一种水激活电池用气液分离器多工况设计方法与流程

本发明属于气液分离器领域，尤其是涉及一种水激活电池用气液分离器多工况设计方法。

背景技术：

水激活电池在放电过程中往往会出现析氢副反应，对于控流型水激活电池，因其在进水激活后，内部电解液循环主要靠离心泵来驱动，若电解液不经气液分离处理，氢气在电池舱体内大量积聚，会造成电池带载能力下降、引起电池失效，甚至诱发电池爆炸，因此需要气液分离器将产生的氢气排出电池舱外。

由于水激活电池具有贮存寿命长、比能量高、比功率高的优点，已被应用于鱼雷一次动力电池。随着国防科技的日益发展，要求鱼雷在航行过程中可以切换速度以攻击目标，即鱼雷需具备低速巡航及高速攻击的变工况性能。在低速巡航状态下，电解液循环流量相对较小，水激活电池析氢速率较小；而在高速攻击工况下，电解液循环流量较大，电池产气量也较大。因此，在设计水激活电池用气液分离器时，需要综合考虑两种工况下气液分离器的处理能力以及不同工况下的分离效率。

由于传统水激活电池用气液分离器在设计时仅考虑单一流量工况，当系统流量变化时，会对气液分离器的分离效率产生较大影响。若分离效率下降较大，会造成含有气泡的电解液进入泵内或电解液随着氢气排出舱外，这都会对电池性能产生负面影响。在已申请的专利号为cn201521104670，和专利号为cn201711201534的专利中，对气液分离器的结构进行了改进，使其能够减小压损或实现换向，但是其结构存在适应流量范围小，内部气腔不稳定、分离效率较低的缺点，需要调整气液分离器各部件参数进行优化。

技术实现要素：

为解决上述技术问题，本发明提供一种水激活电池用气液分离器多工况设计方法，通过改善气液分离器几个重要设计参数，来提高低速及高速工况下气液分离器的可靠性以及分离效率，本文中如无特殊说明，高速均代表高速工况，低速均代表低速工况。

本发明采用的技术方案是：一种水激活电池用气液分离器多工况设计方法，进液口直径d1，排气口直径d2，分离器基圆直径d3，排液口直径d4，分离器筒体长度l1，导流盘安装深度l2满足以下关系式：

d2＝(0.16～0.24)d1

d4＝(0.75～0.85)d1

l1＝λd3

式中：

d1—进液口直径，m；

kd—直径系数；

ρl—液体密度，kg/m³；

ρg—气体密度，kg/m³；

vg—高速气相流速，m/s；

—高速液相体积分数；

g—重力加速度，m/s²；

d2—排气口直径，m；

d3—分离器直径，m；

q1—分别为低速进液流量，m³/s；

q2—分别为高速进液流量，m³/s；

v1—低速液相切向速度，m/s；

v2—高速液相切向速度，m/s；

k1—低速流量系数；

k2—高速流量系数；

l1—分离器筒体长度；

λ—长径比；

l2—导流盘安装深度；

优选地，分离器主体侧壁角度为锥角θ，锥角θ为6°-10°。

优选地，直径系数kd为0.3-0.5。

优选地，低速流量系数k1为1.5-1.7。

优选地，高速流量系数k2为2.4-2.65。

优选地，长径比λ为1.6-1.85。

本发明具有的优点和积极效果是：通过本方案计算方法确定气液分离器主要几何参数包括进液口直径d1、排气口直径d2、分离器基圆直径d3、分离器筒体长度l1等，配合导流盘安装深度及筒体采用小锥角形式，可以有效改善气液分离器气腔的稳定性，使气液分离更加彻底；制备的企业分离器具有良好的气液分离性能，通过试验验证可以有效减少分离器内的能量损失，具有压降小，在不同流量工况下均具有较高的分离效率。

附图说明

图1是本发明的一个实施例中气液分离器结构示意图。

图中：

1、分离器主体2、排气管3、导流盘

4、排液口5、进液口6、排气口

7、锥角θ

具体实施方式

下面结合附图对本发明的一个实施例做出说明。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“垂直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。如图1所示，气液分离器包括分离器主体1和排气管2，排气管2设置在分离器主体1内，分离器主体1用于注入电解液，排气管2用于排出电解液中排出的氢气，排气管2顶部连通分离器主体1顶部的排气口6，用于将氢气排出，排气管2底部在分离器主体1内，为密封状态，近排气管2底端处的排气管2外壁上设有导流盘3，分离器主体1上部侧壁上设有进液口5，分离器主体1底部设有排液口4，排液口4与排气口6在同一垂直面上，分离器主体1为上宽下窄，其侧壁倾角设为锥角θ7。电解液通过进液口5进入分离器主体1，通过导流盘3后落入分离器主体1底部，在这个过程中氢气会分离出，通过排气管2排出，排气后的电解液通过排液口4排出。

