本實(shí)用新型涉及多相流分離技術(shù)領(lǐng)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(shù)：

熱力循環(huán)，如有機(jī)朗肯循環(huán)、制冷、熱泵等，是實(shí)現(xiàn)熱功轉(zhuǎn)換的主要技術(shù)手段。因此，不斷提高循環(huán)系統(tǒng)中能量傳遞和轉(zhuǎn)換的技術(shù)水平以減少損失，是實(shí)現(xiàn)我國節(jié)能減排的關(guān)鍵所在。為了提高變負(fù)荷下實(shí)際熱力系統(tǒng)的運(yùn)行效率，基于非共沸混合工質(zhì)的循環(huán)特性，采用組分調(diào)節(jié)技術(shù)，不斷改變熱力循環(huán)系統(tǒng)中組分配比，從而實(shí)現(xiàn)熱力系統(tǒng)的變負(fù)荷調(diào)節(jié)。

在非共沸混合工質(zhì)相平衡理論中，沸點(diǎn)較高的組分在氣相中的濃度小于其在液相中的濃度，沸點(diǎn)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(tǒng)的組分調(diào)節(jié)裝置氣液分離器，如分離罐，依據(jù)處于氣液相平衡的混合工質(zhì)氣相與液相的組分濃度差異實(shí)現(xiàn)熱力系統(tǒng)中組分循環(huán)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(diào)節(jié)擴(kuò)大到氣液組分濃度之外。同時(shí)，傳統(tǒng)組分調(diào)節(jié)裝置不僅體積龐大，投資高而且在熱力系統(tǒng)中的安裝、更新以及維護(hù)保養(yǎng)都不方便。

T形三通管作為流體分配的一個(gè)常用管件，早在1960年代就有文獻(xiàn)報(bào)道了當(dāng)氣液兩相流流經(jīng)T形管時(shí)，出現(xiàn)相分離的現(xiàn)象。中國專利CN200910029249.4《一種多相流分離的復(fù)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(fù)合T形管分離器》利用復(fù)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(xué)趙力教授(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形管的氣液分布不均及非共沸工質(zhì)的氣液組分不等特性，報(bào)道了利用撞擊式T形管實(shí)現(xiàn)組分連續(xù)調(diào)節(jié)的基本原理。對(duì)于單個(gè)T形管，可以實(shí)現(xiàn)工質(zhì)組分配比在氣液組分濃度間的連續(xù)調(diào)節(jié)，同時(shí)為了擴(kuò)大組分調(diào)節(jié)的范圍，本實(shí)用新型亦采用復(fù)合T形管組分調(diào)節(jié)技術(shù)，從而使撞擊式T形管組分分離技術(shù)具有大規(guī)模工業(yè)應(yīng)用的可能。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本實(shí)用新型要解決的技術(shù)問題是:本實(shí)用新型利用T形管的氣液分布不均及非共沸工質(zhì)的氣液組分不等特性，提供一種組分大范圍連續(xù)調(diào)節(jié)的撞擊式T形管調(diào)節(jié)器及調(diào)節(jié)方法，解決現(xiàn)有組分調(diào)節(jié)器只能得到混合工質(zhì)氣液組分比例的技術(shù)問題。

為了解決上述技術(shù)問題，本實(shí)用新型提出的一種用于非共沸工質(zhì)組分調(diào)節(jié)的撞擊式T形管組分調(diào)節(jié)器，由水平設(shè)置的進(jìn)口管和與所述進(jìn)口管相交連通的出口管構(gòu)成，所述出口管包括位于所述進(jìn)口管之上的上出口管段和位于所述進(jìn)口管之下的下出口管段；所述進(jìn)口管的一端是混合工質(zhì)的進(jìn)口，所述進(jìn)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(zhì)自所述進(jìn)口管后分為兩路，一路是非共沸工質(zhì)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(zhì)的氣相從所述上出口管段的上出口排出。

