一种大型高g值离心机的高效节能控温方法和装置
阅读说明：本技术 一种大型高g值离心机的高效节能控温方法和装置 (Efficient energy-saving temperature control method and device for large-scale high-G-value centrifugal machine ) 是由 楼韧 楼寿林 王雨瑶 许锦辉 姚泽龙 冯再南 于 2021-02-25 设计创作，主要内容包括：本发明提供了一种大型高G值离心机的高效节能控温方法,利用离心室内的气体在离心机转动时在机室壁产生高于机舱中心的压力差,在压力差下气体进入换热室,流经高效换热器被吸热降温,再回流到离心室循环降温实现控制安全工作温度.本发明方法利用离心静压差代风机,节省功电能耗,常压取代真空,免真空密封大容器密封难题.本发明还提供了适用于上述方法的大型高G值离心机装置,所述的离心机装置内包括离心室和换热室,所述的换热室内设置一台或多台对来自离心室的热气进行降温的换热器.本发明装置采用微通道换热分散小型化,易检易修安全可靠,实现高效节能、安全可靠、经济可行的大型超重力离心机控温。(The invention provides a high-efficiency energy-saving temperature control method of a large-scale high-G value centrifuge, which utilizes the pressure difference generated by the gas in a centrifugal chamber on the wall of the chamber when the centrifuge rotates to be higher than the center of the chamber, the gas enters a heat exchange chamber under the pressure difference, is absorbed by heat and cooled by a high-efficiency heat exchanger and then flows back to the centrifugal chamber to circularly cool so as to control the safe working temperature Safe, reliable, economical and feasible temperature control of the large-scale supergravity centrifugal machine.)
技术领域
本发明涉及离心机设备技术领域，特别是一种大容量高G值模拟试验离心机，有关国家岩土、土木、航天、海洋工程项目和石化工程中模拟试验，超重力分离、传质和反应强化技术及新材料开发等工业应用，尤其是稳态加速度模拟试验设备离心机，涉及离心机模拟试验装置中高效节能和控制温度，确保安全和试验结果正确性问题.
背景技术
超重力离心机技术发展于上世纪七十年代，我国先后经过与国外合作跟踪、创新并举，已建成投运多套大中型离心机模拟试验装置.
随着离心机容量的增加，这些巨大离心机在离心机腔体内高速运转产生很大的阻力和热量，为确保设备的安全运行和试验的正确，各国研究部门为此专门对超重力离心机温控系统技术研究，对超重力离心机同时进行CFD流场模拟计算和利用现有机组和设计制造模拟装置进行气冷和液冷冷却实践试验，取得了一系列成果，为更大容量超重力项目打下基础.国内外已建成投运200多套大中型装置，目前国家批准浙大建立国际上容量最大的超重力离心模拟与实验装置(1900g.T)，离心加速度达1500g.
