光纤冷却管氦气高效回收方法的研究

罗 辉，黄 卫，徐 涛，王传喜，刘 杨，刘朝明

光纤冷却管氦气高效回收方法的研究

罗 辉，黄 卫，徐 涛，王传喜，刘 杨，刘朝明

(安徽万瑞冷电科技有限公司，合肥 230088)

氦气的提纯方法有很多种，而且技术都非常成熟。但是氦气的回收却是提纯工艺之前的一个瓶颈，回收氦气的纯度和气量大小直接影响提纯再利用的可行性。给出了光纤领域氦气的使用工况，提出一种实时控制的氦气回收方法，并通过试验数据的验证分析，为光纤生产领域的氦气回收提供了可靠、可行的依据。

氦气；回收；循环利用；光纤；冷却管

1 氦气使用及回收现状

近年来，随着国家工业4.0不断推进，对光纤产量、质量、成本等要求都不断提高。而国内各大光纤生产企业都在不断优化生产工艺，提高生产效率。提高生产效率就意味着提高拉丝的速度。光纤从拉丝炉中抽成丝开始，到进入第一个涂覆模具之前，一般是8～11 m的距离，目前比较大众的拉丝速度约为2000 ～2500 m/min，光纤在这一部分运动的时间不超过3 s，这就要求在3 s的时间内，将光纤温度降低两千多度。目前主要是通过在冷却管的腔内注入氦气，利用氦气比热高、分子活跃、传热性能好的特点，将光纤的热量迅速传导出去，实现快速降温的目的。但是随着光纤速度的提高，氦气的用量会随之增加，氦气所占的成本在光纤生产成本中的比例会增加，因此必须对光纤冷却管中的氦气进行回收再利用。而氦气回收的效率又决定着回收再利用的经济效益，回收氦气的总量多少，直接决定回收再利用的可行性；回收的氦气纯度低，会增加氦气再利用过程中的能耗，使回收再利用的经济效益下降。

本文基于氦气回收再利用的经济性要求，提出一种经济高效的回收方法。

2 氦气回收基本要求

光纤冷却管氦气回收的过程中必须满足几个条件：1.不能对光纤产生影响，例如，丝径波动，光纤抖动；2.不能对拉丝冷却管腔体内原有气体流动产生影响；3.回收过程不能使原有氦气用量增加；4.回收装置的使用对生产工序、工步不能造成太大影响，以免使生产效率下降。

光纤冷却管为开放式，中间容纳冷却氦气的腔体与大气直接相连接，因此回收过程中，除了将氦气回收回来，同时空气也被回收回来。回收回来的空气越少，氦气的纯度越高，再提纯的成本就越低，那么氦气循环利用的经济性就越好。

目前，虽然光纤生产的工艺非常成熟，但是影响稳定拉丝的因素太多，例如光棒质量、光纤强度、冷却效果、车间洁净度、拉丝生产设备稳定性以及主操手的操作技能等等，这些因素直接影响生产过程中冷管氦气的使用量，如果使用量变化比较大，则使得保证良好氦气回收效果的难度大大增加。

假设冷却管氦气用量为q，回收管路中气体的流量为Q，回收的氦气纯度为C，则冷却管的氦气回收率η为：

由式中可以看出，冷却管氦气的用量是一定的，可变的参数就是回收气体的流量Q和回收氦气的纯度C。流量和纯度的乘积越大，回收效率越高。但是，光纤冷却管的使用功能要求冷却管内填充氦气的腔体与大气相通，腔体内的压力是一个大气压，腔体内的氦气直接扩散到大气中，因此在回收氦气的过程中，必然会一同抽取空气。并且回收气体流量Q越大，回收氦气的纯度C越小，虽然流量和纯度的乘积在增大，但是提纯过程中的各种能耗势必会增加，提纯的经济性和可行性就会降低。

根据公式：(p1-p2)v=Qt，回收气体的流量与回收管路起始端和终止端的压差、管道中的气体流速有关，而压差、流速这些参数，与空气泵的参数、管路内径、长度、管道拐点的数量及角度等很多因素有关，其数学模型的建立难度很大，同时，在光纤生产的不同速度阶段，冷却管中氦气的用量也是不一样的。即使用计算机模拟，其输入条件也是变化多样，很难确定。

