用于高温环境下的小型蒸气压缩制冷机的测试

王绍斌,冯永仁,田建武,吴宝峰,陈永超

(1.西安振宇电子工程有限公司,陕西西安710065;2.中海油田服务股份有限公司,河北廊坊065201;3.陕西华能西柯科技有限公司,陕西西安710065)

0 引 言

随着石油开发钻井深度加深,井下温度越来越高,越来越恶劣的井下环境已成为超深井成功测试的瓶颈。确保深井测试仪器的正常工作是目前亟待解决的课题。通常的处理方式:①采用制冷方法在测井设备内部提供一个温度相对较低的空间,将重要的测试电路及电子器件放置该空间内;②提高测试电路及电子器件的耐高温性能,但开发及应用成本高,不能完全保证仪器在高温环境下正常工作。据统计,器件温度每提升20 ℃,平均无故障时间(MTTF)就会下降一个数量级[1]。本文介绍了应用在高温环境下的制冷方法。在综合对比了多种制冷方法之后,针对可在高温环境下长时间连续运行的要求,设计了2级压缩1次节流中间不完全冷却制冷循环。在原有保温瓶系统的基础上开发出一种新型小型蒸气压缩制冷机,显著提高了压缩机的耐温等级,达到连续工作的目的。

图1 实验台结构示意图及各温度测点

1 制冷方法

1.1 相变蓄冷

目前,最常采用的高温环境下的制冷方法是相变蓄冷。该方法只需将蓄冷剂与电子器件共同放置在金属保温瓶内,蓄冷剂吸收从高温环境传递到保温瓶内部的漏热量以及电子器件的发热量,以维持保温瓶内部的温度。相变蓄冷方法的研究重点在于提高相变材料的储热容量、储热密度等[2]。李晓燕[3]在高温相变材料的研制与特性研究方面做了大量实验。近年来,复合相变材料发展迅速,相关学者研究了复合相变材料的结构与换热性能。刘闵婕等[4]研究了复合相变材料在受限空间内相变过程的特性,为井下有限空间内采用相变蓄冷方法提供了依据。但是,由于测井设备的空间限制,保温瓶相变材料的蓄冷量有限,在不断吸热的过程中会逐渐完全相变,失去制冷能力后保温瓶内部温度就会升高。相变蓄冷方法限制了测井设备的连续工作时间,且存在相变材料泄露等问题。

1.2 热电制冷

为了延长测井设备在井下连续运行时间,有学者提出采用热电制冷方法[5-6]。热电制冷法响应速度快、温度控制精度高、体积小结构简单、无需制冷剂或其他机械运动部件。但是,热电制冷技术的制冷系数低、成本高,而且热电制冷技术应用在高温环境下还需克服很多难题:①测井设备环境温度过高,半导体制冷器件的热端温度需要一定散热强度来保持;②单个半导体制冷器件可提供的温差一般较小,而“无限极联”温差电对结构复杂,在120 ℃以上高温环境,热电制冷方法难以提供较低制冷温度。

1.3 蒸气压缩制冷

相比于最常采用的相变蓄冷方法,蒸气压缩制冷方法具有长时间连续运行的优点。相比于热电制冷,蒸气压缩制冷循环效率高。而且小型压缩机技术的成熟缩小了蒸气压缩制冷机的体积,因此,在测井设备的有限空间内采用蒸气压缩制冷方法成为新的研究方向。但是目前尚未有高温环境下采用蒸气压缩制冷方法的尝试。本文在此背景下开发了一种可在高温环境下连续工作的小型蒸气压缩制冷机,并搭建了测试实验台,研究蒸气压缩制冷技术在高温环境下的特性及适用性。

2 实验台

2.1 实验台组成

该实验台主要由温箱、保温瓶、制冷机和测量器件组成(见图1)。温箱主要用来模拟井下高温环境,其内部的温度可控。金属材质的保温瓶可保证制冷空间的隔热性能和结构强度,从而尽可能减少漏热并保证内部器件的可靠性。制冷系统中除蒸发器之外的其他部件都置于温箱内,与制冷机在测井设备内的工作环境保持一致,蒸发器则单独布置在保温瓶内,为保温瓶内提供恒定的相对低温环境。为测量制冷机的制冷量,在保温瓶内布置了功率可调的电加热丝,在保温瓶内部温度恒定的情况下可认为制冷机的制冷量等同于电加热丝功率。

图1中所示1～9温度测点均为制冷机系统内各节点制冷剂的温度,用来查看制冷系统的热力性能。温度测点10、11布置在保温瓶内部,用来监测保温瓶内部环境温度。温度测点12布置在温箱内,用来检测温箱内部环境温度。

2.2 制冷系统

该蒸气压缩制冷机的设计要求,在150 ℃的高温环境下提供小空间(保温瓶内部)内50 ℃的恒定温度,且具有大于10 W的制冷量。整个制冷机需安装在内径87 mm的圆管中,管长方向不限制。

