一种宽流程多流型高效气液分离器的制作方法

本发明涉及的是一种气液分离器，具体地说是核能领域的气液分离器。

背景技术：

在能源问题逐渐凸显的今天，核能作为一种清洁能源得到越来越多的关注。气液分离技术作为核能开发中的一项关键技术也受到越来越多的重视。待分离的气液混合物在进入分离器前，由于气相以及液相折算流速的变化所带来流型变化，会引发气液两相混合物的流动特点发生变化，特别是处于不稳定流型下时气液两相混合物会发生剧烈振荡，这给当前的气液分离技术带来了新的挑战。

目前现有的气液分离装置，按照工作原理可以分为：重力式气液分离器、离心式气液分离器、惯性式气液分离器，当然也存在一些综合多种原理的气液分离器。受限于使用空间、运行环境、待分离的气液混合物的状态，离心式气液分离器以及以离心分离原理为主的多原理分离器由于尺寸小、重量轻、高效快速等优点而备受关注。按照产生离心力的原理一般可以分为：切向注入式离心分离器和轴流式离心分离器。切向注入式离心分离器依靠将气液混合物沿切向注入的方式产生离心力，结构形式简单、无运动部件、可靠性高等优点，是目前使用最为广泛的离心式分离器(“一种新型双锥角水力旋流器”，cn205887222u；“一种可调分流比式水力旋流器装置”，n206425106u)，但其具有气芯的稳定性差、压降大、湍流度高、分离效率偏低等问题。不同于切向注入式离心分离器，轴流式离心分离器利用叶轮产生离心力，具有湍流度低，压降小等优点(“一种旋叶式多级微气泡筛分装置”，cn107684983a；路铭超，李亚洲，熊珍琴.汽水分离器性能试验研究[j].动力工程学报,2013.33(1):77-80)，但目前已有的轴流式气液分离器主要针对稳定流型而设计，无法在气液混合物处于不稳定流型时高效运行。而现有的组合式气液分离器，虽综合了多种分离原理，且有分离效果有一定程度的提升，但是在设计过程中并未考虑进入分离器前的气液混合物流型变化的所带来的问题，当进入分离器前气液混合物的流型发生变化时，特别是当气液混合物处于不稳定流型下时，分离器的分离性能无法得到保证(“一种旋流式组合气液高效分离装置”，cn106492544a)。

目前的气液分离器多为单一原理的分离器，虽然也存在少数综合多种原理的分离器，但基本都针对单一、稳定流型而设计，缺乏可在多种流型下，特别是不稳定流型下高效运行的分离器。但在核能开发实际的应用过程中，气液混合物中由于气液比例及折算速度的变化，往往会导致气液混合物流型的发生改变，进而影响分离器的性能。且由于核动力装置自身的特点，往往存在使用空间狭小，维护成本高等问题。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供解决当前气液分离技术领域中的分离器适用流型单一、缺乏可在多流型下高效运行问题的一种宽流程多流型高效气液分离器。

本发明的目的是这样实现的：

本发明一种宽流程多流型高效气液分离器，其特征是：包括外筒体、内筒体，内筒体伸入至外筒体内部，内筒体的下端部留在外筒体外部，内筒体的中部安装一级叶轮，内筒体的顶部安装二级叶轮，一级叶轮与二级叶轮之间的内筒体上设置排液区段，排液区段上设置连通内筒体内部空间和外筒体内部空间的排液孔，外筒体下端部设置分离器液相引出口，外筒体顶部设置分离器气相引出口，二级叶轮与分离器气相引出口之间为使液相回落的分离腔室。

本发明还可以包括：

1、一级叶轮的轮毂为实心结构，二级叶轮的轮毂为中空结构。

2、二级叶轮的叶片上沿与内筒体的上沿平齐。

3、分离器气相引出口为向外筒体内部延伸的管，分离器气相引出口下方的外筒体里设置分离挡板，分离挡板和其上方的外筒体之间通过分离挡板拉筋相连。

4、一级叶轮叶片入口端的切线方向与内筒体的中心轴线平行，一级叶轮叶片出口端的切线方向与内筒体的中心轴线的夹角为55°±5°，二级叶轮叶片入口端的切线方向与内筒体的中心轴线的夹角为15°±1°，出口端的切线方向与内筒体的中心轴线的夹角为55°±5°。