超重力离心机随着离心加速度和容重的提高，试验中所产生的风阻功率大幅增加，例如我国工程物理研究院认为风阻功率Nw＝ρc(1-α)2ω3ψ/2(式中ρ为空气密度，ω为吊篮转速)(郑传祥等，装备环境工程，第17卷第3期2020年3 月)，这与现有国内外各研究单位的意见风阻功率基本一致.由于试验要求须在基本为室温40℃下进行，现有国内外离心机组移去风阻功率解决离心机超温的移热冷却主要用空气冷却法，对于中小型装置这是成功有效的，最常用的为强制空气冷却方式，即在离心机室设置空气进出口，将热量由空气自然通风带出，但是对较大型离心机就成问题，由于采用常压下通风所需的通风管道很大，如日本PWR1土工机，仅排风就需2个直径4.4M通风管，不仅外部設备投资大，而且空气进出机室又会带来较大扰动，影响离心机高速运行的稳定性.由于随着离心机大型化高G值，使风阻功率加大，离心机舱在高速超重力加速实验下，首先必须确保离心机舱结构合理，强度足够安全可靠，严格控制温度.如果超温会导致采集测试系统和控制系统部分关键元件失效，这将影响试验结果数据准确性，而控制系统将引发设备运行失控，后果不堪想象.中国工程物理研究院在专利CN111389601中提及“现有离心机室环境控温方式单一，现有离心机转臂与空气摩擦产生的热量，通常采用自然通风的方式，具体作法是在机室天花板或者地板上开设进风孔或者排风孔.该种方式对于低转速的土工离心机效果较为明显，但当土工离心机转速较高时，摩擦产生的热量会大幅提高，自然通风的方式往往难以控制机室内的温升.此外，空气进出机室会带来较大扰动，影响土工离心机转臂在高速运行时的稳定性.目前，已交付使用的土工离心的转速均较低，能提供的离心加速度值也较低，最大350g，缩尺效应不显著，随着社会的发展和技术进步，人类急需对污染物地下长历时迁移、油气成藏、地质构造演变、新材料高通量制备等诸多具有长时间跨度特征的重大问题开展研究. 因此，迫切需要研制具有更高离心加速度的土工离心机，该专利提出达到2000g 离心加速度目标”.对于我国快速发展民用经济和国防建设，以及和国际高科技竞争，需要我们面对这一高新技术领域的挑战和问题，增强信念，找出突破口，发明温控新方法，争取站在实现更高容量、更大离心力离心模拟技术的世界前沿.
中国工程物理研究院对国内多台已建成、在建的离心机作过离心机室内静压云、速度云、温度云CFD模拟，例如对TLT-1000G离心机CFD室内空气压力云分析文章中，机室内壁静压高达106300Pa，比常压值增量高达4975Pa，而机室中心为-93310Pa(见尹益辉等“稳定运行时转臂式离心机机室内的气压和自然排风分析”绵阳师范学院学报，2018年11月，1-6，”一文).
发明内容
为解决现有技术不足，本发明提供了一种根据离心机运行的特征和规律，利用所产生的静压力差，采用高效换热器，实现高效节能、安全可靠、经济可行的大型超重力离心机控温方法和装置.
一种大型高G值离心机的高效节能控温方法，离心机模拟试验时，离心机内转臂带吊篮高速旋转带动空气与机舱壁摩擦产生高热升高温度，引起超过离心试验设计温度的高温tH，本发明采用密闭离心机内气体在离心机转动下产生的压力差进行内循环换热控温的方法，所述的离心机内分为离心室和换热室，所述的离心室和换热室之间设有隔板，所述的隔板上靠室壁的位置设有供气体从离心室进换热室的进气孔，所述的隔板中心有供气体从换热室回离心室的回风孔，所述的进气孔的斜开孔方向与离心机转臂转动方向一致，离心室内的气体在离心机转动时在机室壁产生高于机舱中心的压力差，在压力差下气体进入换热室中，所述的换热室中设有换热器，气体流经换热器被换热管内冷却剂吸热降到低温，再回流到离心室内试验后，再次到换热室进行循环降温达到控制安全工作温度.
在离心机稳定运行时机室内气体是环向速度，故离心室隔板到换热室进气孔为斜开孔，开孔方向按离心机旋转相同方向.
通过调节所述的进气孔和回风孔的数目、直径大小使通过换热器的气体速度为1～10m/s·m2.离心室内靠舱壁的高温气体经隔板上靠近室侧壁的进气孔流到换热室，在换热室内由外到内向心经微通道换热器被换热管内的制冷剂吸热冷却降温到，再经靠近转轴中心的回风孔回到离心室，按此循环进行，达到离心机模拟试验设计的温度要求.所述的换热器优选为微通道换热器.
