下出口7流出，含轻组分较多的气相往上出口8排出。上、下出口混合工质流量比例可以通过分别连接在两个出口管道上的阀门加以控制。

如图1所示，本实用新型一种用于非共沸工质组分调节的撞击式T形管组分调节器，由水平设置的进口管2和与所述进口管2相交连通的出口管构成，所述出口管包括位于所述进口管2之上的上出口管段9和位于所述进口管2之下的下出口管段6；所述进口管2的一端是混合工质的进口1，所述进口管2的另一端与所述出口管贯通，所述上出口管段9的上端口为上出口8，所述下出口管段6的下端口为下出口7；所述非共沸工质自所述进口管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)从所述下出口管段6的下出口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)从所述上出口管段9的上出口8排出。

图2示出的是由多个如图1中所示的T形管构成的用于非共沸工质组分调节的撞击式T形管组分调节器的实施例1，其结构是：包括由2个或2个以上相连的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形管的下出口7和与之相连的T形管的混合工质的进口1相连，每个T形管的上出口8均与一上汇集管3连通；位于最前的T形管的进口管2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形管的下出口管段6的下端口为调节器的液相出口，所述调节器的液相出口连接有一水平方向的下出口管；相邻的两个T形管中，在前的T形管的下出口管段6与在后的T形管的进口管2的连接处设有一节流阀5。所述汇集管3的一端与位于所述T形管阵列中一端部的T形管的上出口管段的上出口8连接，所述汇集管3的另一端为调节器的气相出口；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形管的进口管后均分为两路，一路是非共沸工质的液相依次通过每个T形管的下出口7后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上出口8排放并通过上汇集管3汇集后从所述调节器的气相出口排出。每个T形管的下出口工质都将经节流阀节流降压，从而改变气液组分比例，在下一个T形管中进一步调节组分比例。每个上出口工质经汇集管流出。与单个T形管相比，该复合T形管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。

将单个T形管调节器或复合T形管调节器的水平入口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，T形管的两个出口分别与两条出口管道相连，并在管道上分别装有调节流量的阀门。对于单个T形管，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。对于复合T形管，还可以通过调节节流管上的节流阀，改变气液组分的比例，实现组分的多次分离。在一定的控制条件下，可以使非共沸工质在本实用新型装置内获得高效的分离。

图3示出的是由多个如图1中所示的T形管构成的用于非共沸工质组分调节的撞击式T形管组分调节器的实施例2，是上述实施例1组分调节器的衍生结构，其结构与实施例1基本相同，不同仅在于：该组分调节器的液相出口就是最后一个T形管的下出口竖直向下，便于与热力系统的竖直管道相连，实施例2与实施例1的分离原理相同。

图4示出的是由多个如图1中所示的T形管构成的用于非共沸工质组分调节的撞击式T形管组分调节器的实施例3，是上述实施例1组分调节器的衍生结构，其结构与实施例1基本相同，不同仅在于：该组分调节器的上汇集管端口封闭，而在上汇集管上加装一个汇集管上出口管9，以便与热力系统的竖直管道相连，其位置可以安装在上汇集管上的任何位置，实施例3与实施例1的分离原理相同。

图5示出的是由多个如图1中所示的T形管构成的用于非共沸工质组分调节的撞击式T形管组分调节器的实施例4，是上述实施例3组分调节器的衍生结构，其结构与实施例3基本相同，不同仅在于：该组分调节器的液相出口就是最后一个T形管的下出口竖直向下，便于与热力系统的竖直管道相连，实施例4与实施例3的分离原理相同。

现在结合附图对本实用新型作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本实用新型的基本结构，因此其仅显示与本实用新型有关的构成。下面描述用来进行组分分离的实验设备和实验方法。

图6为用于测试本实用新型装置对混合工质组分分离效果而进行的实验流程图。在储液罐21中的混合工质经过工质泵11加压后，流经质量流量计12和加热管道13，形成气液混合物，进入T形管的水平入口管，同时调节T形管上下出口的阀门16,19，控制两出口的流量分配比例，使T形管的组分分离效率优化，上下出口的气液混合物分别经冷凝器14,17冷凝成饱合液后流经质量流量计15,18，然后两流体混合经过冷凝器20，到达储液罐。实验系统中所用流量计不仅能测试混合工质单位时间内的质量流量，还能测试其密度，从而根据混合工质的物性法则推算出其组分比例。该系统的实验数据可由赵力教授于2016年Zheng N,Hwang Y b,Zhao L,Deng S.Experimental study on the distribution of constituents of binary zeotropic mixtures in vertical impacting T-junction[J].International Journal of Heat and Mass Transfer,97(1),242-252提出的组分分离效率指标进行评价。

采用图1所示的单个T形管调节器进行组分分离。以R134a/R245fa两种工质组成非共沸混合体系，采用单个T形管实现工质组分在气液组分比例下的连续调节，当T形管进出口管道直径比为0.457，进口工质质量流量为200Kgm^-2s^-1，进口工质组分R134a质量分数为0.3215，此时T形管下出口R134a质量分数及R134a与R245fa组分分离效率差随进口混合工质干度的变化如图7所示。图7中，横坐标表示实验中T形管进口处混合工质的干度，左边纵坐标表示R134a的质量分数，右边纵坐标表示R134a与R245fa组分分离效率之差，用以评价T形管的组分分离效果。斜线为不同干度下气液相组分R134a的质量分数，虚线表示进口工质组分R134a的质量分数，三角形为相应干度的T形管下出口R134a的质量分数，方框表示相应干度的组分分离效率差值。由图7可见，随着进口干度的增加，下出口R134a的质量分数逐渐减小，效率差值也从正的变为负，表示进口干度的增加会使下出口中R245fa的质量分数逐渐增大。

对于复合T形管，在一定压力、温度下，非共沸工质R134a/R245fa气液相组分比例将产生显著性差异，如图8所示。图8中，横坐标表示混合工质R134a/R245fa中工质R134a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形管通过节流过程改变中间下出口混合工质的压力温度，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。

综上，本实用新型组分调节器利用了非共沸工质气液组分不等及竖直撞击式T形三通管对两相流动分配不均的特性，主要由撞击式T形管和气液两相节流阀构成，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，可以使上下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，不断改变混合物气液组分的比例，使得其组分变化的范围更大，调节效率显著提高。该调节器具有结构简单、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。

尽管上面结合附图对本实用新型进行了描述，但是本实用新型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实用新型的启示下，在不脱离本实用新型宗旨的情况下，还可以做出很多变形，这些均属于本实用新型的保护之内。