CN107684983B - 一种旋叶式多级微气泡筛分装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种旋叶式多级微气泡筛分装置，包括沿流体流经方向依次布置的圆柱气液混合腔、一级气泡分离腔、二级气泡分离腔、三级气泡分离腔以及单相液体腔，在圆柱气液混合腔和一级气泡分离腔、一级气泡分离腔和二级气泡分离腔、二级气泡分离腔和三级气泡分离腔之间各布置一个搅浑叶轮，三级气泡分离腔和单相液体腔之间布置一个恢复叶轮，搅浑叶轮和恢复叶轮上分别设有轴向出气中孔，每个轴向出气中孔上均有出气口，出气口与相应的出气支管相连，所述圆柱气液混合腔和单相液体腔分别设置流体进口和流体出口的压力传感器探测孔，用于测量微气泡筛分装置流体进口和出口的压力。本发明兼具经济性和高效性并能够满足熔盐堆在线脱气要求。

Description

一种旋叶式多级微气泡筛分装置

技术领域

本发明涉及多级气液分离技术领域，具体地，涉及一种旋叶式多级微气泡筛分装置。

背景技术

钍基熔盐堆以其安全性好、核燃料长期供应、核废料最小化、产能高、物理防核扩散等优点，成为***反应堆核能***的六种候选堆型之一。同等质量的钍燃料产生的能量是铀燃料的200-250倍，而且在地壳内钍资源的蕴藏量是铀资源的3倍，特别是在中国，钍资源居世界第二位，其蕴藏量约为铀资源的6倍，钍基熔盐堆在我国具有广阔的发展前景。

熔盐堆在运行过程中会不断产生放射性的氪和氙等裂变气体，这些裂变气体，具有较大的中子吸收截面，被称为中子毒物；而中子是钍基熔盐堆能够达到自持的必要条件，同时，这些中子毒物在熔盐中以微气泡的形式存在，随着反应堆的运行气泡不断增多并积累，如果不及时脱除，会严重影响反应堆的传热特性。为了提高热中子的利用率和反应堆的稳定性，保证反应堆稳定高效的运行，必须在熔盐堆运行过程中，在线脱除氪、氙等裂变气体。

熔盐堆运行中产生的裂变气体以气泡的形式存在于氟盐中，目前主要采用旋流分离技术，具体的，涉及轴流旋叶式分离器。该种气液分离器的主要工作原理为气液混合相流经固定搅浑叶轮形成旋转流，离散态气泡运动到旋流腔中心形成气芯，气体从左右两侧叶轮出气孔被分离，单相流经过恢复叶轮回到循环回路。实际应用过程中，在熔盐堆燃料循环泵的出口不断向回路中微小气泡作为载气，形成泡状流，由于放射性气体在熔盐中溶解度较小，与气泡接触后，更容易溶解在载气气泡中，再将含有裂变气体的载气气泡通过分离器从熔盐中分离出来，进入尾气处理***，以达到有效去除裂变气体的目的。该种结构的分离器具有稳定性能高、工作范围宽和能量损耗低等特点，能满足熔盐堆在线脱气及安全要求。

根据物理传质效率要求，熔盐堆中用于分离裂变气体的载气气泡通常为含气量0.3至0.5％，具有一定尺寸分布的直径为0.1至1mm的气泡。气液分离过程中，气泡在随着主流体做轴向运动的同时向分离器中心汇聚，并且由于气泡直径越小，径向运动速度越小，在轴向运动的距离也越长，即小气泡比大气泡需要更长的旋流腔来进行分离。而现有的分离技术无法对不同尺寸的气泡进行多级分离，无法获取不同尺寸气泡的分离效率及分离裂变气体的最佳气泡尺寸或气泡尺寸分布，因此有必要发明一种兼具经济性和高效性的多级微气泡筛分装置。

发明内容

针对现有技术的不足之处，本发明的目的是提供一种兼具经济性和高效性并能够满足熔盐堆在线脱气要求的旋叶式多级微气泡筛分装置，能够实现不同直径微气泡的高效筛分，且可以获取不同尺寸气泡的分离效率及分离裂变气体的最佳气泡尺寸或气泡尺寸分布，该装置适用于较宽泛的含气量，流体介质及液体流量。

