CN101143267A - 一种用于流体切向流入设备的入口装置 - Google Patents

一种用于流体切向流入设备的入口装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种具有用于流体(3)切向流入设备(2)的入口装置(1)，流体在流过位于设备周边上的喇叭形管道部分(10)后进入涡流(30)。该涡流绕接近设备中心轴(210)的轴线旋转。该中心轴与流动流体的主方向(200)是一致的。通过通道部分的排出区域(13)，预置流体的中央流向(32)，该流向沿周边并倾斜于所述主方向(200)的反方向。按一起扩散的方式制造通道部分的中间区(12)－或入口区域(11)和中间区－和排出区域。按扩散方式制造的该区域的边缘范围位于设备内部，并且延伸过小于周边的一半而邻接该周边，最好延伸小于周边的三分之一。

Description

一种用于流体切向流入设备的入口装置
技术领域
本发明涉及根据权利要求1的前序部分的用于流体切向流入设备的入口装置，其中该设备特别是柱筒。其还涉及既具有根据本发明的入口装置又使用该入口装置的设备。
背景技术
从EP-A-1588749(＝P.7446)中已知一流体入口装置，也就是用于液体/蒸汽混合物的入口和分配装置，利用该装置，两相液体可以注入该设备中，特别是注入柱筒中，在流体(在携带的液滴中)中携带的液体可以同时被分离出来。
一喇叭形管道包括曲面导向薄片，该曲面导向薄片在水平定位并邻接该设备周边设置的两个壁之间。切向流入的流体通过导向薄片被分流为通过该导向薄片偏转的多部分流量，以便当利用离心力时，流体的密相至少部分地被分散。利用该流体入口装置将蒸汽分布在设备的横截面上，反之，液体被分散在设备的导向薄片和壁上。该已知的喇叭形流体入口装置当然也可以用于单相流体的输入(液体或气体)。
该部分流量结合形成涡流，该涡流形成相对均匀流，流体从该均匀流中被分配，比如被分配到设置在上述流体入口装置上的包装中。还可以在该设备或柱筒中提供其他的装置来代替该包装；比如，用于分离所携带的液滴的托盘或装置，且该液滴以前是不存放在曲面导向薄片上的。
流体入口装置由基本上延伸在该设备的整个周边上的金属片结构组成，以便流体以部分流量的较高速度进入设备的中央区域。因此，在所形成的涡流的中心和周边之间存在相对较大的静压差异。另外，由于在很大程度上延伸到只有微弱流体流过的死角区域，所以很少使用的横截面横过该装置。
从EP-A0440412中已知进一步的入口装置，利用该装置，流体流可以被导入到沿设备周边的环形通道中，并可以从其上部形成的涡流以分流方式向下分配。
从US 4336228中已知更进一步的入口装置，其中预见用沿圆筒内壁的一螺旋形导流叶片代替环形通道。借助于该导流叶片，可防止积聚在圆筒内表面上的液体被气流带走。流体通过一开口进入该圆筒中，其由相应的导流叶片和一金属片组成，平行于该圆筒排列。因此流体流从入口管到达圆筒时经历横截面的陡然变化。在布置在设备内壁上的入口装置中，入口速度高达100米/秒(m/s)，其有利于液滴的分离，然而由于流体通过切向进口装置的引导产生了很强的涡流。当该涡流中央部分的静压力小于其外围部分的静压力时，该涡流产生二次流。当二次流从中央部分直接流入外围部分时，该压差产生了吸力作用。为了补尝该二次流，流体从进口区域的下面或上面流入涡流的中央区域，且涡流的旋转速度越高，流速越快。结果在该设备的横截面上形成了垂直流动速度的不对称分布，以致在设备的外围区域主要是很高的垂直速度，而在中央区域主要是非常低的垂直速度，其甚至可以相对于在外围区域的垂直速度被引向相反的方向。在横截面中最大垂直速度与平均垂直速度的偏差越大，涡流的旋转速度就越高。因为用于分离或传递物质的流体流入装置(例如填料筒)的入口位于进口区域的下游，该不对称的分配是不利的，所以其在该装置中导致了强烈的分布不均并影响它们的容量以及从反面影响它们的效率。利用根据US4336228中已知的入口装置不能或仅可在很小的程度上获得意谓进入速度减小的延迟。入口下游的液滴在壁上聚结，并形成由于重力而向下流动的液体膜。然而，该薄膜由气流携带，并且如果气流太高，该薄膜可以被向上导引，其被布置在设备的壁上螺旋形导流叶片阻挡。