本发明还提供了一种适用于上述控温方法的大型高G值离心机装置，所述的离心机内设有中心转轴、转臂，以及转臂端部吊挂的试验吊篮或平衡件，所述的离心机装置内包括离心室和换热室，所述的换热室设于离心室上方或下方，所述的离心室和换热室之间设有带回风孔和进气孔的隔板，所述的进气孔位于隔板上靠近室壁处，供气体从离心室进换热室，所述的进气孔按等分夹角、偶数数量对称布置；所述的回风孔位于隔板上靠近转轴中心处，供气体从换热室回离心室；当所述的换热室在离心室下方时，所述的回风孔为环形孔，当所述的换热室在离心室上方时，所述的回风孔为圆孔；所述的换热室内设置一台或多台对来自离心室的热气进行降温的换热器.
作为一种优选，所述的一台或多台换热器为采用微通道扃管的翅片式热交换器，简称微通道换热器.所述的的微通道换热器可以是单层，也可以是多层.
作为一种优选，所述的多台微通道换热器在换热室内排列成一圈或多圈封闭圆环形.
作为一种优选，所述的多台微通道换热器为带隔气板的叶轮形微通道换热器，所述的叶轮形微通道换热器的远中心端的制冷剂分流管与隔气板封闭，近中心端的制冷剂集流管与隔气板之间的开口连通隔板上的回风孔.进入换热室的热气穿过所述的叶轮形微通道换热器管面，经叶轮形微通道换热器与隔气板之间的通道进回风孔返回离心室.
作为一种优选，将所述的多台微通道换热器对弯成U形后在换热室圆截面上按90度或45度或22.5度夹角分为4个或8个或16个等面积区域均匀布置，所述的微通道换热器的U形端与所述的回风孔相通.
作为一种优选，所述的微通道换热器为多台S形微通道换热器在换热室内排列为封闭波浪圆形圈.
作为一种优选，所述的换热室的直径≤离心室的直径.
当换热室内换热面积少或换热室内另有设备占用时，换热器与其他设备必须单独分开隔离，使热气全部经换热器换热.
与现有技术比有益效果：
采用离心机密闭运行，用离心机运转产生的离心力，离心机近机舱壁高于离心机中心处的压力差，设计机舱内部换热单元的小管径翅片换热管，特别是微通道换热器，用高效换热器换热管内制冷剂或载冷剂以管壁和翅片冷却管间离心机气体介质，具有如下良好效果：
1、实现提高超重力，达到高倍比相似律模拟好水平.
2、高效换热器、高比换热面M2/M3、高传热效率kw/M2.℃、设备轻量化.
3换热单元由离心机外部改在内部，节省投资，因常压下空气密度小，对开空气进出气外部换热管道设备大，改在内部大幅节省设备投资.
4、用离心静压差代风机，节省功电能耗，、常压取代真空，免真空密封大容器密封难题.节能降耗，离心机内换热降低气体在离心机外热量损失和输送功率.
5、微通道换热分散小型化，易检易修安全可靠，比离心机壁双层板式换热只有内壁换热，外壁不起换热作用，成倍提高效果.
附图说明
图1是换热室中按同心圆周布置多台微通道换热器的离心机装置示意图.
图2是图1中换热室的A-A横截面示意图.
图3是换热室中用叶轮形微通道换热器的离心机装置示意图.
图4是图3中换热室的横截面示意图.
图5是换热室中用多个有U形弯头微通道换热器的离心机装置示意图.
图6是图5中换热室的A-A横截面示意图.
图7是换热室中用多个波浪形微通道换热器的离心机装置示意图.
图8是图7中换热室的A-A横截面示意图.
图9是换热室直径小于离心室直径的离心机装置示意图.
附图标记说明
1-机室壁 2-隔板 3-换热器 4-转轴
5-吊篮 6-水平转臂 7-离心室 8-盖板
9-换热室 10-进气孔 11-回风孔 12-制冷剂分流管
13-制冷剂集流管 14-隔气板 15-制冷剂进口管 16-制冷剂回液管
17-真空泵 18-干燥器 19-风机
具体实施方式
以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明，即所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例.通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的设备和管道可以以各种不同的配置来布置和设计.说明书附图 1、附图2和附图3只是主要设备管线连接示意图.图中如温度、压力组成流量测量仪，在图上不一一表示，离心机筒体侧面不同高度，气体冷却换热器进出口、风机进出口等位置，根据需要设置相应仪表.