为实现上述目的，本发明是通过以下技术方案实现的。

一种旋叶式多级微气泡筛分装置，包括圆柱气液混合腔、一级气泡分离腔、二级气泡分离腔、三级气泡分离腔、单相液体腔、三个搅浑叶轮、一个恢复叶轮及相应的出气支管和两个压力传感器探测孔。

其中，所述圆柱气液混合腔、一级气泡分离腔、二级气泡分离腔、三级气泡分离腔、单相液体腔依次沿流体流经方向布置；

所述圆柱气液混合腔和一级气泡分离腔，一级气泡分离腔和二级气泡分离腔，二级气泡分离腔和三级气泡分离腔之间各布置一个搅浑叶轮。整段圆柱腔被搅浑叶轮分隔为不同长度的分离腔，用于筛选和分离不同直径的微气泡。

其中，所述搅浑叶轮包括搅浑叶片和搅浑叶轮轮毂，每个搅浑叶轮轮毂均设有一个轴向出气中孔；

所述三级气泡分离腔和单相液体腔之间布置一个恢复叶轮；

其中，所述恢复叶轮包括恢复叶片和恢复叶轮轮毂，恢复叶轮轮毂设有一个轴向出气中孔；末端的恢复叶轮为了消除流动的旋转，减小流动损失，降低设备运行成本。

所述三个搅浑叶轮和一个恢复叶轮均有相应的出气支管与出气孔相连，用于排出被分离的气泡；

所述圆柱气液混合腔和单相液体腔分别设置流体进口和流体出口的压力传感器探测孔。

一级、二级、三级气泡分离腔的长度可根据流体介质及流量，含气量及所需分离的微气泡直径确定。所述不同长度的分离腔可用于分别分离不同尺寸的气泡；所述不同级数的分离腔可通过调节其相应上游搅浑叶轮的出气支管的闭合，来指定分离某种或多种直径的微气泡。

所述搅浑叶片轮毂处和轮缘处的进口角设置为尽量使气液混合相沿平行于圆柱腔的中轴方向经过搅浑叶轮流入分离腔；搅浑叶片轮毂处和轮缘处的出口角决定了几何旋流数。搅浑叶轮可确保流体涡旋流动，使气泡向心运动形成气芯。

所述恢复叶片轮毂处的进口前端液流角和进口安放角，恢复叶片出口安放角的设定，用以修正单相液体流动滑移的影响。

所述搅浑叶片和恢复叶片的数量，搅浑叶片和恢复叶片的轴向长度，搅浑叶轮和恢复叶片的长径比均可根据实际工况选定。

所述搅浑叶轮和恢复叶轮的中轴与圆柱腔的中轴重合；恢复叶轮轮毂的轴向出气中孔内径大于搅浑叶轮轮毂的轴向出气中孔内径。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1、本发明能够实现多级分离不同尺寸的气泡，且可通过调节不同级数分离腔的上游搅浑叶轮相应出气支管的闭合，指定分离某种或多种尺寸的微气泡；

2、本发明能够实现分别获取不同尺寸气泡的分离效率，进而获取分离裂变气体的最佳气泡尺寸或气泡尺寸分布。

3、本发明中多级搅浑叶轮还可以保持旋流强度和稳定性，增加气泡的分离效率；搅浑叶轮轮毂采用流线型设计，降低了流体的紊流度和能量损失，可以进一步提高气泡的分离效率。

4、本发明中恢复叶轮在保证最小的流动损失条件下使流体微元的环量尽量接近零，其液体进口具备零冲角的特点，出口环量尽量接近零；恢复叶轮轮毂采用流线型设计，将流体的部分动压头转化为静压头，消除了流动旋转，降低设备能量损失。

5、本发明装置适用于较宽泛的含气量，流体介质及液体流量；具有结构简单、可靠性高、经济性好、分离效率高的特点。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明中旋叶式多级微气泡筛分装置结构示意图；