其中存在完全避免内壁上的过高气流速度的另一个方法。因此，目标是尽可能均匀地分配垂直速度，而该目标是在减小旋转运动方面获得的。为此，US2003188851A1中预见了导流叶片。根据US4315815的入口装置是由完全通向下侧的显示为“通道”的相似结构构成的。在这种情况下，位于入口下面的气流层与进入流体一起被输送并随即被传送。在根据US4315815的入口装置中，存在的导流叶片由于摩擦引起延迟。因此，压力仅恢复到很小的程度，而能量基本上被消耗了。当设备中的压力被设定并必须被调节时，该布置是不利的。为了抵消该压力损失，进入气流必需具有更高的压力，从而，气流从其中起源的设备必须在更高压力下工作，由此而来导致了涉及结构的附加要求和与成本有关的缺点，所以该导流叶片的布置对于任何液滴的分离来说不是最理想的。当液体膜接近通道部分的末端时，积聚液体在几乎水平的方向上沿导流叶片被传送。由于导流叶片被放置在气流的中心，所以液体膜被位于通道部分末端的导流叶片的边缘捕获并被重新分配或喷洒到设备的空间中。
发明内容
本发明的目的是提供用于流体(特别是气体)切向流入设备的入口装置，其相对于已知的喇叭形流体入口装置可改善输入，凭此液滴将从形成在入口装置下游的旋流中完全分离和积聚，并同时在入口装置的下游获得与设备的横截面相关的最平均的垂直速度，特别是降低形成的涡流中的速度并提高存在的横截面积的使用率。该目的通过权利要求1中所限定的入口装置来满足。
利用用于流体切向流入设备的入口装置，在流过设备周边的喇叭形管道部分后，流体进入一涡流中。该涡流绕接近设备中心轴的轴线旋转。该中心轴与流动流体的主方向是一致的。通过通道部分的排出区域，预置流体各自的中央流向，该流向沿周边延伸并倾斜于所述主方向相反的方向。按一起扩散的方式制造通道部分的中间区或入口区域和中间区-和排出区域。按扩散方式来制造位于设备内部的该区域的边缘区域，并且延伸过小于周边的一半而邻接该周边，最好延伸小于周边的三分之一。当通道部分形成一扩散器时，流体的入口速度从而降低。通道部分的流体速度的降低是伴随压力能的基本完全恢复的，当被构造成扩散器时，就不会产生涡流，以致当流体沿设备的内壁进入上述按照扩散器的曲度旋转运动中时，最大程度地避免摩擦损失。该旋转运动用于积聚存在于流体流中的液滴是有利的。特别是用于小液滴的分离和积聚，高的旋转速度是有利的。
如果该扩散器渗漏或该通道被做成开口通道，则可预期降低到一很小的程度，结果，形成在入口装置的下游设备中的强涡流可以导致与先有技术联系的所述的问题。通过使用扩散器减小设备中由旋转运动引起的涡流，以便当进入位于上述入口装置中的设备的一部分(是指下游)时获得垂直速度的均匀分配，在此所述的部分比如是填料包。
只要涡流基本上沿壁流动，则积聚主要发生在通道部分的内部并且最多直接邻近彼处。当在通道部分的出口处流速降低时，存在于设备内壁上的液体膜又可以通过旋转运动不被捕获地流走。
当通道部分的下游成形如扩散器时，涡流在设备中央部分的方向上重新定向，为此至少可以预置一个偏转元件。在下面的涡流可以受该偏转元件的影响，流体的一部分按向上的方向流入设备的中央部分中。
当禁止强旋流时，设备中产生的涡流沿偏转元件流动得不会很快并且甚至被延迟，如果不禁止，在向上的方向上存在垂直速度的均匀分布。该偏转元件(元件组)可以这样配置，以便它们有助于降低旋转速度，以致于在设备的内部获得几乎均匀的垂直速度。
从属权利要求2到9涉及用于根据本发明的流体入口装置的优选实施例。权利要求10和11的主题是具有根据本发明的流体入口装置的设备。权利要求12的主题是该入口装置的应用。
附图说明
以下将参照附图说明本发明。说明如下：
图1是根据本发明在设备中的入口装置；
图2是用于涡流图解的相同设备内部空间的略图；
图3是从设备的外部考虑，入口装置划分为三部分的通道；和
图4是说明影响涡流的偏转部分的略图。
具体实施方式
流体3通过如图1和图2所示的根据本发明的入口装置切向流入设备2，该设备特别是柱筒。图2中的略图图示了设备2内部空间的部分，所述内部空间是通过周边20、下部横截面21a和上部横截面21b界定的。下部横截面21a的中心点210a(其相应于图1中的底部21)通过中心轴210连接到上部横截面21b的中心点210b上。