首先试制了单级蒸气压缩制冷循环,其冷凝温度、蒸发温度对应的冷凝压力是蒸发压力的20多倍,实验发现压缩机排气量基本为0,制冷量几乎没有,而且排气温度高,压缩机功耗高,所以单级蒸气压缩制冷循环的制冷效率极其低下[7]。分析单级蒸气压缩制冷循环失败原因,试验采用2级蒸气压缩制冷循环。已知应用回热循环可提高制冷效率的那部分工质,在2级压缩循环中应采用中间不完全冷却[8]。因此,重新设计了2级压缩1次节流中间不完全冷却制冷机,循环原理图见图2。

图2 2级压缩1次节流中间不完全冷却循环原理图

2级压缩制冷循环设计过程中,在蒸发温度(压力)和冷凝温度(压力)已给定的情况下,中间温度(压力)的选取对循环的经济性、2级压缩机容量和功率都有一定程度的影响[9]。该工况下最佳中间温度约为90 ℃。

由于压缩机布置在保温瓶外,在150 ℃的高温环境下工作,所以需要考虑电机的散热问题。而选用的压缩机是基于52 ℃以下的环境温度开发的。因此,该实验实施了改进措施:①对零件的配合间隙进行了调整,整个配合间隙放大0.004 mm,然后对装配好的泵体进行了175 ℃的耐温试验,该泵体在该温度下能持续正常转动,说明泵体零件的精度和配合间隙基本满足要求,压缩机在高温环境下可以稳定运转;②压缩机电机在高温环境下散热困难,而现有直流变频电机的材料耐热等级不超过140 ℃,因此,对电机进行了重新设计,选择耐温等级245 ℃的钐钴磁钢,以及绝缘薄膜、漆包线等材料,采用特殊的装配工艺,并增加了高温下的运转扭矩,保证在高温下运行稳定,该直流无刷同步电机,耐高温等级200 ℃,功率100 W,额定电流2.0 A;③为了强化压缩机与周围环境的换热,在压缩机外壳上增加了圆形散热翅片,显著提高了压缩机散热能力。

3 实验结果

实验1:0 min时刻开启制冷机,这时环境温度为30 ℃,且并未控制。制冷机开始制冷后,保温瓶内温度逐渐下降,温箱内的环境温度由于压缩机和冷凝器散热逐渐上升。20 min时刻开启保温瓶内电加热丝,加热量5 W,并开启保温瓶内环境温度控制器,因此,温箱内环境温度快速上升至设定温度140 ℃,而保温瓶内由于电热丝的加热和环境漏热温度稍有上升。80 min时刻后,温箱内环境温度控制在140 ℃,保温瓶内2个测点温度都稳定在23 ℃和26 ℃,说明这段时间内制冷机的制冷量大于等于5 W(见图3)。

图3 140 ℃环境温度下5 W加热量的保温瓶内温度变化曲线

进行环境温度150 ℃下的制冷实验,结果压缩机排气温度过高,导致电机温度超过了耐温等级,无法稳定运行,因此,为获得更大的制冷量,降低环境温度至128 ℃。

实验2:将制冷剂充注量从200 g减到100 g。先开启温箱温度控制器,并将温度控制在128 ℃,然后在0 min时刻同时开启制冷机和保温瓶内电加热丝,加热量10 W。由于试验开始时中间压力设置不合理,制冷量不足,导致保温瓶内温度缓慢上升。在20 min时刻调节中间压力,而后保温瓶内温度又缓慢下降。40 min时刻后,温箱温内环境度控制在128 ℃,保温瓶内2个测点温度也都稳定在18 ℃和26 ℃,说明这段时间内制冷机制冷量大于等于10 W(见图4)。

图4 128 ℃环境温度下10 W加热量的保温瓶内温度变化曲线

实验3:保持上次实验相同的步骤,再次调整了制冷循环的蒸发温度以及中间压力,并将电加热丝加热量升高至15 W。在0 min时刻同时开启制冷机和保温瓶内电加热丝,保温瓶内温度稍有上升,保温瓶内2个测点温度也都稳定在22 ℃和30 ℃,说明这段时间内制冷机的制冷量大于等于15 W(见图5)。

图5 128 ℃环境温度下15 W加热量的保温瓶内温度变化曲线

3次实验结果对比表明:环境温度越高,制冷量越小;制冷温度越高,制冷量越大;此外,中间压力和制冷剂充注量对系统热力性能影响也较大。

4 结 论

(1)小型蒸气压缩制冷机耐温性能好,可在不高于140 ℃的高温环境下持续稳定运行。制冷机在140 ℃的高温环境下具有不小于5 W的制冷量,在128 ℃的高温环境下具有不小于15 W的制冷量。

(2)经初步探索,蒸气压缩制冷方法在高温环境下适用。但是目前的效率较低,因此,需要有针对性地设计高温压缩机,进一步提高压缩机耐温等级,有望实现在200 ℃以上的高温环境下连续运行,并且具有更高效率以及10 W以上制冷量的目标值。

(3)目前采用直流变频电机驱动,带来的噪声对测量精度等会有影响,因此,还需考虑滤波等问题。此外,该制冷装置体积与原有保温瓶系统要保持一致,小型化与轻量化也是下一步重要的研究方向。