劉朝明，羅 輝

·應(yīng)用技術(shù)·

空調(diào)檢漏氦氣提純循環(huán)利用系統(tǒng)的研究

劉朝明1,2，羅 輝1,2

(1.中國電子科技集團(tuán) 第十六研究所，合肥 230043；2.安徽萬瑞冷電科技有限公司,合肥 230088)

針對空調(diào)行業(yè)氦氣檢漏過程存在氦氣浪費(fèi)大的現(xiàn)象研究出一種氦氣提純循環(huán)利用系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用膜分離技術(shù)將空調(diào)檢漏系統(tǒng)排放的廢氦氣進(jìn)行回收提純，并循環(huán)供給低壓罐以供給空調(diào)檢漏系統(tǒng)使用，從而有效減少生產(chǎn)過程中對于氦氣的消耗量。

氦氣；膜分離；提純；循環(huán)利用

1 前 言

氦氣是所有氣體中最難液化的氣體，化學(xué)性質(zhì)非常不活潑，一般狀態(tài)下很難和其他物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)。且具有滲透性好、不可燃的特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于真空檢漏行業(yè)中。

空調(diào)裝配過程要對焊接點(diǎn)等易泄漏部位進(jìn)行檢漏工作。氦質(zhì)譜檢漏法是檢驗(yàn)結(jié)果相對可靠、靈敏度高的檢驗(yàn)方法，被國內(nèi)外空調(diào)生產(chǎn)廠家廣泛應(yīng)用。為了提高氦氣的使用效率，檢漏設(shè)備都配有對氦氣的回收設(shè)備，將檢漏腔中的氦氣回收后循環(huán)使用。循環(huán)過程中，氦氣的純度逐漸降低。當(dāng)氦氣純度降低到80%以下，檢漏儀的靈敏度將會受到影響，檢漏結(jié)果的可靠性大大降低。此時，為避免氦氣純度對檢漏準(zhǔn)確性造成影響，廠家將一部分低純度(純度約為80%)氦氣排放并用高純度氦氣對其進(jìn)行補(bǔ)充，以保證檢漏過程氦氣的濃度。

但是，氦氣是一種不可再生的稀缺性戰(zhàn)略資源，大量排空低純度氦氣造成資源大量浪費(fèi)。同時伴隨我工業(yè)生產(chǎn)的迅猛發(fā)展，氦氣的需求量越來越大。因此，對氦氣的循環(huán)利用問題的解決刻不容緩。

2 檢漏氦氣提純循環(huán)利用系統(tǒng)研究

氦氣提純方法很多，可以通過低溫法、高壓低溫冷凝吸附法等進(jìn)行。其中，低溫法采用低溫制冷機(jī)或液氮制冷劑冷凍分離其中的氮?dú)夂脱鯕獾入s質(zhì)以獲得較高純度氦氣，純度可以達(dá)到99.9995%。但是分離過程需要不斷提供冷源，能耗高，且設(shè)備的體積較大；高壓低溫冷凝吸附法原理是在高壓(10～20 MPa)、低溫(77 K)下先進(jìn)行冷凝，分離出其中的液態(tài)空氣，然后再通過低溫吸附劑除去剩余雜質(zhì)。但是分離過程要在高壓的條件下完成，當(dāng)純化量較少的時候消耗相對較大。

2.1 膜分離技術(shù)介紹

根據(jù)空調(diào)檢漏設(shè)備運(yùn)行的特點(diǎn)，本文介紹了一種回收純化循環(huán)利用系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用膜分離法對廢氦氣進(jìn)行分離提純。膜分離法是以膜兩側(cè)氣體的分壓差為推動力，混合氣體中各組分在壓力的推動下透過膜的滲透速率不同，經(jīng)溶解、擴(kuò)散、滲透、脫附等步驟，產(chǎn)生組分間傳遞速率的差異來實(shí)現(xiàn)分離的目的。圖1為混合氣體中各組分透過膜快慢速度示意圖。

