实验室里,余华极其专注,左手握着粗粮馒头补充能量,右手握着铅笔,没有借助任何画图工具,在专用图纸空白页画出一条条笔直的线条和符号,标记各种设计参数。
这张专用图纸的顶端,写着——【百级空分设备压缩机总体结构图纸】字样。
余华边啃边画,图纸上呈现经过思维计算机数值计算的压缩机总体结构,由二级离心压气机和涡轮构成的进气机组+透平机压缩机组,构成压缩机的总体结构,可以满足整台空分设备性能设计指标。
得到庄教授点拨之后,余华回到实验室就把压缩结构拿了出来,整款透平式压缩机综合空分设备的设计指标和当前加工条件,采用类航空发动机压气机结构设计,风扇级数二级,工作压力为0.48兆帕,理论压缩性能达到每小时1200立方米空气。
是的,二级风扇。
受限于材料和制造水平的原因,这个二级透平式压缩机,已经达到目前中华材料和制造水平的极限,想要采用更多级数的风扇,必须在材料和制造水平上取得突破性进展。
很可惜,这点并不现实。
好在,二级透平式压缩结构的压缩性能符合设计指标,完全够用。
活塞式压缩结构的上限或许只有近千立方米每小时,但透平式压缩结构不一样,它的下限,就是活塞式压缩结构的上限。
两者之间的差距,如果要举个最直观的例子,那就是活塞式螺旋桨飞机和喷气式飞机。
当前市面上空分设备的制氧效率为什么这么低,究其原因,与效率极低且落后的活塞式压缩结构离不开关系。
“压缩机总体结构基本算是搞定了,空气经过透平压缩机和空气冷却塔,压力达到0.5兆帕,温度约303K左右,为了提升纯度,这里要加一个专门的空气过滤器,配合进气机组设置的空气过滤器,尽可能过滤空气杂质和灰尘,完成净化步骤,空气进入换热器进行热交换降温……”余华看了一眼空分设备压缩机总体结构,确认无误,回过头来,目光放到空分设备总体结构上:“换热制冷系统该采用什么结构的冷凝蒸发器呢?”
压缩机总体结构空分设备总体结构是两码事,压缩只是制氧的第一步。
为了提高氧气的纯度,首先要对加压过后的空气进行一次高效净化,再将空气送入冷凝蒸发器进行热交换,经过换热降温,最终送入空气冷却塔制冷精馏,经过深低温精馏处理便可得到99.95%的高纯度氧气。
从工作原理角度出发,看起来很简单对不对?
有种我上我也行的感觉。
然而,不谈技术难度最高的压缩机,冷凝蒸发器和空气冷却塔随便拎一个出来,都能令目前空分设备领域的专家和工程师两眼抓瞎。
内部结构是什么,运行机制和原理又是什么,该采用何种控制方法和检测方法,每一个都是技术难题。
空分设备换热制冷系统由冷凝蒸发器构成基本散热单元,这是一个必须解决的技术难题,不能使其成为整个空分设备子系统的短板。
现实情况就是这么残酷,一个木桶能装多少水,并不取决于最长那块木板,而取决于最短的那块木板,想装得更满,必须补最短的木板。
空分设备亦是如此,所有子系统,必须满足每小时1014立方米空气和每小时202.8立方米氧气的设计指标。
对于这个情况,余华倒是没有害怕,面色自然,眼中透出理性之意,由理性与逻辑构成的脑海高速运转,思考冷凝蒸发器散热结构。
由于传统的冷凝蒸发器无法满足设计指标,必须采用新的散热结构。
要创新,那么就得从最基本的工作原理角度出发。
冷凝蒸发器主要用于各通道中的冷热流体流通换热制冷,为了高效散热制冷,这意味着冷凝散热器必须拥有足够的散热面积,以及更好的散热材料。
“传统散热结构肯定不行,不过,我可以借助电脑cpU的风冷散热器为原型,利用多层板翅和散热管道的结构,如此一来,散热结构在不增加尺寸的情况下,其散热面积可以提升几十倍。”
余华脑海细细思索,忽然,灵光乍现,脑海浮现后世电脑风冷散热器的模样,以此为灵感源泉作为冷凝蒸发器的设计思路。
散热器!
经典的玄冰四百散热器!
“从导热系数讲,银的导热系数最高,不过,根据地用不起银质散热结构,只能在铜和铝之间选择,铜的好处在于导热系数高,缺点为比热容低,必须采用大风量风扇或者液态降温,铝的情况则完全相反。”有了设计灵感,余华想好散热结构之后,立即思考散热片材料的问题。
银、铜、铝,导热领域的三兄弟,老大银,老二铜,老三铝,三种材料各有各的好。
铜的导热系数高达400w\/m·K,比热容为386KJ\/kg·K。
铝的导热系数为237w\/m·K,比热容为900KJ\/kg·K。
从导热系数上说,铜几乎是铝的一倍。
从比热容上说,铝几乎是铜的三倍。
从成本角度讲,抛开两种金属受到严格管制无法大量购买不谈,单论理论价格,铜比铝贵四倍。
至于导热材料的扛把子银,Emmm……
银的材料性能极佳,导热系数最高,比热容比铝还高,这是一种理论上完美的散热片材料。
可惜……
用不起。
“还是用铝吧,铜虽然好,但这种稀缺金属资源只能用在刀刃上,不过流通管道必须用紫铜。”余华一番权衡考量,最终选择了老三铝。
结构和材料初步敲定,余华没有耽搁,以最快速度取出一张专用图纸,画出冷凝蒸发器的详细结构。
图纸之上,整个冷凝蒸发器看起来极为眼熟,由多层板翅作为散热结构,每一层铝制板翅表面积约为1.5平方米,总数量为三百片左右,总散热面积达到450平方米。
对电脑dIY爱好者而言,这就是一个超大号风冷散热器。
只不过,这个超大号风冷散热器的使用对象并不是cpU,而是氧气。
图纸上的初始设计结构呈现而出,余华启用思维计算机,根据各种参数构建冷凝蒸发器的数学模型,展开模拟计算测试。
数秒后,整个模拟计算测试结束,测试数据显示——冷凝蒸发器达到设计指标。
“如果中间再加上两组紫铜热管通道,散热效率应该还会再增加。”余华摸了摸下巴,对于原始版本的冷凝蒸发器不是特别满意,认为还有改进的地方,随即在蒸发器中部添加了两组紫铜热管通道。
《控卫在此》
这个改进在提升散热效率的同时,没有增加制造难度,勉强算一个小创新。
很快,余华完善改进型冷凝蒸发器,马不停蹄进行第二次模拟计算测试。
第二次模拟计算测试数据显示,改进型冷凝散热器散热效率相较原始版本,提升幅度为13.92%,每小时能处理50立方米液氧和200立方米液氮。
“好,就用这个设计,整个换热制冷系统只需要四个冷凝蒸发器基本单元,两个一组,一组作为低温级冷凝系统,一组作为高温级蒸发。”
得到测试数据,精力即将消耗殆尽的余华,擦了擦额头上的汗水,满意地点了点头,确定采用改进版本的冷凝蒸发器,正式成为空分设备换热制冷系统的基本单元。
心情愉悦且高兴,一天时间,就把压缩机总体结构和冷凝蒸发器结构搞定,研发进度非常喜人。
按照这样的效率,只要不出岔子,大概半个月左右就能把空分设备搞定。
若是庄教授加入的话,约莫十天左右。