本发明的优势在于：本发明通过离心分离、重力分离、惯性分离三种分离方法的有机结合，实现了在多流型、宽流程，特别是不稳定流型下气液混合物的高效分离。该装置可实现：

(1)本发明所提供的一种宽流程多流型高效气液分离器其利用相互套设的双层筒体结构，在分离器内通过两级叶轮、排液区段、外筒体分离腔室、分离挡板的配合，综合利用了离心分离、重力分离、惯性分离三种分离原理，实现了在多流型，特别是在不稳定流型下的高效分离。

(2)一级叶轮为实心结构，二级叶轮为中空结构，单独建立了气相的流通通道。气液混合物经过一级叶轮后，在离心力的作用下，气相向中心聚合形成气芯，液相聚集在外筒体壁面形成环形液膜。气相和少部分液体经二级叶轮轮毂的中空通道，直接进入外筒体分离腔室，环形液膜首先经过排液区段后，进入二级叶轮叶片之间的流道，进一步了增加了旋转强度，从而壁面气液两相的重新混合，大幅度减小了气相的携带作用。

(3)二级叶轮的叶片上沿与内筒体的上沿平齐，这样保证了二级叶轮叶片的不同流道之间的液相在离开叶片后直接甩向外筒体分离腔室，避免了液相重新汇合形成完整的环形液膜，进而造成液相在外筒体分离腔室内的冲击高度过高。

(4)经过一级叶轮以及液相形成环形液膜后，气液混合物在经过一二级叶轮间的排液区段时可提前分离出部分液体，实现气液两相混合物的一次分离，以减小后续分离结构的分离压力。

(5)分离挡板以及气相引出口向内延伸的设计可对分离器液相引出口处液相中夹带的液滴进行惯性分离，以进一步提高分离效率。

(6)一级叶轮叶片的入口端切线方向与中心轴线平行，而二级叶轮叶片的入口端切线方向与中心轴线的有一定夹角，保证了两相流体在进入分离器时压力损失尽可能的小。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2a为一级叶轮结构的主视图，图2b为一级叶轮结构的俯视图；

图3a为二级叶轮结构的主视图，图3b为二级叶轮结构的俯视图。

具体实施方式

下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：

结合图1-3b，本发明提供的一种组合式多流型高效气液分离器，包括、内筒体1、入口法兰2、一级叶轮3、二级叶轮4、排液区段5、防震条6、分离挡板拉筋7、分离挡板8、分离器气相引出口9、出口法兰10、外筒体11、分离器液相引出口12、分离器外筒体分离腔室13。主体结构由两层相互套设的筒体结构组成，外层为外筒体11,内层内筒体1，内筒体1和外筒体11之间安装防震条6，分离器气相引出口9设置在分离器的顶部，分离器液相引出口12设置在外筒体11底端，对称设置、互为备用；在内筒体1的内部沿气液混合物的流动方向设置了一级叶轮3和二级叶轮4，一级叶轮3布置在内筒体1的中部，二级叶轮4布置在内筒体1的顶部；一级叶轮3和二级叶轮4之间的内筒体1的内壁上设置排液区段5，排液区段内设置一定数量的排液孔；分离器气相引出口9进口端布置一个惯性分离挡板8；二级叶轮4与分离挡板8之间的分离器外筒体的分离腔室13有足够的空间可以保证重力有足够的垂直距离使大部分液相回落。

一级叶轮3的轮毂为实心结构，二级叶轮4的轮毂为中空结构，以建立单独的气相流通通道，且通道的内径大于一级叶轮3轮毂的外径。

二级叶轮4的叶片上沿与内筒体1的上沿平齐，以有效降低在高流速工况下液体的冲击高度。

排液区段5可设置一段或者多段，且开孔数目、开孔形式、开孔排布方式可根据实际使用条件进行设置。

分离器气相引出口9向外筒体11内部延伸一部分，以限制在高流速下在分离器气相引出口9处的气体的携带作用；且分离挡板8也可采用其他惯性分离结构代替，如：波纹板、丝网。