空調(diào)檢漏氦氣提純循環(huán)利用系統(tǒng)采用該方法主要原因如下：首先膜分離法可在常溫低壓的條件下操作，避免了傳統(tǒng)分離過程中低溫、高壓等分離方法對分離條件的要求，操作簡單，且系統(tǒng)占地面積大大減小，滿足了工廠對于場地方面的限制；其次，分離過程所需能耗低，可以達(dá)到系統(tǒng)節(jié)能降耗的目的；再次，分離過程無需采用運(yùn)動組件，提高了整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性，減少系統(tǒng)故障率；且空調(diào)檢漏過程中對氦氣的純度要求不高，80%以上純度的氦氣都可以使用，膜分離法完全可以達(dá)到分離要求。

圖1 混合氣體中各組分透過膜的快慢速度示意圖Fig.1 Permeation speed of familiar gas in the film

2.2 檢漏氦氣提純循環(huán)利用系統(tǒng)的流程介紹

檢漏氦氣提純循環(huán)利用系統(tǒng)將空調(diào)檢漏系統(tǒng)高壓罐排放的純度為70%左右的廢氦氣進(jìn)行回收并提純，當(dāng)純度到達(dá)95%以上時，循環(huán)供給低壓罐以供給空調(diào)檢漏系統(tǒng)使用，從而有效減少生產(chǎn)過程中對于氦氣的消耗量。

圖2 檢漏氦氣提純循環(huán)利用系統(tǒng)Fig.2 The Helium circulation system

系統(tǒng)由4個單元組成：廢氦氣回收過濾單元、提純單元、供氣單元和控制單元。整個系統(tǒng)由PLC控制，操作簡單，性能穩(wěn)定。系統(tǒng)的處理量在0～40 L/min，當(dāng)進(jìn)氣儲氣罐壓力到達(dá)設(shè)定值時，系統(tǒng)自動運(yùn)行；當(dāng)進(jìn)氣儲氣罐壓力降低到設(shè)定值以下時，系統(tǒng)自動進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)，系統(tǒng)工藝流程如圖2所示。

2.2.1 廢氦氣過濾回收單元

廢氦氣過濾回收單元是將檢漏設(shè)備高壓罐中準(zhǔn)備排空的氦氣通過排氣裝置排入氦氣提純循環(huán)利用系統(tǒng)中進(jìn)行收集。系統(tǒng)采用自動排氣裝置，減少了過程中的人工操作工作量，且具有更加高效性、準(zhǔn)確性。由于空調(diào)檢漏系統(tǒng)中油水的存在將會減少膜分離單元的使用壽命，因此，在膜分離系統(tǒng)前增加了濾油器、過濾器以及冷干機(jī)除去廢氦氣帶入的雜質(zhì)，延長膜分系統(tǒng)使用壽命。

2.2.2 膜分離單元

膜分離單元是檢漏氦氣提純循環(huán)利用系統(tǒng)的關(guān)鍵單元，由于膜承壓受限，膜前加置減壓閥，提高膜的使用周期。對一級膜分離效果進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，其中，供氣純度、進(jìn)氣純度、尾氣純度均由純度儀測量得出，系統(tǒng)回收率根據(jù)進(jìn)出系統(tǒng)氣體中氦氣的分量進(jìn)行計算得出。

回收率=[Y供×(Y進(jìn)-Y尾)]/[Y進(jìn)×(Y供-Y尾)]

式中，Y供表示供氣純度；Y進(jìn)表示進(jìn)氣純度；Y尾表示尾氣純度。

當(dāng)進(jìn)氣純度相同，進(jìn)氣壓力不同時，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 純度相同時膜分離效果Table 1 The separation effect of membrane under the same purity

由以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知：空調(diào)檢漏系統(tǒng)排放的廢氦氣通過調(diào)節(jié)系統(tǒng)狀態(tài)，控制尾氣的大小，一級膜分離單元即可滿足供氣純度要求95%以上，回收率達(dá)到90%以上的供氣要求。

當(dāng)進(jìn)氣純度不同，進(jìn)氣壓力相同(0.3 MPa)，尾氣中氦氣純度控制在7%左右時，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 進(jìn)氣壓力相同時膜分離效果Table 2 The separation effect of membrane under the same intake pressure

由以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知：進(jìn)氣純度增加，供氣純度也會相應(yīng)增加，但增加幅度不大；統(tǒng)一供氣純度為96%左右時，對于空調(diào)檢漏系統(tǒng)排放的80%以下的廢氦氣隨著進(jìn)氣純度的增加，系統(tǒng)的回收率呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢。

