CN103394213A - 一种旋叶式小型气泡分离装置 - Google Patents

Abstract

本发明的目的在于提供一种旋叶式小型气泡分离装置，包括圆柱形的筒体，筒体的前端设置前出气管，筒体的后端设置后出气管，筒体内部分别安装搅浑叶轮和恢复叶轮，搅浑叶轮包括搅浑叶片和搅浑叶轮轮轴，恢复叶轮包括恢复叶片和恢复叶轮轮轴，搅浑叶轮轮轴和恢复叶轮轮轴均设置中孔，两个中孔的进口相对布置，搅浑叶轮轮轴中孔的出气口与前出气管相连通，恢复叶轮轮轴中孔的出气口与后出气管相连通。本发明能够实现小气泡的高效分离，且可以工作在一个比较宽泛的含气量及液体流量范围之内；末端恢复叶轮的设计可以起到部分恢复压力的作用，有效降低设备运行过程中的动力投入，降低设备运行成本。

Description

一种旋叶式小型气泡分离装置

技术领域

本发明涉及的是一种分离装置，具体地说是气泡分离装置。

背景技术

国内外现有堆型、概念堆型超过900种，熔盐堆以其安全性高、采用闭式燃料循环等优势，沉寂了若干年后再次得到核科学界专家和学者的重视。熔岩堆运行过程中会不断产生中子吸收截面比较大的裂变气体，如氙、氪等，它们的存在严重影响到反应堆的运行，甚至会导致停堆，被视为反应堆中的毒物。另外，这些惰性气体在熔盐中以气泡形式存在，随着反应堆的运行，不断积累增多，如果不及时去除，还会影响到反应堆的传热特性。因此在熔盐堆运行过程中必须实时、不断地将其去除，以保证热中子的利用率和反应堆反应性的相对稳定，而一套高效率的气体分离***是实现此目的不可或缺的辅助***之一。

熔盐堆中需要分离的裂变气体以气泡形式存在，体积小，含量少。现有技术中可以采用的分离方法大致有两种：重力沉降和旋流分离。第一种方法原理简单，无运动部件，安全性高，可用的设备也很多，如专利CN202315422U提供了一种三相盖腔重力分离器，但这类分离设备普遍存在驱动力小，效果差，分离周期较长的缺陷，尤其不适用于高粘度流体中小气泡的分离，无法满足反应堆的特殊需求。旋流分离主要是通过改变流体速度方向，在流体内部形成离心力场，使气泡受力向中心运动来实现与液体的分离。根据旋流分离原理，旋流分离设备可以在流体运动过程中完成气-液分离，满足熔盐堆实时去除气泡的需求。实际应用过程中，可以作为燃料循环中的过流部件，根据去除气体效率的要求，对熔盐堆主循环回路全流量或者部分流量进行处理，而不影响燃料的循环。目前，这种分离方法已非常成熟，国内外相关应用及研究也很多，主要形式集中在传统型切向入口，如专利CN88101590公开了一种用于处理热气流中悬浮着的粉末状原材料的旋流器，但这种形式的分离设备处理量小，易堵塞，且流体的切向引入会增加入口处流体的湍流度，使小气泡进一步碎化，不利于分离；另外从能量耗损的角度看，这种设备的压降相对较大，正常运作过程中需要更大的压头，经济性较差。而轴流形式的旋流分离设备，则可克服这方些面的缺点，无论是在经济上还是在效率上，均能达到一个很高的标准。

现有技术中的轴流旋叶式分离器大致存在两种形式：溢流口位于工质的流入侧，如专利CN2882798公开了一种新型轴流式高效水利旋流器；溢流口位于旋流器末端（如Verlaan.Performance of novel mist eliminators.Delf:DelfUniversity of Technology,1991）。但这两种结构的分离设备用于气-液分离时，在非设计工况下分离效率会明显下降：根据徐继润、庞学诗等人的研究结果，水力旋流器轴向速度分布存在零速包络面（即流体轴向速度为零的轨迹），零速包络面以上的中心区域流体轴向速度与主流体流动方向相反，零速包络面以下区域，流体轴向速度与主流体流动方向相同。气-液分离过程中，气泡一面随主流体作轴向运动，一面受力向分离器筒体中心聚合，其中由于小气泡径向运动速度比较小，需要较长的轴向距离进行分离。此时，如果气泡的聚合点在零速包络面以下，对于溢流口位于工质流入侧的分离器来说，气体会随主流一同流出筒体，进而无法实现气体的完全分离。反之，对于溢流口位于筒体末端的分离器，如果气泡在零速包络面之上即已聚合，则同样不利于分离。因此现有技术很难满足熔盐堆的除气及安全要求，有必要发明一套适用于熔盐堆气泡分离、效率高、工作范围宽、性能稳定的除气设备。