一级叶轮3叶片入口端的切线方向与内筒体1的中心轴线平行，出口端的切线方向与内筒体1的中心轴线的夹角为55°，二级叶轮4叶片入口端的切线方向与内筒体1的中心轴线的夹角为15°，出口端的切线方向与内筒体1的中心轴线的夹角为55°，两叶轮的叶片数均为5，可保证两相流体在叶片间的流道内充分旋转。

在气液分离过程中，此气液分离器装置的技术方案是：首先通过入口法兰2与出口法兰10将分离器进行固定安装。在分离器运行过程中，气液混合物首先经内筒体1的入口进入气液分离器装置内部，流经一级叶轮3后由正常的直线运动变为旋转运动，产生旋转运动的同时产生离心力。在离心力的作用下，密度较小的气相聚集在内筒体1的中心，形成气芯；密度较大的液相积聚在内筒体1的壁面上并形成环形液膜，实现相间分离。通过一级叶轮3后，气液混合物在内筒体1内部继续向上运动，流经排液区段5时，环形液膜中的部分液相通过排液区段5的开孔进入内筒体1进入外筒体11之间的环腔内，并流经分离器液相引出口离开分离器，实现一次离心分离。由于摩擦耗散等作用，气液两相的旋转强度会有一定程度的衰减，即离心力会有一定程度的衰弱。经排液区段5后，气液两相继续向上运动，之后的现象在高含气量条件下和低含气量条件下有所差异，下面分开进行描述。

在低含气量条件下，气体流速较低，流型较为稳定。气相和少量液相经过二级叶轮4的轮毂建立的中孔通道向上运动，进如外筒体分离腔室13内，气相进入分离器外筒体分离腔室13后继续向上运动，并经分离器气相引出口10离开分离器，液相在重力的作用下回落进入内筒体1与外筒体11之间的环腔内，实现二次重力分离，后经分离器液相引出口离开分离器。液相和少量气相经过叶轮之间的通道后，旋转强度增加，离心力进一步增强。离开二级叶轮叶片4后，在离心力的作用下，密度较大的液相被甩向外筒体11的内壁面，并受重力回落进入内筒体1与外筒体11之间的环腔内，并离开分离器，气相则向上运动，分别经外筒体上腔室13和分离器气相引出口9离开分离器，最终完全实现气液分离。

在高含气量条件下，气体流速高，气液两相混合物可能处于搅混流等不稳定流型或环状流条件下。经一级叶轮3后形成的环形液膜以及少量气体进入二级叶轮4叶片之间的通道，旋转强度增加，离心力进一步增强。离开二级叶轮4叶片后，液相在离心力的作用下别甩向分离器外筒体11的内壁上，受气体携带和流型振荡的影响，液相沿外筒体11的内壁继续向上运动，部分液相会运动至分离器气相引出口9处，部分液相会在途中回落进入外筒体11与内筒体1之间的环腔内。到达分离器气相引出口9处的液体由于分离器气相引出口9的向内延伸部分的阻挡作用，并不会进入受气体携带的影响而进入分离器气相引出口9，而影响分离效率，这部分液体最终回落，先后经外筒体分离腔室13和外筒体11与内筒体1之间的环腔，最终离开分离器。经一级叶轮3后形成的气芯和少量液相进入二级叶轮4的中空轮毂建立的流通通道后，进入外筒体分离腔室13内，在高流速气体的携带作用下，液相在外筒体分离腔室13内的冲击高度较高。其中，直径较大的液滴受重力的作用而回落进入外筒体11与内筒体1之间的环腔内，并离开分离器，从而实现二次重力分离；直径较小的液滴在气相的携带作用下向上运动，经分离挡板8的作用，气相中携带的小液滴被分离，而气相则经分离器气相引出口9离开分离器，从而实现三次惯性分离，并最终实现整个分离过程。