CN101839395B - 一种气液两相流均匀分配装置 - Google Patents

Abstract

一种气液两相流均匀分配装置，主要包括分配器主管、旋流器、整流器和临界喷嘴和分配支管，旋流器、整流器依次布置在旋流器主管内，临界喷嘴位于整流器下游分配器主管壁上，每个临界喷嘴后接一个分配支管，气液两相来流在旋流器和整流器作用下，分层流、波浪流、不完全环状流等不对称流型被整改成液膜厚度均匀分布的环状流型，保证了下游各支路接触气液相的几率相等，随后在临界喷嘴内气液两相混合物被加速到临界流动，下游压力等参数变化不会传递到上游，从而克服了下游各支管路阻力特性不一致所导致的相分离，实现了均匀分配。与现有技术相比，本发明不受分配器各分支管下游参数波动的影响，无需人为干预，能进行自适应调节，而且体积小、结构紧凑，无运动部件，无需维护，具有良好的环境适应性。

Description

一种气液两相流均匀分配装置

所属技术领域

本发明涉及一种流体分配装置，尤其涉及一种将主管内的气液两相流体均匀分配到多个下游支管的装置。

背景技术

在气液两相流系统中，流体的分配是往往是不可避免的。气液两相混合物通过分配管件时下游各支路的气液相比例通常互不相同，这就是所谓的相分离现象。相分离所导致的流量分配不均匀严重影响着工业设备的安全和高效运行，因此在工业应用领域，总希望各支路出口的两相流体具有相同的质量流量和气液相比例，即需要对气液两相流进行均匀分配。

目前，国内外主要采用对称型的分配器，其主要特征是各支管在空间上呈对称布置，由于结构对称，则气液相进入各分配支管的几率相等，从而获得较好的分配效果。但这种分配方式对分配器布置方式要求严格，在实际应用中受到很大限制，此外由于气相密度小，对阻力变化非常敏感，当下游各支管出口压力发生变化时，压力波会传播到上游，导致分配器分配特性发生变化，从而导致各下游分配支管气液相比例出现差异。

中国专利101402004A公开了一种气液两相流体分配器，其基本原理是“先分离、后分配”，首先将气液两相来流先分离成单相气体和单相液体，然后单相气、液分成若干支路流动，最后再重新混合，通过将气液两相流体的分配转换成了单相流体的分配，提高了分配效果。但由于需要对气液相进行分离，整个分配器体积庞大，同时该分配装置需要安装流量计和调节阀监测和调节各支路的流量，操作过程复杂。此外，此种分配方法也会受分配器下游各分配支管阻力特性和压力波动的影响，会产生相分离，很难保证各下游分配支管具有相同的质量流量和一致的气液相比例。美国专利US6250131、US5250104采用的原理与此类似。

中国专利CN1003461140C提出了一种分时式多相流体比例分配方法和装置，原理是使整个分配器空间的多相流按给定的时间份额交替性地流向对应的支路，从而增强分配的均匀性。基于分时原理的分配器的不足之处在于：其关键部件分配转轮为运动部件，在气相流量较大的工况下容易发生卡堵；此外，这种分配器同样受各支管下游参数的影响，由于下游各支管路阻力特性不可能完全一致，会导致进入分配管路的气体质量流量与主管路的气体质量流量比值不能保持恒定。

综上所述，两相流分配特性不但取决于各分配支管布置形式和上游入口参数，还受各支管下游压力波动的影响。由于气体动量低，对下游压力变化非常敏感，更容易进入阻力小的支路，对于目前提出的几类分配装置，如果各下游通道阻力特性不同，将很难实现气液相的均匀分配。

发明内容

针对现有技术存在的缺陷和不足，本发明的目的是提出一种气液两相流均匀分配装置，能从根本上消除下游各支管路阻力特性不一致所导致的相分离现象，保证分配装置下游各支路具有相同的气液相流量和气液相比例，从而实现均匀分配。

为实现上述目的，本发明提出的技术方案，其基本思想是：通过“流型调整+临界分配”来保证进入多个支路的气液两相流体具有相同的气液比例和流量。“流型调整”是在分配支管上游安装流型调整装置，将上游的分层流、波浪流、不完全环状流等结构不对称流型整改成液膜厚度沿周向均匀分布的环状流型，使下游各分配通道入口接触气液相的几率相等。“临界分配”是在各分配支管入口处安装临界喷嘴，对来流进行加速，促使气液两相流在喷嘴内形成临界流动。根据临界流动理论，当气液混合物达到临界流动时，气液混合物流动速度等于声速，由于压力扰动传播速度与声速相等，从而在临界流动条件下分配通道下游压力变化不会传递到上游，此时进入小孔的质量流量仅取决于上游滞止条件和分配孔几何特征。这样，通过“流型调整”使下游各支路入口接触到的气液相几率相等，通过“临界分配”保证分配支管下游压力参数变化不会传递到上游，从而在根本上克服了下游各支管路阻力特性不一致所导致的相分离，保证了各分配管路中气液比例相等和气液相流量相等。