图2为本发明中旋叶式多级微气泡筛分装置剖视图；

图3为本发明中搅浑叶轮及出气支管结构示意图；

图4为本发明中搅浑叶轮叶片及轮毂结构示意图；

图5为本发明中恢复叶轮及出气支管结构示意图；

图6为本发明中恢复叶轮叶片及轮毂结构示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

在本实施例中，如图1，2所示，本发明提供的一种旋叶式多级微气泡筛分装置，包括圆柱气液混合腔1、一级气泡分离腔2、二级气泡分离腔3、三级气泡分离腔4、单相液体腔5、三个搅浑叶轮、一个恢复叶轮及相应的出气支管和两个压力传感器探测孔。其中，三个搅浑叶轮分别位于圆柱气液混合腔1和一级气泡分离腔2，一级和二级气泡分离腔2和3，二级和三级气泡分离腔3和4之间。一个恢复叶轮位于三级气泡分离腔4和单相液体腔5之间。搅浑叶轮和恢复叶轮的中轴与圆柱腔的中轴重合。如图3所示，搅浑叶轮包括搅浑叶片6和搅浑叶轮轮毂7，每个搅浑叶轮轮毂均设有一个轴向出气中孔8。如图5所示，恢复叶轮包括恢复叶片13和恢复叶轮轮毂12，恢复叶轮轮毂设有一个轴向出气中孔11。如图4，6所示，三个搅浑叶轮和一个恢复叶轮均有相应的出气支管9与出气孔10相连，用于排出被分离的气泡。两个压力传感器探测孔14分别置于圆柱气液混合腔1和单相液体腔5两端，用于测量微气泡筛分装置流体进口和出口的压力。

如图3所示，搅浑叶轮由搅浑叶片6、搅浑叶轮轮毂7和轮毂轴向出气中孔8组成。优选地，搅浑叶片6的数量为5个；叶片6的轮毂处和轮缘处的进口角均为0°，即气液混合相沿平行于圆柱腔的中轴方向经过搅浑叶轮流入分离腔；搅浑叶片6的轮毂处和轮缘处的出口角分别为35°和60±0.3°，几何旋流数为0.52；搅浑叶片6的轴向长度为45mm，由叶片个数、叶片出口角，相邻叶片间的重叠角度及准线方程共同决定，其中，搅浑叶片6的准线平滑过渡，以确保流体涡旋流动的同时减小紊流度。

如图5所示，恢复叶轮由恢复叶片13，恢复叶轮轮毂12和轮毂轴向出气中孔11组成。优选地，恢复叶片13的数量为5个；恢复叶片13的轮毂处的进口前端液流角为27°，轮毂处的进口安放角为20°，避免恢复叶轮进口存在较大的流动冲角；恢复叶片13的出口安放角为5°，以修正单相液体流动滑移的影响，避免恢复叶轮流道内出现大面积的流动分离及下游流动存在较大的余旋；恢复叶片13的长径比L/D要求大于1.2以上，其轴向长度为60mm。

如图4，6所示，搅浑叶轮轮毂7设有搅浑叶轮轴向出气中孔8，恢复叶轮轮毂12设有恢复叶轮轴向出气中孔11，恢复叶轮轮毂轴向出气中孔11内径大于搅浑叶轮轮毂轴向出气中孔8；搅浑叶轮轮毂轴向出气中孔8和恢复叶轮轮毂轴向出气中孔11均有出气口10与相应的出气支管9相连，用于排出被分离的气泡。优选地，搅浑叶轮轮毂7和恢复叶轮轮毂12具有流线型过渡结构，能够起到减少进口流体扰动和恢复出口压力，减小进口和出口间压降的作用。

作为一优选的实施方式，搅浑叶轮叶片6的出口角度可根据所需要的旋流强度自行设计，恢复叶轮叶片13的入口角度可根据流体的能量损失自行设计；搅浑叶轮轮毂轴向出气中孔8和恢复叶轮轮毂轴向出气中孔11内径可根据含气量和需要分离的微气泡直径自行设计，设计工况下，离散态的气泡向心运动到腔体中心形成气芯，气体携带少量主相流体从叶轮轮毂出气中孔被分离。同种工况下，对不同出口角度的搅浑叶轮叶片6、搅浑叶轮轮毂轴向出气中孔8内径和不同入口角度的恢复叶轮叶片13、恢复叶轮轮毂轴向出气中孔11内径组成的微气泡筛分装置，进行分离效率和进出口压降的测量，得到搅浑叶轮和恢复叶轮的最佳组合。

作为一优选的实施方式，圆柱气液混合腔1，一级、二级和三级气泡分离腔2、3和4，单相液体腔5采用不锈钢或哈氏合金材质，可适用于腐蚀性或高温流体介质；要求腔体内表面足够光滑以降低流体的能量损失；腔体两端可采用法兰或焊接连接方式与试验回路连接；分别距离气液混合腔1和单相液体腔5两端一定距离，各开一个1mm的压力传感器探测孔，用于监测流体进口和流体出口的压力，用于判断微气泡筛分器装置的工作状态及压力损失。