基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围.
实施例1热气向心经下部换热器内圆周布置微通道换热器冷却控温示意图
图1为本发明的大型高G值离心机机舱冷却控温装置简图.图1中主要有盖板8和机室壁1构成的机舱，机舱内上下分为离心室7和换热室9，所述的离心室7和换热室9之间设有隔板2，所述的隔板2上设有进气孔10，所述的进气孔的斜开孔方向与离心机转臂转动方向一致，所述的离心室7的中心有由底部电机带动上部装有二端悬挂试验吊篮5的水平转臂6，所述的水平转臂6高速旋转与离心室7中的气体摩擦发热产生风阻功率，离心机舱内机室壁和机舱中心之间产生静压差，风阻功率随机舱气体密度ρ、吊篮转速w、离心加速度g、负荷容量而加大，离心机舱内机室壁和机舱中心的静压差也加大，设置有实时监测离心试验中各气体组成、温度、压力、流量各参数的诸多电子电器仪表，当试验机舱温度超过设计工作温度时，模似试验安全性和正确精度则受到影响，难以成功完成试验.
现用一台拟建的高速超重力离心机为例说明，该离心机直径9米，转速668 转/分，经专业工程物理研究单位CFD分析计算，在1500g重力加速度，常压下离心室内壁静压为35.8KPa，中心为-3.35Kpa，横截面温度云离心室中心为258K (15℃)，室内壁为358K(即85℃).常压1500g下风阻功率5317KW，在采用离心机室壁双层夹套换热面117M2下用-15℃/-10℃乙二醇冷却，移热冷冻量 2326KW，达不到控制40℃设计温度.现采用如附图1和附图2所示的多台微通道换热器前后连接组成封闭型圆周形，用来自制冷系统R507A制冷剂分流并联进入各台微通道换热器分流管，进一步分流到水平排列的微通道换热扃管各个水力直径小于3mm孔道内蒸发汽化换热后流到集流管返回制冷机，图1中上部来自离心室的40℃热气经隔板2上的进气孔10向下流人换热室9，从室壁和换热器之间以1.5M/s·m2风速向心穿过微通道换热扃管和管间翅片，被微通道换热扃管内R507A制冷剂在0.62MPa压力下汽化吸热，被冷却成16℃的常压冷空气，气体经过换热器压降51Pa，降温到16℃的冷气汇集经隔板2中央环形的回风孔 11返回离心室继续进行循环.
图1中离心机不采用离心室壁冷却，故为单层圆筒体，筒身上设置侧门用于安装设备和人员出入(图中未表示)，图中真空泵用于设备完工后，密封盖板进行抽真空设备气密性试验，离心模拟试验时空气相对湿度过高时，试验开始送离心机空气需先经干燥器，例如用分子筛吸收空气中水分，本实施例空气相对湿度为10％.