发明内容

本发明的目的在于提供能够满足熔盐堆的除气要求的一种旋叶式小型气泡分离装置。

本发明的目的是这样实现的：

本发明一种旋叶式小型气泡分离装置，其特征是：包括圆柱形的筒体，筒体的前端设置前出气管，筒体的后端设置后出气管，筒体内部分别安装搅浑叶轮和恢复叶轮，搅浑叶轮包括搅浑叶片和搅浑叶轮轮轴，恢复叶轮包括恢复叶片和恢复叶轮轮轴，搅浑叶轮轮轴和恢复叶轮轮轴均设置中孔，两个中孔的进口相对布置，搅浑叶轮轮轴中孔的出气口与前出气管相连通，恢复叶轮轮轴中孔的出气口与后出气管相连通。

本发明还可以包括：

1、所述搅浑叶片为5～8个，搅浑叶片的进口与筒体的轴向平行，搅浑叶片的出口与筒体的轴向的夹角为35±5°；迎着水流方向，搅浑叶片的旋转方向为逆时针；相邻搅浑叶片之间的重叠角度为25±5°。

2、恢复叶片进口与筒体的轴向的夹角32±5°，恢复叶片出口与筒体的轴向平行；沿着水流方向，恢复叶片的旋转方向为逆时针。

3、恢复叶片数量同搅浑叶片相同，恢复叶片长度为搅浑叶片的一半。

4、恢复叶轮轮轴中孔内径大于搅浑叶轮轮轴中孔内径。

本发明的优势在于：

1、能够实现小气泡的高效分离，且可以工作在一个比较宽泛的含气量及液体流量范围之内。

2、末端恢复叶轮的设计可以起到部分恢复压力的作用，有效降低设备运行过程中的动力投入，降低设备运行成本。

3、前出气管的流线型过渡设计，降低了入口流体的紊流度，可以进一步提高气泡的分离效率，降低设备能量损失。

4、后出气管的流线型过渡设计，可以将流体的部分动压头转化为静压头，起到恢复部分压能的作用。

5、设备结构简单、成本低、分离效率高、安全性好，可以保证长时间高效运作而不出故障，降低维修成本。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的简体剖视图；

图3为搅浑叶轮的结构简图；

图4为恢复叶轮的结构简图。

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1～4，本发明包括：圆柱形筒体1、搅浑叶片2、恢复叶片3、搅浑叶轮轮轴4、恢复叶轮轮轴5、前出气管6；后出气管7、用于与管道连接的法兰盘8以及压力传感器9。搅浑叶片2及其中心的搅浑叶轮轮轴4组成搅浑叶轮，位于筒体1的前端，搅浑叶轮轮轴4中心开孔并与前出气管6连接，用于导出被分离气体；恢复叶片3及其中心的恢复叶轮轮轴5组成恢复叶轮，位于筒体1的后端，恢复叶轮轮轴5中心开孔并与后出气管7连接，同样用于导出被分离气体；在筒体1两端分别安装有法兰盘8，便于使用过程中与工作管路连接；在筒体1两端还安装有压力传感器9，用于检测设备进出口的压力，便于对装置的运行状态做出判断。

搅浑叶轮位于圆柱形筒体1的前端，由轮轴4与叶片2组成，能够改变流体的运动方向，使通过的流体发生旋转。所述叶片2优选5～8个；叶片2进口与轴向平行，出口与轴向的夹角优选为35±5°；迎着水流方向观察，叶片2的旋转方向为逆时针；相邻叶片2之间的重叠角度优选为25±5°。叶片2的长度则由叶片个数、准线方程、叶片出口角度及相邻叶片间的重叠角度共同决定，要求达到使流体得到充分转向的目标。所述叶片2的准线平滑过渡，以减小流体转向过程中由于突变增加的紊流。所述轮轴4中心开孔且与前出气管6相连，用于气芯的排放。