作为一优选的实施方式，一级、二级、三级气泡分离腔2、3和4的长度可根据流体介质及流量，含气量及所需分离的微气泡直径确定。在特定流体介质及流量和含气量下，气泡在随着主流体做轴向运动的同时向腔体中心汇聚，气泡直径越小，径向运动速度越小，在轴向运动的距离也越长，即小气泡比大气泡需要更长的旋流腔来进行分离。一级、二级、三级气泡分离腔的长度依次递增，级数越大分离出的气泡直径越小。设计工况下，一级分离腔首先分离直径大的气泡，未被分离的气泡进入二级分离腔，二级分离腔再分离直径相对较大的气泡，仍然未被分离的气泡进入三级分离腔，三级分离腔分离直径小的气泡，以实现多级分离不同尺寸的气泡。考虑到实际应用的安全性，三级分离腔后设置有恢复叶轮，运行工况下，气芯贯穿搅浑叶轮和恢复叶轮出气中孔，两个出气支管同时工作，尽可能将所有气泡都分离出去。优选地，分离腔个数可以根据鼓入载气的尺寸和分布增加或减少。

作为一优选的实施方式，不同级数的分离腔可通过调节其相应上游搅浑叶轮的出气支管的闭合，来指定分离某种或多种直径的微气泡。通过测量不同出气支管分离出的含气量或液体夹带率，获得不同尺寸气泡的分离效率，即含气量越高或液体夹带率越低，该尺寸的气泡分离效率越高，更能有效地分离裂变气体。优选地，可根据熔盐堆在线脱除裂变气体及安全要求，鼓入最佳气泡尺寸或尺寸分布的载气。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (5)

1.一种旋叶式多级微气泡筛分装置，其特征在于，包括沿流体流经方向依次布置的圆柱气液混合腔、一级气泡分离腔、二级气泡分离腔、三级气泡分离腔以及单相液体腔，在圆柱气液混合腔和一级气泡分离腔、一级气泡分离腔和二级气泡分离腔、二级气泡分离腔和三级气泡分离腔之间各布置一个搅浑叶轮，三级气泡分离腔和单相液体腔之间布置一个恢复叶轮，搅浑叶轮和恢复叶轮上分别设有轴向出气中孔，每个轴向出气中孔上均有出气口，出气口与相应的出气支管相连，所述圆柱气液混合腔和单相液体腔分别设置流体进口和流体出口的压力传感器探测孔，用于测量微气泡筛分装置流体进口和出口的压力；

搅浑叶轮包括搅浑叶片、搅浑叶轮轮毂；所述搅浑叶片轮毂处和轮缘处的进口角设置为使气液混合相沿平行于圆柱气液混合腔的中轴方向经过搅浑叶轮流入分离腔；搅浑叶片轮毂处和轮缘处的出口角决定几何旋流数；

恢复叶轮包括恢复叶片、恢复叶轮轮毂；所述恢复叶片轮毂处的进口前端液流角和进口安放角及恢复叶片出口安放角的设定，用以修正单相液体流动滑移的影响。

2.根据权利要求1所述的旋叶式多级微气泡筛分装置，其特征在于，一级、二级、三级气泡分离腔的长度根据流体介质及流量，含气量及所需分离的微气泡直径确定，不同长度的分离腔分别用于分离不同尺寸的气泡。

3.根据权利要求1所述的旋叶式多级微气泡筛分装置，其特征在于，一级、二级、三级气泡分离腔通过调节其相应上游搅浑叶轮的出气支管的闭合，来指定分离某种或多种直径的微气泡。

4.根据权利要求1所述的旋叶式多级微气泡筛分装置，其特征在于，所述搅浑叶片和恢复叶片的数量，搅浑叶片和恢复叶片的轴向长度，搅浑叶片和恢复叶片的长径比根据实际使用时的工况选定。

5.根据权利要求1所述的旋叶式多级微气泡筛分装置，其特征在于，所述搅浑叶轮和恢复叶轮的中轴与圆柱气液混合腔的中轴重合；恢复叶轮轮毂轴向出气中孔内径大于搅浑叶轮轮毂轴向出气中孔内径。

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