將上述用于非共沸工質(zhì)組分調(diào)節(jié)的撞擊式T形管組分調(diào)節(jié)器的水平方向的混合工質(zhì)的進(jìn)口與氣液混合工質(zhì)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(diào)節(jié)閥，通過所述調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)混合工質(zhì)出口的流量比例，實(shí)現(xiàn)混合工質(zhì)的組分分離。

本實(shí)用新型中，在上述用于非共沸工質(zhì)組分調(diào)節(jié)的撞擊式T形管組分調(diào)節(jié)器的基礎(chǔ)上，可以由多個(gè)T形管構(gòu)成組分調(diào)節(jié)器，包括由2個(gè)或2個(gè)以上相連的T形管構(gòu)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(zhì)的進(jìn)口相連，每個(gè)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(jìn)口管的混合工質(zhì)的進(jìn)口為調(diào)節(jié)器的混合工質(zhì)的進(jìn)口，位于最后的T形管的下出口管段的下端口為調(diào)節(jié)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(diào)節(jié)器的氣相出口；所述非共沸工質(zhì)自所述調(diào)節(jié)器的混合工質(zhì)的進(jìn)口后，每進(jìn)入一個(gè)T形管的進(jìn)口管后均分為兩路，一路是非共沸工質(zhì)的液相依次通過每個(gè)T形管的下出口后從調(diào)節(jié)器的液相出口流出，另一路是非共沸工質(zhì)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(diào)節(jié)器的氣相出口排出。

進(jìn)一步講，相鄰的兩個(gè)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(jìn)口管的連接處設(shè)有一節(jié)流閥，通過調(diào)節(jié)相鄰兩個(gè)T形管之間的節(jié)流閥實(shí)現(xiàn)組分調(diào)節(jié)的范圍。

所述調(diào)節(jié)器的液相出口連接有一水平方向的下出口管；所述調(diào)節(jié)器的氣相出口連接有一開口向上的上出口管。

本實(shí)用新型與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有結(jié)構(gòu)簡單，體積小、成本低、能實(shí)現(xiàn)組分連續(xù)調(diào)節(jié)等優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)由于是管式的設(shè)備，本實(shí)用新型可用于在線安裝完成組分分離任務(wù)，其維護(hù)，更換也更方便。

附圖說明

圖1是單個(gè)T形管構(gòu)成的組分調(diào)節(jié)器示意圖；

圖2是復(fù)合T形管構(gòu)成的組分調(diào)節(jié)器實(shí)施例1示意圖；

圖3是復(fù)合T形管構(gòu)成的組分調(diào)節(jié)器實(shí)施例2示意圖；

圖4是復(fù)合T形管構(gòu)成的組分調(diào)節(jié)器實(shí)施例3示意圖；

圖5是復(fù)合T形管構(gòu)成的組分調(diào)節(jié)器實(shí)施例4示意圖；

圖6是用于測(cè)試本實(shí)用新型裝置對(duì)混合工質(zhì)組分分離效果而進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)流程圖；

圖7是混合工質(zhì)R134a/R245fa在T形管調(diào)節(jié)器中的分離情況及效果；

圖8是非共沸工質(zhì)R134a/R245fa氣液相平衡圖。

圖中：

1-進(jìn)口 2-進(jìn)口管 3-上匯集管 4-中間連接管

5-節(jié)流管 6-下出口管 7-下出口 8-上出口

9-上出口管 10-過濾器 11-工質(zhì)泵 12-主質(zhì)量流量計(jì)

13-電加熱蒸發(fā)器 14-上出口冷凝器 15-上出口質(zhì)量流量計(jì) 16-上出口閥

17-下出口冷凝器 18-下出口質(zhì)量流量計(jì) 19-下出口閥 20-主冷凝器

21-儲(chǔ)液罐

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型技術(shù)方案作進(jìn)一步詳細(xì)描述，所描述的具體實(shí)施例僅對(duì)本實(shí)用新型進(jìn)行解釋說明，并不用以限制本實(shí)用新型。