恢复叶轮位于圆柱形筒体1的后端，由轮轴5与叶片3组成，能够导直流过的流体，起到部分恢复压能的作用。恢复叶片3数量同搅浑叶片2相同；由于流体流动过程中会有损失，到达恢复叶片3入口处的流体速度方向与轴向的夹角逐渐减小，故叶片3进口与轴向的夹角32±5°，略小于搅浑叶片2出口角，出口与轴向平行。实际应用过程中可根据流体的能量损失情况，自行设计入口角度的大小，具体方法为：同种工况下，对不同入口角度的恢复叶片3所组成的旋流分离装置进行出口压力（筒体末端）的测量，得到最高压力值的恢复叶片则为最佳。沿着水流方向观察，叶片3的旋转方向为逆时针；叶片3长度约为搅浑叶片2的一半。所述轮轴5中心开孔且与后出气管相连，用于气芯的排放。

恢复叶轮轮轴5中孔内径大于搅浑叶轮轮轴4中孔内径。

出气管有两个，分别位于筒体1的前后端，具有流线型过渡结构，分别与搅浑叶轮和恢复叶轮的轮轴中孔相连。设计工况下，气芯贯穿整个筒体长度，前后出气管同时工作，被分离气体携带少量主相流体同时从两端出气管排出；当主相流体流量降低或气流量增加时，中心气芯无法达到末端出气口，气体主要由前端出气口排出。前出气管6为流线型，能够减小突缩对入口水流的扰动；后出气管7为流线型，起到压力恢复的作用。

筒体1采用不锈钢圆柱管，较锥形结构拥有较小的压降。同时要求筒体1内表面足够光滑，以进一步降低流体的能量损失。筒体两端连接有法兰8，作为一套独立的除气装置，方便与实验管路的连接。距离法兰盘5cm处安装有两个压力传感器9，能够对设备进出口压力信号进行监测，用以判断设备是否工作在最佳状态。

本发明的使用过程：如图1所示，两相（气—液）混合物首先由左端流入分离器筒体1，进入搅浑叶片2组成的流道，实现流体的逐渐加速，改变流动方向，然后以一定旋转角度流出搅浑叶片2。在流体旋转产生的离心力场中，气泡受力向筒体中心聚合形成连续气芯。气芯直径略小于搅浑叶轮轮轴4和恢复叶轮轮轴5中孔内径，且其前端进入搅浑叶轮轮轴4中孔，末端进入恢复叶轮轮轴5中孔，并由两端同时排放。被分离后的主相流体仍处于旋转状态，以一定的流动角度进入恢复叶片组成的流道，在流动过程中逐渐被导直，最后以平行于轴向的速度流出恢复叶片3，完成气泡的分离。

Claims (6)

1.一种旋叶式小型气泡分离装置，其特征是：包括圆柱形的筒体，筒体的前端设置前出气管，筒体的后端设置后出气管，筒体内部分别安装搅浑叶轮和恢复叶轮，搅浑叶轮包括搅浑叶片和搅浑叶轮轮轴，恢复叶轮包括恢复叶片和恢复叶轮轮轴，搅浑叶轮轮轴和恢复叶轮轮轴均设置中孔，两个中孔的进口相对布置，搅浑叶轮轮轴中孔的出气口与前出气管相连通，恢复叶轮轮轴中孔的出气口与后出气管相连通。

2.根据权利要求1所述的一种旋叶式小型气泡分离装置，其特征是：所述搅浑叶片为5～8个，搅浑叶片的进口与筒体的轴向平行，搅浑叶片的出口与筒体的轴向的夹角为35±5°；迎着水流方向，搅浑叶片的旋转方向为逆时针；相邻搅浑叶片之间的重叠角度为25±5°。

3.根据权利要求1所述的一种旋叶式小型气泡分离装置，其特征是：恢复叶片进口与筒体的轴向的夹角32±5°，恢复叶片出口与筒体的轴向平行；沿着水流方向，恢复叶片的旋转方向为逆时针。

4.根据权利要求1-3任一所述的一种旋叶式小型气泡分离装置，其特征是：恢复叶片数量同搅浑叶片相同，恢复叶片长度为搅浑叶片的一半。

5.根据权利要求1-3任一所述的一种旋叶式小型气泡分离装置，其特征是：恢复叶轮轮轴中孔内径大于搅浑叶轮轮轴中孔内径。

6.根据权利要求4任一所述的一种旋叶式小型气泡分离装置，其特征是：恢复叶轮轮轴中孔内径大于搅浑叶轮轮轴中孔内径。

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