根据上述思想，所述的一种气液两相流均匀装置，主要包括分配主管、旋流器、整流器、临界喷嘴和分配支管，主管入口用两相来流管路相连，接收上游来的两相流体，旋流器和整流器布置在分配主管内部，整流器布置在旋流器下游，临界喷嘴布置在整流器下游的分配装置主管的管壁上，每个临界喷嘴下游和分配支管连接，主管末端由盲板密封。

本发明的其它一些特点是，所述的旋流器由两个结构完全相同的旋流叶片组成，旋流叶片为半椭圆形，两旋流叶片在分配主管内按一定角度交叉布置，两旋流叶片外缘与管内壁重合。旋流器的主要作用是用于流型调整，将上游的分层流、波浪流、环状流等不对称流型整改为液膜沿管周均匀分布的环状流。

所述的整流器由直管段和扩展段组成，扩展段呈喇叭口型，扩展段出口处直径与分配装置主管内径相等。整流器用于对旋流叶片下游形成的环状流进一步调整，使周向液膜分布更加均匀。

所述的临界喷嘴安装在分配器下游的主管管壁上，临界喷嘴喉部直径为所说分配装置主管内径d的1/20-1/10，临界喷嘴入口与分配装置主管的内表面平行，可直接接触到分配装置主管内的气液相介质。临界喷嘴的数目由分配支管的数目决定，而分配支管的数目取决于实际需要对气液两相流进行分配的数目。临界喷嘴数目应大于或等于2个。各个临界喷嘴结构完全相同，安装位置和分配装置主管管壁垂直，且临界喷嘴均位于垂直于分配主管轴线的同一个截面上。临界喷嘴处流型被上游的旋流器和整流器整改为结构完全对称环状流，各个临界喷嘴接触到的气液相几率完全相同，临界喷嘴在管壁上无需对称布置。临界喷嘴功能对气液两相流进行加速，促使在其喉部形成临界流，消除下游参数波动对分配的影响。

本发明与国内外现有技术相比具有以下优点：

(1)从根本上克服了各个分配支路阻力特性不相同对分配的影响，实现气液量的均匀分配；

(2)无调节阀，无需人为干预，能进行自适应调节；

(3)分配器体积小、结构简单紧凑，无运动部件，无需维护，具有良好的环境适应性。

下面结合附图和典型实施例对本发明做进一步说明。

附图说明

图1是本发明结构示意图；

图2是旋流叶片结构示意图；

图3是整流器结构示意图，其中(a)为结构图，(b)为侧视图；

图4是流型调整示意图；

图5是实例1临界喷嘴结构及安装示意图；

图6是实例2临界喷嘴结构及安装示意图。

具体实施方式

实施例1

气液两相流均匀分配装置结构如图1所示。它是由分配主管2，旋流器3，整流器4，临界喷嘴5，分配支管8，以及三个连接法兰1、6、7，一个密封盲板9等部件组成。

具体连接描述如下：分配主管入口通过分配器法兰1和两相流来流管路相连，旋流器3布置在分配主管2内部，整流器4位于旋流器3下游，临界喷嘴5安装在整流器4下游的管壁上，临界喷嘴出口通过临界喷嘴下游法兰6和分配支管上游法兰7连接，分配主管2术端由密封盲板9封堵。

旋流器3和整流器4功能是进行流型调整，将进入分配主管2的不对称流型整改为结构完全对称的环状流型，使下游各临界喷嘴5入口接触气液相的几率相等，临界喷嘴5用于促使进入其内的气液混合物达到音速，形成临界流动。

旋流器：旋流器3由两个结构完全相同的旋流叶片10组成。如图2所示，旋流叶片10为半椭圆结构，椭圆短轴直径与分配主管内径d相同，椭圆长轴直径为D，椭圆长轴直径D大于分配主管2的内径d，两叶片交叉布置在分配主管2内，交差角大小为θ＝2arcsin(d/D)，两旋流叶片10外缘与管内壁轮廓线重合，当来流经过旋流叶片时，由于叶片外缘与管壁之间无缝隙，使得流体被迫沿着叶片表面方向流动，从而使得来流产生旋转，在离心力作用下将密度较大的液相抛向管壁，形成中间为气芯、管壁为液膜的环状流型。

整流器：整流器4结构如图3所示，用于进一步增强上述形成的环状流液膜均匀性和对称性。整流器4为中空筒形，由等径段和扩张段组成，整流器4外径与分配主管2的内径d相同，等径段内径为d′为0.8d，长度为0.3d，扩张段呈喇叭口型，长度为0.2d，出口处直径与分配主管2内径d相等。