本實(shí)用新型用于非共沸工質(zhì)組分調(diào)節(jié)的撞擊式T形管組分調(diào)節(jié)器是由單個(gè)或多個(gè)相連的T形管構(gòu)成，主要由進(jìn)口管及出口管組成，由多個(gè)相連的T形管構(gòu)成時(shí)，則還包括與每個(gè)T形管的出口管連通的上匯集管3和位于相鄰兩個(gè)T形管之間的節(jié)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(diào)節(jié)器包括一個(gè)混合工質(zhì)入口和兩個(gè)混合工質(zhì)出口，非共沸工質(zhì)氣液兩相經(jīng)水平進(jìn)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(duì)于單個(gè)T形管，其可以實(shí)現(xiàn)組分配比在氣液組分比例間的連續(xù)調(diào)節(jié)，從水平進(jìn)口管2流入的非共沸工質(zhì)，撞擊T形管后將在豎直方向上發(fā)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(zhì)流量比例可以通過分別連接在兩個(gè)出口管道上的閥門加以控制。

如圖1所示，本實(shí)用新型一種用于非共沸工質(zhì)組分調(diào)節(jié)的撞擊式T形管組分調(diào)節(jié)器，由水平設(shè)置的進(jìn)口管2和與所述進(jìn)口管2相交連通的出口管構(gòu)成，所述出口管包括位于所述進(jìn)口管2之上的上出口管段9和位于所述進(jìn)口管2之下的下出口管段6；所述進(jìn)口管2的一端是混合工質(zhì)的進(jìn)口1，所述進(jìn)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(zhì)自所述進(jìn)口管2后分為兩路，一路是非共沸工質(zhì)的液相(通常還有相對(duì)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(zhì)的氣相(通常還有相對(duì)于少量的液相)從所述上出口管段9的上出口8排出。

圖2示出的是由多個(gè)如圖1中所示的T形管構(gòu)成的用于非共沸工質(zhì)組分調(diào)節(jié)的撞擊式T形管組分調(diào)節(jié)器的實(shí)施例1，其結(jié)構(gòu)是：包括由2個(gè)或2個(gè)以上相連的T形管構(gòu)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(zhì)的進(jìn)口1相連，每個(gè)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(jìn)口管2的混合工質(zhì)的進(jìn)口1為調(diào)節(jié)器的混合工質(zhì)的進(jìn)口，位于最后的T形管的下出口管段6的下端口為調(diào)節(jié)器的液相出口，所述調(diào)節(jié)器的液相出口連接有一水平方向的下出口管；相鄰的兩個(gè)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(jìn)口管2的連接處設(shè)有一節(jié)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(diào)節(jié)器的氣相出口；所述非共沸工質(zhì)自所述調(diào)節(jié)器的混合工質(zhì)的進(jìn)口后，每進(jìn)入一個(gè)T形管的進(jìn)口管后均分為兩路，一路是非共沸工質(zhì)的液相依次通過每個(gè)T形管的下出口7后從調(diào)節(jié)器的液相出口流出，另一路是非共沸工質(zhì)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(diào)節(jié)器的氣相出口排出。每個(gè)T形管的下出口工質(zhì)都將經(jīng)節(jié)流閥節(jié)流降壓，從而改變氣液組分比例，在下一個(gè)T形管中進(jìn)一步調(diào)節(jié)組分比例。每個(gè)上出口工質(zhì)經(jīng)匯集管流出。與單個(gè)T形管相比，該復(fù)合T形管通過不斷改變氣液組分比例及不斷進(jìn)行組分分離，使其組分調(diào)節(jié)的范圍擴(kuò)大，從而使某一組分的濃度得到濃縮。