流体3首先流过连接管座22，并随后通过设备2的周边上的喇叭形管道10。在连接管座22中，横截表面从圆形变为矩形。流体3通过排出区域13和排出表面14离开通道部分10并按箭头30’指示的方向进入涡流30中。该涡流30具有倾斜于接近设备2的中心轴210或平行延伸的旋转轴。该中心轴210与流动流体3的主方向200是一致的。排出区域13在沿一平面延伸的排出表面14上预置流体3的中央流向32，即基本上与所述平面平行，该平面是周边20的切面。中央流向32倾斜于主方向200相反的方向，并包含与垂直于该中心轴210的平面成最大300的角度。底部21可以密封设备2的朝向底部的内部空间。封装架的上缘、托盘或位于下面的分配器也可以设置在该位置上。
按一起扩散的方式制造通道部分10的进口区域11、中间区12和排出区域13。进口区域11还可以具有保持恒定的横截表面，并因此不起扩散作用。按扩散方式制造的该区域的边缘范围，位于设备2的内部，并邻接周边20，延伸过一部分周边20，该部分最好小于周边20的三分之一，以便为涡流30安排足够的可用空间。延伸过中间区域12和排出区域13的所述边缘范围还可以更大，但不应占据超过周边20的一半。
通道部分10被分成多个扩散段，也就是按扩散的方式在该区域的范围内制造三个局部通道。比如，局部通道的数目也可以是2、4或5。如图2所示，在这些局部通道中局部流量通过箭头31、32和33来表示。箭头相应于部分流量各自的平均流量方向(31,32,33)。按扩散方式制造的该区域的边界包括由周边20形成的壁和三个壁部分：第一壁部分100横截(垂线或近似垂线)中心轴210、第二壁部分104按相同方式排列和倾斜的第三壁部分103。由于与中心轴210垂直对准，这三个壁部分100、104和103是水平向上或近似水平壁部分、垂直的壁部分或倾斜向下的壁部分。如局部通道的三个扩散段通过两个壁部分101和102从彼此分开。
壁部分100、101 102和103每个都与水平轴包含夹角α0、α1、α2或α3，应用α0<α1<α2<α3。例如，α0等于零(即壁部分100是水平的)，并且更进一步，在所有情况下角度相差50。这些差异可以稍微大些(优选)或小些。在按扩散方式制造的区域的通道部分10的范围中，流过的横截部分的表面扩大20％到200％，优选50％到150％。与中心轴210和周边20之间的径向距离有关，排出表面14的径向宽度达到其25％到80％，优选40％到60％。横截部分可以膨胀得相对缓慢，以便通过波动地、局部排放流量形式中的稳定性使扩散效果不被削弱。可以找到用于扩散的流动稳定性的标准，比如，在Walter Traupel著的课本中的“Thermische Turbomaschinen”[热力增压涡轮机械]，第三版，第1册，139页到141页中，Springer Verlag 1977。
图3图示了根据本发明的将入口装置1分隔为三个局部通道，如观察者从该设备外面看起来一样。在该图中，点划线20’是周边20和水平面之间的相交线，顶壁部分100位于其中。图4中仅利用所图示的入口装置1的排出表面14来给出相应说明。图4涉及一偏转部分4，利用其可顺利地影响涡流30。
用于影响流动的偏转部分4设置在排出区域13之后的下游部位并在中心轴210和周边20之间。该偏转部分4在尾部41和头部42之间形成一长条，所述长条的纵向范围平行于中心轴210，或按尾部41在头部42之后向下的关系倾斜高达30°的角度。将偏转部分4固定或靠近设备的壁(周边20)是有益的。预先沿相应于长条纵向延伸的偏转元件4的边缘紧固。优选使用单个偏转元件4，然而，可以按相等或不同的距离将两个或更多该偏转元件固定到周边20上。该偏转元件的横向尺寸可以改变。该偏转元件可以被穿孔，以便仅一部分流体流量被偏转，而另一部分流过该偏转元件。例如，通过孔的规律来获得该穿孔，结果有效截面的数量大约为偏转元件的5到60％，优选大约为5到40％。一般孔的直径在大约12毫米的范围内，然而也可能是其他的尺寸。穿孔的使用是有益的，作为被偏斜和/或延迟的一部分流体流量可以继续流过该穿孔并执行旋转运动，以致设备的整体横截面都是流通的。
换句话说或另外，可以在至少一个偏转元件4上预设至少一纵向缝隙。特别是，该纵向缝隙也可以被预设在设备的内壁附近，以便沿内壁流动的液体薄膜不会被该偏转元件拦住。
出口区域13的排出表面14和偏转部分4之间形成了绕中心轴210的300到1500之间的角度β。至少偏转部分4中的一个具有一发生流动的表面，该表面小于出口区域13的排出表面的两倍。
