车载氮气制备加注系统结构设计

李夺 郑伟

中航工业辽宁陆平机器股份有限公司 辽宁铁岭 112001

车载氮气制备加注系统结构设计

李夺 郑伟

中航工业辽宁陆平机器股份有限公司 辽宁铁岭 112001

介绍了一款氮气制备加注车上的氮气制备加注设备对氮气的生产、储备及加注过程的设计思路，主要围绕氮气制备加注设备的系统匹配性进行了阐述，并经过对样机的试验测试，证明其各项指标均达到良好效果。

氮气制备加注设备 氮气生产 增压储备 压力加注

1 前言

氮气在国民经济和日常生活中有着广泛的应用，如利用氮气作为焊接保护气；利用氮气封存画页、书卷；利用氮气保鲜粮食、水果等。目前市场上的氮气多由专业厂家生产，通过钢瓶储存、周转，对于大量使用氮气的用户既不经济，也不方便。我国早期生产的制氮车采用的设备和工艺现已落后，故此介绍一款小型化的车载氮气制备加注设备。

2 主要组成

车载氮气制备加注设备系统主要由4.5 m车厢[1]、空气压缩机、制氮机、增压加注机、压缩空气缓冲罐、低压氮气缓冲罐、氮气钢瓶和30 kW发电机组组成。

3 空间布局

整套系统布置在氮气制备加注车的厢体内。考虑到发电机组和空气压缩机工作时需要满足良好的通风散热条件，同时为了避免产生噪声共振，将空气压缩机布置在车厢前部，发电机组布置在车厢后部；车厢中部为工作舱，内部设有制氮机、氮气增压加注机、氮气钢瓶、空调机和附件柜等（如图1）。

4 主要设备

4.1 空气压缩机

4.1.1 功用

选用滑片式空气压缩机，一方面是为制氮机提供氮气来源；另一方面是为氮气增压加注机中的增压泵提供动力。

4.1.2 主要特点及性能参数

滑片式空气压缩机，运动部件只有转子一个，可靠性高；转速低（1 460 r/min），磨损小、寿命长；滑片靠离心力自动补偿与定子腔壁的间隙，容积效率高；机器运行时不会产生振动，唯一的噪音来自电机和冷却风扇，噪音相对较低。其性能参数如表1所示。

表1 空气压缩机性能参数

4.2 制氮机

4.2.1 功用

选用膜式制氮机，主要是从压缩空气中分离氮气，纯度达99.5%。

4.2.2 主要特点及性能参数

空气在膜两侧压差的作用下，因膜中的溶解度和扩散系数的不同，空气中的水分、氧气、二氧化碳等在膜中相对渗透速率较快，从而在膜渗透侧被富集；而氮气、氩气渗透速率相对较慢，则被滞留在另一侧而得到富集，从而达到了在空气中分离氮气的目的（如图2）。

膜式制氮机从空气中取氮，因原料无限，回收率高，能耗小，氮气成本很低；其结构紧凑、体积小、轻便而节省空间，比早期的单级分馏塔先进[3]，且无运动部件，无噪音、无污染，可连续产气，几乎不需维修，现采用微电脑可精确地将氮气纯度控制在很小的变化范围内，使制备出的氮气无浪费现象。其性能参数如表2所示。

表2 制氮机性能参数

4.3 增压加注机

4.3.1 功用

选用气动增压加注机，将低压氮气缓冲罐内的0.8 MPa氮气增压充填到15 MPa，40 L的氮气钢瓶内。

4.3.2 主要特点及性能参数

增压加注机采用高低压组合的气动泵，将低压氮气储罐内的低压氮气，增压加注到标准氮气钢瓶内，以满足用户需求。整机结构紧凑，气动泵可在满负荷下频繁启动，效率高、可控性好、经久耐用（如图3）。其性能参数如表3所示。

表3 氮气增压加注机性能参数

5 系统匹配性

5.1 用气量校核

空气压缩机为制氮机和氮气增压机提供气源及增量，空气压缩机排气流量与制氮机、氮气增压机的耗气量需要合理匹配，即空气压缩机排气流量为3.25 N·m³/min，制氮机耗气量为1.5 N·m³/min，氮气增压加注机耗气量为1.5 N·m³/min。

制氮机和氮气增压加注机的耗气量总和为3.0 N·m³/min，小于空气压缩机的排气量3.25 N·m³/min，所以整个系统的用气量满足要求。

5.2 压力校核

空气压缩机、制氮机和氮气增压机的压力匹配参数如图4所示。

从表4可知，空气压缩机出气压力为1.0 MPa，可满足制氮机要求；制氮机压力为0.8 MPa，同样能满足氮气增压机要求。

表4 用气量校核

5.3 产氮量校核

制氮机产氮量的技术要求是当氮气纯度≥99.5%时，制氮量为0.15～0.22倍的制氮机进口空气流量。其关系表达式为[2]：

式中，Q氮为制氮机的产氮量，N·m³/h；Q空为制氮机的进口空气流量，Q空=1.5×60 N·m³/h；k为某一氮气纯度下的产氮系数，该机氮气纯度为99.5%，产氮系数k=0.15～0.22，取k=0.15。

将式中已知数值代入可得Q氮= 13.5 N·m³/h＞10 N·m³/h，满足制氮量要求。

5.4 氮气制备时间校核

充填一个15 MPa下的40 L氮气钢瓶所需时间小于45 min。其关系表达式为[2]：

式中，T储为一个钢瓶的充氮时间，min；V瓶为标准状态下的钢瓶容积，V瓶=40×10-3×150 N·m³；Q2低为二级增压泵的入口压力在2.5 MPa＜P2≤8 MPa时的出口平均流量，Q2低=0.16 N·m³/min。

将式中已知数值代入可得T储=37.5 min＜45 min，满足钢瓶充氮时间要求。

5.5 电功率校核

为了满足系统的用电要求和车载质量要求，配备1台30 kW发电机组。该发电机组在额定功率的80%状态下工作是最理想的，即24 kW。由表1、表2分别可知，空气压缩机功率为22 kW，制氮机功率为0.8 kW，故供电能力满足系统要求。

6 试验

对车载氮气制备加注系统进行性能测试，试验详细数据如表5所示。

表5 氮气制备性能测试数据

通过测试说明，系统所配置的空气压缩机、制氮机、增压加注机等设备性能，均满足作业性能要求。

7 结语

本文在车载氮气制备加注系统设计过程中，主要解决了车载情况下氮气生产、增压储备和加注作业性能参数的匹配问题，同时通过试验验证其设计中采用的校核方法与实际测试结果接近，满足此类产品的指标论证要求，亦可为同类产品设计或主要设备选型提供相关思路和参考。

[1] GJB 6109－2007.军用方舱通用规范[S].

[2] GB/T 3864－2008.工业氮[S].

[3] 陈连善,孙复初.KL-15A型制氧制氮车的研制[J].深冷技术,2003.13-17.

Design of Nitrogen Manufacturing & Filling System Carried by Vehicle

LIDuoetal

The design method for the manufacture, storage and filling process of manufacturing & filling system mounted on vehicle was introduced, especially focused on description of the matching character for the Nitrogen Manufacturing & Filling System.Through testing for the sample vehicle, a good result was achieved for all the technical targets of the system.

manufacturing & filling system; nitrogen manufacture; pressurized storage; pressurized filling

U469.6.03；TQ116.11

C

1004-0226(2016)06-0099-03

李夺，男，1979年生，工程师，现从事专用车设计工作。

2016-04-13