將單個(gè)T形管調(diào)節(jié)器或復(fù)合T形管調(diào)節(jié)器的水平入口與熱力系統(tǒng)中非共沸工質(zhì)氣液兩相混合物的輸送管道相連，T形管的兩個(gè)出口分別與兩條出口管道相連，并在管道上分別裝有調(diào)節(jié)流量的閥門。對(duì)于單個(gè)T形管，可以通過兩個(gè)出口管道上的閥門調(diào)節(jié)混合工質(zhì)出口的分配比例，在適當(dāng)?shù)姆峙浔壤?，使工質(zhì)發(fā)生組分分離。對(duì)于復(fù)合T形管，還可以通過調(diào)節(jié)節(jié)流管上的節(jié)流閥，改變氣液組分的比例，實(shí)現(xiàn)組分的多次分離。在一定的控制條件下，可以使非共沸工質(zhì)在本實(shí)用新型裝置內(nèi)獲得高效的分離。

圖3示出的是由多個(gè)如圖1中所示的T形管構(gòu)成的用于非共沸工質(zhì)組分調(diào)節(jié)的撞擊式T形管組分調(diào)節(jié)器的實(shí)施例2，是上述實(shí)施例1組分調(diào)節(jié)器的衍生結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)與實(shí)施例1基本相同，不同僅在于：該組分調(diào)節(jié)器的液相出口就是最后一個(gè)T形管的下出口豎直向下，便于與熱力系統(tǒng)的豎直管道相連，實(shí)施例2與實(shí)施例1的分離原理相同。

圖4示出的是由多個(gè)如圖1中所示的T形管構(gòu)成的用于非共沸工質(zhì)組分調(diào)節(jié)的撞擊式T形管組分調(diào)節(jié)器的實(shí)施例3，是上述實(shí)施例1組分調(diào)節(jié)器的衍生結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)與實(shí)施例1基本相同，不同僅在于：該組分調(diào)節(jié)器的上匯集管端口封閉，而在上匯集管上加裝一個(gè)匯集管上出口管9，以便與熱力系統(tǒng)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(shí)施例3與實(shí)施例1的分離原理相同。

圖5示出的是由多個(gè)如圖1中所示的T形管構(gòu)成的用于非共沸工質(zhì)組分調(diào)節(jié)的撞擊式T形管組分調(diào)節(jié)器的實(shí)施例4，是上述實(shí)施例3組分調(diào)節(jié)器的衍生結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)與實(shí)施例3基本相同，不同僅在于：該組分調(diào)節(jié)器的液相出口就是最后一個(gè)T形管的下出口豎直向下，便于與熱力系統(tǒng)的豎直管道相連，實(shí)施例4與實(shí)施例3的分離原理相同。

現(xiàn)在結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步詳細(xì)的說明。這些附圖均為簡化的示意圖，僅以示意方式說明本實(shí)用新型的基本結(jié)構(gòu)，因此其僅顯示與本實(shí)用新型有關(guān)的構(gòu)成。下面描述用來進(jìn)行組分分離的實(shí)驗(yàn)設(shè)備和實(shí)驗(yàn)方法。

圖6為用于測(cè)試本實(shí)用新型裝置對(duì)混合工質(zhì)組分分離效果而進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)流程圖。在儲(chǔ)液罐21中的混合工質(zhì)經(jīng)過工質(zhì)泵11加壓后，流經(jīng)質(zhì)量流量計(jì)12和加熱管道13，形成氣液混合物，進(jìn)入T形管的水平入口管，同時(shí)調(diào)節(jié)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(yōu)化，上下出口的氣液混合物分別經(jīng)冷凝器14,17冷凝成飽合液后流經(jīng)質(zhì)量流量計(jì)15,18，然后兩流體混合經(jīng)過冷凝器20，到達(dá)儲(chǔ)液罐。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中所用流量計(jì)不僅能測(cè)試混合工質(zhì)單位時(shí)間內(nèi)的質(zhì)量流量，還能測(cè)試其密度，從而根據(jù)混合工質(zhì)的物性法則推算出其組分比例。該系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可由趙力教授于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提出的組分分離效率指標(biāo)進(jìn)行評(píng)價(jià)。