由上可知檢漏氦氣提純循環(huán)利用系統(tǒng)采用一級膜即可以完成空調(diào)檢漏排放的廢氦氣的提純工作，純度、回收率均可滿足要求，且檢漏系統(tǒng)規(guī)律、及時的排氣可以有效的增加氣體的回收率。

2.2.3 供氣單元

經(jīng)提純單元提純后的氦氣在壓力驅(qū)動下補(bǔ)充入檢漏系統(tǒng)的低壓儲氣罐，再由配氣系統(tǒng)中自帶壓縮機(jī)加壓充入高壓罐以作循環(huán)使用。為滿足系統(tǒng)的流量需求，在膜分離單元后增加增壓泵。由于低壓罐內(nèi)含有大量油水，為防止檢漏系統(tǒng)低壓罐內(nèi)油水反流進(jìn)入純化系統(tǒng)內(nèi)污染膜分系統(tǒng)，在增壓泵后增加過濾器，保證檢漏氦氣提純循環(huán)利用系統(tǒng)的潔凈。

2.2.4 控制單元

檢漏氦氣提純循環(huán)利用系統(tǒng)采用“一鍵開啟”，系統(tǒng)啟、停機(jī)均為自動控制。當(dāng)儲氣罐壓力達(dá)到設(shè)定壓力時，純化系統(tǒng)進(jìn)入工作狀態(tài)；當(dāng)儲氣罐壓力低于設(shè)定值時，純化系統(tǒng)進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)。系統(tǒng)通過PLC屏幕實(shí)時監(jiān)測系統(tǒng)的進(jìn)口壓力、出口壓力、瞬時流量、累計流量以及設(shè)備內(nèi)部主要工作器件的工作狀態(tài)，能夠及時有效地掌握系統(tǒng)的運(yùn)行情況。

2.3 檢漏氦氣提純循環(huán)利用系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)

廢氦氣純度：60%～80%氦氣；系統(tǒng)工作溫度：常溫；供氣壓力：約0.1～0.3 MPa；供氣流量：0～40 L/min；He供氣純度：≥95%；回收率：≥80%。

圖3 檢漏氦氣提純循環(huán)利用系統(tǒng)樣機(jī)Fig.3 The sample of the equipment on helium circulation system

檢漏氦氣提純循環(huán)利用系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)全自動運(yùn)行，可24 h不間斷運(yùn)行，無需人工干預(yù)，大大減少了生產(chǎn)過程中人力消耗。樣機(jī)如圖3所示，尺寸為：750 mm×600 mm×1400 mm，設(shè)備占地面積小。

3 結(jié)束語

本文通過運(yùn)用膜分離技術(shù)設(shè)計出一種檢漏氦氣提純循環(huán)利用系統(tǒng)，該系統(tǒng)啟停均采用自動控制，無需人為操作，工作性能穩(wěn)定，使用簡單；且低能耗，回收率高，占地面積小。解決了中低壓條件下90%以上氦氣提純難度大的技術(shù)瓶頸，實(shí)現(xiàn)了空調(diào)檢漏行業(yè)中線式氦氣回收提純技術(shù)的應(yīng)用。目前，該系統(tǒng)已在多個空調(diào)生產(chǎn)廠家得到運(yùn)用，取得良好的運(yùn)行效果。

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劉朝明，女，中國電子科技集團(tuán)第十六研究所，主要從事工業(yè)氦氣循環(huán)利用裝備的研發(fā)與應(yīng)用。

Research on the Helium Circulation System of Air Conditioning

LIU Zhaoming1,2,LUO Hui1,2

(1.The 16th Research Institute of China Electronics Technology Group Corporation,Hefei 230043,China; 2.Anhui Vacree Technologies Co.,Ltd.,Hefei 230088,China)

In order to solve the helium waste problem existed in helium leak detection process in the air conditioning industry,a kind of helium purification recycling system was developed in this article.The membrane separation technology was used in the system to recycle and purify the wasted helium.The purified helium was supplied to low pressure tank to supply air conditioning use leak detection system.The consumption of helium can be effectively reduced.

helium; membrane separation; purification; recycling

2017-07-06

TQ117

A

1007-7804(2017)04-0047-04

10.3969/j.issn.1007-7804.2017.04.014