依据柱筒(设备2)的直径和输入流体的量，可以在相同平面上或彼此之间相对偏移的不同的水平面220上布置多个根据本发明的入口装置1。在外壳上具有两个入口，它们最好是在直径方向彼此相对。该两个入口装置1可以彼此对准排列，以便流体以相对方向流入设备2；通常，偏转部分4可以省去。
根据本发明的入口装置1产生了很好的速度分配，而具有相切流体入口的已知装置是不能达到的。这是由于采用了按扩散方式设计的供应通道，从而达到流动效应的延迟控制。通过使用偏转部分4得到了速度分配的改善。由于外部装置，在流体携带的冷凝物也被有效地分离出来。
根据本发明的具有喇叭形管道10的入口装置1能被使用于流体的输入和分配。该流体可以是多相或单相的，特别是含有密相的气流，比如液滴或仅由一种物质或单一物相物质的混合物组成的气流。在这方面，高密度的分散物质至少可以利用其惰性在喇叭形管道部分中被至少部分地分离。

Claims (12)

1.一种用于流体(3)切向流入设备(2)的入口装置(1)，该流体在流过位于该设备周边(20)上的喇叭形通道部分(10)后进入涡流(30)，所述涡流绕接近该设备的中心轴(210)的一轴线旋转，该中心轴与流动流体的主方向(200)是一致的，并且特别是该设备为柱筒，
其特征在于，流体通过该通道部分的排出区域(13)流动，该排出区域预置为流体各自的中央流向(31，32，33)，该流向沿周边延伸并倾斜地与所述主方向(200)相对倾斜；其中通道部分的中间区(12)-或入口区域(11)和该中间区-以及排出区域都是按扩散的方式制造的；并且其中按位于设备内部并邻接周边的扩散器方式制造的该区域的边缘范围延伸过小于周边的一半，最好延伸过小于周边的三分之一。
2.如权利要求1所述的入口装置，其特征在于，用于影响涡流(30)的至少一个偏转部分(4)设置在排出区域(13)之后的下游并在中心轴(210)和周边(20)之间；其中，特别是，该偏转部分在尾部(41)和头部(42)之间形成条，所述条的纵向范围平行于中心轴或相对于中心轴倾斜高达30°的角度并与涡流相对，该尾部沿该头部之后的下游。
3.如权利要求2所述的入口装置，其特征在于，至少一个偏转部分(4)设置有穿孔和/或纵向缝隙。
4.如权利要求3所述的入口装置，其特征在于，该穿孔和/或纵向缝隙具有开口形状，其构成偏转部分的大约5到60％部分的面积，优选约5到40％部分的面积。
5.如权利要求2到4中的至少一个所述的入口装置，其特征在于，角度(β)是由排出区域(13)的排出表面(14)和第一偏转部分(4)绕中心轴(210)建立的，其值在30°到150°之间。
6.如前述权利要求中任一项所述的入口，其特征在于，该通道部分(10)被分成多个扩散器状的局部通道，其在该区域的范围内按扩散器方式制造。
7.如前述权利要求中任一项所述的入口，其特征在于，流体通过的横截剖面的表面在区域的通道部分10的范围内扩张，按20％到200％，最好是50％到150％的扩散方式。
8.如前述权利要求中任一项所述的入口装置，其特征在于，按扩散方式制造的区域的边界包括由周边(20)和三个壁部分形成的壁：第一壁部分(100)横截中心轴(210)、第二壁部分(104)与该中心轴相同方向排列并且第三壁部分(103)倾向于该中心轴，特别是，该三个壁部分是在该中心轴的垂直对齐方向上的一水平向上的壁部分、一垂直或一向下倾斜的壁部分。
9.如前述权利要求中任一项所述的入口装置，其特征在于，相对于中心轴(210)和周边(20)之间的径向间距，排出区域(13)在其排出表面(14)上径向宽度达到该径向间距的25％到80％，优选40％到60％。
10.一种设备(2)，特别是一柱筒，具有至少一个根据权利要求1到9中的任何一项所述的用于流体(3)切向流入该设备的入口装置(1)。
11.一种如权利要求10所述的柱筒或设备，其特征在于，两个或更多入口装置，优选高达三个入口装置，被设置在柱筒中的一个平面或与其方向相同或相反的偏移平面(220)上。
12.具有根据权利要求1到9中的任一项用于流体(3)的输入和分配的水平通道部分(10)的入口装置(1)的应用，该流体是多相或单相的，特别是包含密相的气流，比如液滴或仅包括一种物质或单一物相物质的混合物，在两相流体的情况下，高密度的分散相至少可以利用其惰性在喇叭形管道部分中被部分地分离。
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