采用圖1所示的單個(gè)T形管調(diào)節(jié)器進(jìn)行組分分離。以R134a/R245fa兩種工質(zhì)組成非共沸混合體系，采用單個(gè)T形管實(shí)現(xiàn)工質(zhì)組分在氣液組分比例下的連續(xù)調(diào)節(jié)，當(dāng)T形管進(jìn)出口管道直徑比為0.457，進(jìn)口工質(zhì)質(zhì)量流量為200Kgm^-2s^-1，進(jìn)口工質(zhì)組分R134a質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.3215，此時(shí)T形管下出口R134a質(zhì)量分?jǐn)?shù)及R134a與R245fa組分分離效率差隨進(jìn)口混合工質(zhì)干度的變化如圖7所示。圖7中，橫坐標(biāo)表示實(shí)驗(yàn)中T形管進(jìn)口處混合工質(zhì)的干度，左邊縱坐標(biāo)表示R134a的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，右邊縱坐標(biāo)表示R134a與R245fa組分分離效率之差，用以評(píng)價(jià)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(zhì)量分?jǐn)?shù)，虛線表示進(jìn)口工質(zhì)組分R134a的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，三角形為相應(yīng)干度的T形管下出口R134a的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，方框表示相應(yīng)干度的組分分離效率差值。由圖7可見，隨著進(jìn)口干度的增加，下出口R134a的質(zhì)量分?jǐn)?shù)逐漸減小，效率差值也從正的變?yōu)樨?fù)，表示進(jìn)口干度的增加會(huì)使下出口中R245fa的質(zhì)量分?jǐn)?shù)逐漸增大。

對(duì)于復(fù)合T形管，在一定壓力、溫度下，非共沸工質(zhì)R134a/R245fa氣液相組分比例將產(chǎn)生顯著性差異，如圖8所示。圖8中，橫坐標(biāo)表示混合工質(zhì)R134a/R245fa中工質(zhì)R134a質(zhì)量分?jǐn)?shù)，縱坐標(biāo)表示混合工質(zhì)處于相平衡時(shí)溫度，虛線表示相應(yīng)組分下的露點(diǎn)溫度，實(shí)線表示泡點(diǎn)溫度，點(diǎn)化線與兩者的交點(diǎn)分別對(duì)應(yīng)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(duì)應(yīng)的組分比例也不一樣，因此復(fù)合T形管通過節(jié)流過程改變中間下出口混合工質(zhì)的壓力溫度，從而不斷改變混合工質(zhì)氣液組分比例，并經(jīng)過多重組分分離，實(shí)現(xiàn)組分的大范圍調(diào)節(jié)。

綜上，本實(shí)用新型組分調(diào)節(jié)器利用了非共沸工質(zhì)氣液組分不等及豎直撞擊式T形三通管對(duì)兩相流動(dòng)分配不均的特性，主要由撞擊式T形管和氣液兩相節(jié)流閥構(gòu)成，使流體流動(dòng)過程中一次流過多個(gè)T形管及節(jié)流閥，從而達(dá)到組分分離的目的。對(duì)于單個(gè)T形管，可以使上下出口的組分在氣液組分之間連續(xù)調(diào)節(jié)，而對(duì)于復(fù)合T形管，通過節(jié)流閥的節(jié)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(diào)節(jié)效率顯著提高。該調(diào)節(jié)器具有結(jié)構(gòu)簡單、集約、成本低、安全、組分調(diào)節(jié)效率高以及在管路上安裝、更換、維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)。

盡管上面結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型進(jìn)行了描述，但是本實(shí)用新型并不局限于上述的具體實(shí)施方式，上述的具體實(shí)施方式僅僅是示意性的，而不是限制性的，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員在本實(shí)用新型的啟示下，在不脫離本實(shí)用新型宗旨的情況下，還可以做出很多變形，這些均屬于本實(shí)用新型的保護(hù)之內(nèi)。