3 氦气回收系统概述

本文提出了一种能适应多种工况的氦气回收系统，流程如图1所示。

回收工装安装在冷却管的端面。空气泵开始工作，在泵之前的管路系统中形成负压，于是冷却管中的氦气在负压的作用下，通过管道，先进入精密过滤器，再经过质量流量控制器，最后进入空气泵，由空气泵升压后，供给下一级用气单元。

图1 氦气回收流程图Fig.1 Flowsheet of retrieving helium

该系统中，质量流量控制器根据事先设定好的值自动调节回收管路中气体的流量，流量调节直观方便，避免了理论计算中很多不确定的因素，例如回收工装到精密过滤器之间的长管路以及精密过滤器自身不停变化的压力损失等因素，对实际结果的影响，而且质量流量控制器基本不受温度、压力等因素的影响，调节非常精确。由于气体抽取量的大小会对冷却管内的气流环境产生影响，因此流量计的设定值，要以不影响光纤生产为前提。因此首先针对冷却管的生产过程中某一阶段进行回收，测试出最佳点。再对冷却管整个生产过程进行回收测试，从而找出抽取量的最优值。

4 系统回收试验数据

由于光纤生产中，用氦分两个阶段，一个是光纤拉丝速度提升的阶段，此阶段中氦气用量随着拉丝速度的增加而不断增加，是个变量。另外一个是拉丝生产稳定阶段，该阶段中氦气用量一般是稳定不变的。因此，要对这两个生产过程分别进行回收测试。

图2 拉丝升速阶段氦气回收数据趋势分析图Fig.2 Tendency chart retrieving helium during the stage of increasing

图2为该系统在光纤冷却管升速过程中，进行氦气回收试验的数据趋势图。从光纤冷却管开始用氦气的时候，即开始进行回收直到光纤生产结束。由数据可以看到，冷却管的氦气用量平均回收率可以达到80%，而且回收的纯度都在70%左右。并且在光纤正常稳定生产的时候，系统氦气回收率最高，可见，该系统的回收能力与光纤拉丝生产的工况是非常匹配的。

图3显示的是冷却管氦气用量为11.6 L/min，即稳定生产的时候，进行回收测试的数据。

图3 氦气回收测试数据趋势图(稳定状态)Fig.3 Tendency chart retrieving helium (in the stable state)

由数据和曲线图可以看到，抽取流量越小，纯度越高，但是回收率并不高，经济效益不是最好。随着抽取流量增加，纯度虽然在降低，但是流量和纯度的乘积在增加，也就是回收氦气的量在增加，回收率就会不断增加，经济效益不断变好。当增加到一定程度的时候，冷却管内气体环境的平衡被打破，随之回收氦气的纯度急剧下降，回收率的曲线出现峰值，此时的氦气回收纯度为74.5%，回收量为14.3 L/min，回收率为91.8%，也就是经济效益最好的回收工况点。

5 总 结

综上所述，本文阐述了一套简单易行的回收系统，从实际角度出发，避开了冗长的设计计算，就能得到光纤生产过程中，冷却管氦气回收的最佳工况点，为氦气回收的快速推进提供有力的保障。另外，数据中能直接反应出回收气体中氦气的含量，为评估后续氦气提纯流程设计计算提供可靠的依据。此外，该回收系统与回收工装的组合，保证氦气回收纯度不低于70%，这样，不论提纯采用膜分离、变压吸附、低温精馏等任何提纯工艺方法，都能最大限度降低提纯的能耗，从而将循环利用的经济效益最大化。

A Method Researching How to Retrieve Helium from Optical Fiber Cooling Pipe Efficiently

LUO Hui,HUANG Wei,XU Tao,WANG Chuanxi,LIU Yang,LIU Zhaoming

(Anhui Vacree Technologies Co.,Ltd.,Hefei 230088,China)

We have lots of method which is reliably about purifying helium gas,but the key technology is how to retrieve the helium gas which has a higher purity and more volume,because it decides that the purifying method is able or not in economy.In this article,a retrieving method which used real-time control was introduced,meanwhile,this method was analyzed using testing data.And providing some retrieving experience in production of optical fiber.

helium; retrieving; cyclic utilization; optical fiber; cooling pipe

2017-06-06

TQ117

A

1007-7804(2017)04-0012-03

10.3969/j.issn.1007-7804.2017.04.004

罗 辉(1983)，男，工程师，现于安徽万瑞冷电科技有限公司主要从事工业氦气循环利用装备的研发与应用。