本发明利用以下几个关系式来确定水激活电池用气液分离器的主要几何参数，主要包括：进液口直径d1、排气口直径d2、分离器基圆直径d3、排液口直径d4、分离器筒体长度l1，同时配合导流盘安装深度l2，及采用较小的锥角θ，可以有效减少分离器内部能量损失，改善分离器内气腔稳定性，减小液体从排气口的泄漏量，从而提高分离效率。

关系式如下：

(1)进液口直径d1

式中：

d1—进液口直径，m；

kd—直径系数，取0.3-0.5；

ρl、ρg—液体、气体密度，kg/m³；

vg—高速气相流速，m/s；

—高速液相体积分数；

g—重力加速度，m/s²；

(2)排气口直径d2

d2＝(0.16-0.24)d1

式中：

d2—排气口直径，m；

(3)分离器基圆直径d3

式中：

d3—分离器直径，m；

q1、q2—分别为低速进液流量、高速进液流量，m³/s；

v1—低速液相切向速度，m/s；

v2—高速液相切向速度，m/s；

k1—低速流量系数，取1.5-1.7；

k2—高速流量系数，取2.4-2.65；

(4)排液口直径d4

d4＝(0.75-0.85)d1

式中：

d4—排液口直径，m；

(5)分离器筒体长度l1

l1＝λd3

式中：

l1—分离器筒体长度；

λ—长径比，优选1.6-1.85；

(6)导流盘安装深度l2

式中：

l2—导流盘安装深度；

(7)锥角θ

优选锥角θ＝(6°-10°)

本发明通过控制气液分离器几个重要参数来进行设计，设计时综合考虑分离器高速及低速工况下的流量变化，减少电解液通过排气口的泄漏量，配合导流盘安装深度的选取，以及采用小锥角的筒体，使分离器的气腔更加稳定，分离效率得到提高，具有良好的经济效益。

实施例：

其中，锥角θ为6°-10°，直径系数kd为0.3-0.5，低速流量系数k1为1.5-1.7，高速流量系数k2为2.4-2.65，长径比λ为1.6-1.85，取值范围内其效果都类似，为了更好的说明问题，选取其中数值来计算相应结果。

设计高速工况进液流量为0.0069m³/s，高速液相体积分数为0.85，低速工况进液流量为0.0056m³/s，低速液相体积分数为0.89，输送液体密度为1210kg/m³，气体密度为1.29kg/m³，设计高速气相流速应不大于5.5m/s。

(1)根据设计要求，进行气液分离器主要参数的计算，选取直径系数kd为0.35，高速气相流速vg设计为5.2m/s。

经圆整后d1为0.042m。

(2)根据公式d2＝(0.16-0.24)d1进行排气口直径设计

d2＝0.21d1＝0.21×0.042＝0.00882m

经圆整后d2＝0.009m。

(3)分离器基圆设计

为了保证气液分离效果，液相切向速度一般不超过6m/s，设计高速液相切向速度为5.8m/s，根据高速与低速的流量值可知，低速切向速度为4.4m/s，选取低速流量系数k1为1.6，选取高速流量系数k2为2.4。

经圆整后d3值取0.177m。

(4)根据d4＝(0.75-0.85)d1进行排液口直径设计

d4＝0.85d1＝0.85×0.042＝0.0357m

经圆整后d4值取0.036m。

(5)计算分离器筒体长度l1，长径比λ优选1.7

l1＝λd3＝1.7×0.177＝0.3009m

经圆整后l1值取0.300m。

(6)设计导流盘安装深度l2

l2＝0.76l1＝0.76×0.300＝0.228m

(7)选取锥角θ

优选锥角θ＝8.5°

通过以上计算，便得到了气液分离器的几个主要参数，将本专利设计的气液分离器与传统技术的分离器进行分离效率对比试验。试验以密度为1210kg/m³的氢氧化钠溶液为介质，对比了在高低速工况下的分离器分离效率。

表1为采用上述技术方案与传统技术方案的试验结果列表

结果如表1所示，可以看出本方案气液分离器在两种流量工况下，均保持较高的分离效率，气液分离器气腔的稳定性更高，气液分离更加彻底，有效的减少了分离器内的能量损失。

以上对本发明的一个实施例进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本发明的专利涵盖范围之内。