图4为流型调整效果示意图，水平管路在重力作用下，管道内的气液相分布通常不对称，对于分层流和波浪流，液相主要在管底部流动，对于水平管环状流，管上壁液膜很薄，下部液膜较厚，经过旋流器3后上游的这种结构不对称流型，都被整改成液膜厚度沿周向均匀分布的环状流，经过整流器4后，液膜分布更加均匀，这样经过流型调整使得下游布置在管周不同位置处的各个临界喷嘴5的入口接触到的气液相的几率完全相等。

临界喷嘴：所述的临界喷嘴如图1、图5所示，其作用是促使气液两相流混合物形成临界流。其特征在于：临界喷嘴5由喉部11，扩展段12，直管段13，以及临界喷嘴下游法兰6组成。临界喷嘴喉部11内径为分配主管2直径d的1/10。临界喷嘴喉部11入口安装在分配主管管壁上，且和分配器内表面齐平，能够直接接触到分配主管2内的气液相介质。分配主管2末端被盲板9封堵，在内外差压作用下，气体穿透临界喷嘴喉部11入口处液膜进入临界喷嘴5。由于临界喷嘴喉部11直径远小于分配主管段直径，气液两相混合物在临界喷嘴喉部11内加速流动，达到当地音速，形成临界流动；扩展段为喇叭口型，用于减少阻力损失；临界喷嘴直管段13内径与后接的分配支管8内径相等。临界喷嘴通过临界喷嘴下游法兰6和分配支管上游法兰7进行连接。

参见图5，本实施例中临界喷嘴5的数目为4个，每个临界喷嘴5对应一个分配支管8，安装位置和分配装置主管管壁垂直，且临界喷嘴5均位于垂直于分配主管中心轴线的同一个截面上。临界喷嘴5沿管周对称布置，相互之间夹角均为90°。

所述的一种气液两相流均匀分配装置工程过程如下：

从上游管道来的气液两相流进入气液两相流均匀分配装置后，首先和旋流器3的两个半椭圆形旋流叶片10接触，在两个交叉旋流叶片10的作用下，流型发生了转变，由不对称流型变为液膜沿周向分布均匀的环状流，并在下游整流器4的作用下，管壁上液膜分布更加均匀，并在下游管段内能继续保持均匀环状流型。主管段下游由盲板9密封，气液相流体只能从各个临界喷嘴5继续向下游流动。所有临界喷嘴5都位于与分配主管中心轴线垂直的同一截面上，各个喷嘴入口处压力也均相同。气液混合物由从分配主管路2流入临界喷嘴喉部11时，流通面积急剧减小，气液混合物流速急剧增加，达到当地音速形成临界流动。根据临界流理论，由于压力波传播速度和声速相等，当流速达到音速时，下游压力变化不能传播到上游，临界喷嘴8中的气液相质量流量只取决于临界喷嘴入口处的压力和喷嘴结构，而各个临界喷嘴5入口处压力完全相同，所有临界喷嘴5结构均相同，这样进入各个临界喷嘴5的气液相质量流量也相同。由于同一截面上，液膜沿周向分布完全一致，不论临界喷嘴在管周布置是否对称，各个临界喷嘴喉部11入口所接触的气液相流体的几率相等，进入各个临界喷嘴5的气液相比例相同。进入临界喷嘴11的气液相流量最终进入与它相连的分配支管8，这样各分配支管8中气液混合物质量流量和气液相比例均相同。

实施例2

图6显示的是所述气液两相分配器的第2实施例的临界喷嘴结构及安装示意图。第2实施例中分配器的临界喷嘴喉部喷嘴数11数目为两个，两个临界喷嘴在管壁上布置不对称。临界喷嘴11喉部内径为分配主管2直径d的1/20。分配支管数8的数目也为两个，通过法兰6、7与临界喷嘴11下游相连接。实施例2中气液两相均匀分配器其它结构与实施例1完全相同。

Claims (2)

1.一种气液两相流均匀分配装置，其特征在于：主要包括分配主管，旋流器、整流器、临界喷嘴和分配支管，分配主管入口接收上游来的两相流体，旋流器和整流器布置在分配主管内部，旋流器由两个结构完全相同的半椭圆形旋流叶片组成，两旋流叶片在分配主管内交叉布置，两旋流叶片外缘保持与管内壁轮廓线重合，整流器布置在旋流器下游，整流器由直管段和扩展段组成，扩展段呈喇叭口型，扩展段出口处直径与分配主管内径相等，临界喷嘴布置在整流器下游的分配主管的管壁上，每个临界喷嘴后接一个分配支管，分配主管末端由盲板密封。

2.根据权利要求1所述的一种气液两相流均匀分配装置，其特征在于所述临界喷嘴的喉部直径为分配主管内径的1/20-1/10，临界喷嘴的数目至少有两个，结构完全相同，安装位置和分配主管管壁垂直，且各个临界喷嘴均位于垂直于分配主管轴线的同一个截面上，临界喷嘴沿管周对称安装，或不对称安装，临界喷嘴入口与分配主管的内表面齐平，直接接触到分配主管内的气、液相介质。

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