实施例2采用叶轮叶片形状微通道换热器的离心机温控装置
图3与图1一样是离心室隔板下部用微通道换热器的离心机温控装置，上部离心室7、隔板2及附件设备与图1一样，但图中与图1中下部换热室用多台微通道换热器前后相连构成圆周形大换热面积换热器不同，而是采用多台在横截面上按等分圆角布置的叶轮形微通道换热器，如图4所示，所述的叶轮形微通道换热器的远中心端的制冷剂分流管12与隔气板14封闭，近中心端的制冷剂集流管13与隔气板14之间的开口连通隔板2上的回风孔11.制冷制进入微通道换热器的近中心段的制冷剂分流管12，分流人各条水平换热扃管多个水力直径小于3mm孔道内流到近中心端的制冷剂集流管13中.由离心室7内经隔板2上的进气孔10进换热室9的40℃热气，周向分流以2.5M/s·m2风速水平方向穿过微通道换热管面，R507A制冷剂在换热扁管中流道内在0.626MPa压力下汽化，吸收管外热空气热量，连同翅片冷却热空气由40℃冷却到19.8℃，空气经换热器压降110Pa，19.8℃冷空气经制冷剂集流管13和隔气板14末端间的通道进回风孔11返回上部离心室，进行离心机气体离心旋转时发热，热气经隔板 2靠室壁进气孔10向下流入换热室9内，向心流人叶轮形微通道换热器降温交替循环进行.本实施例中微通道换热面从换热室圆截面由外到内连续布置，换热室面积空间利用充分，且风速提高，多因素提高了换热效率，单位面积换热功率提高到58KW/m2，用于例1风阻功率5317KW，只需92M2换热面积就能达到常压下温度控制40℃要求.
实施例3离心机上部为换热室、装多台U形微管通道换热器
上述实施例1、2换热室均设置于离心室下面，适用于离心室顶部开吊装口情况，对顶部不设吊装口情况也可采用将换热室9设在离心室7上部，如图5 所示，将换热室9设置于离心室7上面.如图6所示，将所述的多台微通道换热器分别对弯成U形、在换热室圆截面上按22.5度夹角分为16个等面积区域均匀布置，所述的微通道换热器的U形端与所述的回风孔10相通，相邻两台微通道换热器的制冷剂分流管12和制冷剂集流管13之间封闭.离心室7内的40℃热气通过隔板2上的进气孔10向上流入换热室9，周向分流以3.0M/s·m2风速水平方向穿过微通道换热管面，R134A制冷剂在换热扃管中流道内在0.4MPa压力下汽化，吸收管外热空气热量，连同翅片冷却热空气由40℃冷却到24℃，气体经换热器压降120Pa，24℃冷空气经圆形的回风孔11向下流返回下部离心室7，进行离心室升温、换热室降温交替循环换热.所述的U形微管通道换热器由制冷剂分流管12、制冷剂集流管13和多根微通道扁管的翅片管组成，铝材扁管垂直插入制冷剂分流管12和制冷剂集流管13内，并通过焊接固定.微管通道换热器比不锈钢微管具有更加紧凑的结构和换热系数.故所占空间和换热面可更小，本申请专利主要用离心机转动产生近室壁处和室中心压力差形成穿过换热器管束和翅片的风力，一般无需配风机，但必要时也可配置风机、风扇吹风加强冷却效果.
实施例4采用波浪形状微通道换热器的离心机装置
图7、图8与图1一样是离心室隔板下部用微通道换热器的离心机装置，上部离心室7、隔板2及附件设备与图1一样，如图8所示，下部换热室9采用多台S形微通道换热器排列为封闭波浪圆形圈，来自离心室的40℃热气经隔板2 上的进气孔10向下流入换热室9，从室壁和换热器之间以1.5M/s·m2风速向心穿过微通道换热扁管和管间翅片，被微通道换热扃管内R507A制冷剂汽化吸热，被冷却后的常压冷空气汇集经隔板2中央环形的回风孔11返回离心室继续进行循环.
如图9所示，所述的离心机装置也可以根据情况设计为换热室的直径≤离心室的直径.
以上实施例计算中均按进微通道换热器热气按40℃计算，实际离心模拟试验中可根据当时环境温度进行调整在＜40℃，实施例1换热器可为一个大环形圈换热器组，也可以是多个同心圆换热器组.
据历年气象资料，如果离心机建设地春冬季气温多在5℃，若平均水温＜5℃这种情况，微通道管内可直接用天然水或循环水。
- 上一篇：一种医用注射器针头装配设备
- 下一篇：卧式螺旋卸料沉降离心机