CN101992007A - 扇形板螺旋流道气体浓缩器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种扇形板螺旋流道气体浓缩器，其包括圆柱形管道(1)和扇形平板(2)，扇形平板(2)安装在管道(1)表面，并在管道(1)表面形成螺旋上升的螺旋流道(3)，本发明结构简单，易实施，可以容易地将密度差别较大的两种气体分离，有利于气体的浓缩利用，解决混合气体中有利用价值的的气体的流失问题，节约了资源，有利于环境的保护。

Description

扇形板螺旋流道气体浓缩器

技术领域

本发明涉及一种气体浓缩器，特别是一种可分离密度差别较大的两种气体的扇形板螺旋流道气体浓缩器。

背景技术

我国是世界产煤大国，每年由煤矿通风所排出的气体(乏风瓦斯气体)中甲烷的数量就达到200多亿m³。甲烷的排空会带来大量温室气体，对当前保护环境和控制气候变化有着至关重要的影响。

在当今世界大力开发生物能源和可再生能源的大趋势下，成为当前环境保护和新能源开发的一个主要方向。我国正在大力推广农村和小城镇的沼气应用，我国的沼气产量也居世界第一。农村和城镇大规模的沼气建设不但大量减少了农作物秸秆、城镇垃圾、废水及其他废弃物对环境的污染，还得到了生产生活所需的甲烷和农作物生长所需要的肥料，是一件一举多得的好事。但沼气中除甲烷外还有30％多的二氧化碳。

如何用较低的能耗将二氧化碳分离，从而获得接近天然气标准的甲烷气体，以及将煤矿通风所排出的气体中的甲烷分离出来，以便在工业上得到更好的应用，是值得研究的一个重要的课题。

发明内容

本发明的目的是提供一种可以分离密度差别较大的两种气体的扇形板螺旋流道气体浓缩器。利用上述扇形板螺旋流道气体浓缩器可以将与甲烷密度差别较大的气体分离。

为了实现上述的技术目的，本发明的技术方案是：一种扇形板螺旋流道气体浓缩器，其包括圆柱形管道和扇形平板，扇形平板安装在管道表面，并在管道表面形成螺旋上升的螺旋流道。

在一个完整的螺旋周期上，所述扇形平板按等分原则安装。所述螺旋流道的宽度相同。

在所述螺旋流道内，管道上形成有贯穿管道内外表面的小孔，所述小孔的开孔方向与螺旋流道的上升方向相同。

所述小孔位于螺旋流道中间，在一个完整的螺旋周期内，螺旋流道内的小孔之间的距离相同。

在一个完整的螺旋周期内，螺旋流道内设置有6个小孔。

密度不同的气体中的一种气体逐渐向螺旋流道的内侧移动富集，从而达到对气体分离富集的效果。

以甲烷和空气的混合气体为例，甲烷气体的对流速度为v_m，密度为ρ_m，空气的对流速度为v_a，密度为ρ_a。

在气体不可压缩的前提下，空气-甲烷二元混合气体的连续性方程(体积守恒)为

在柱坐标下其连续性方程为：

$\frac{{\∂\mathrm{cv}}_{\mathrm{mr}}}{\∂r}+\frac{1}{r}\frac{{\∂v}_{\mathrm{m\θ}}}{\∂\mathrm{\θ}}+\frac{{\mathrm{cv}}_{\mathrm{mr}}}{r}+\frac{{\∂\mathrm{cv}}_{\mathrm{mz}}}{\∂z}+\frac{\∂(1-c)v_{\mathrm{ar}}}{\∂r}---\left(2\right)$

$+\frac{1}{r}\frac{\∂(1-c)v_{\mathrm{a\θ}}}{\∂\mathrm{\θ}}+\frac{(1-c)v_{\mathrm{ar}}}{r}+\frac{\∂(1-c)v_{\mathrm{az}}}{\∂z}=0$

质量守恒方程为：

$\frac{\∂c}{\∂t}=v_{\mathrm{mr}}\frac{\∂c}{\∂r}+\frac{{\mathrm{cv}}_{\mathrm{mr}}}{r}+\frac{1}{r}{v}_{\mathrm{m\θ}}\frac{\∂c}{\∂\mathrm{\θ}}+v_{\mathrm{mz}}\frac{\∂c}{\∂z}---\left(3\right)$

动量方程为：

${\mathrm{\ρ}}_m(\frac{{\mathrm{Dcv}}_{\mathrm{mr}}}{\mathrm{Dt}}-c\frac{v_{\mathrm{m\θ}}^2}{r})+{\mathrm{\ρ}}_a(\frac{D(1-c)v_{\mathrm{ar}}}{\mathrm{Dt}}-(1-c)\frac{v_{\mathrm{a\θ}}^2}{r})=$

${\mathrm{c\ρ}}_m{f}_{\mathrm{mr}}+(1-c){\mathrm{\ρ}}_a{f}_{\mathrm{ar}}-\frac{\∂p}{\∂r}+\mathrm{\μ}({\▿}^2{\mathrm{cv}}_{\mathrm{mr}}-\frac{{\mathrm{cv}}_{\mathrm{mr}}}{r^2}-\frac{2}{r^2}\frac{{\∂\mathrm{cv}}_{\mathrm{m\θ}}}{\∂\mathrm{\θ}})---\left(4\right)$

$+\mathrm{\μ}({\▿}^2(1-c)v_{\mathrm{ar}}-\frac{(1-c)v_{\mathrm{ar}}}{r^2}-\frac{2}{r^2}\frac{\∂(1-c)v_{\mathrm{a\θ}}}{\∂\mathrm{\θ}})$

${\mathrm{\ρ}}_m(\frac{{\mathrm{Dcv}}_{\mathrm{m\θ}}}{\mathrm{Dt}}+\frac{{\mathrm{cv}}_{\mathrm{mr}}{v}_{\mathrm{m\θ}}}{r})+{\mathrm{\ρ}}_a(\frac{D(1-c)v_{\mathrm{a\θ}}}{\mathrm{Dt}}+\frac{(1-c)v_{\mathrm{ar}}{v}_{\mathrm{a\θ}}}{r})-$

${\mathrm{\ρ}}_m{\mathrm{cf}}_{\mathrm{m\θ}}+{\mathrm{\ρ}}_a(1-c)f_{\mathrm{a\θ}}-\frac{1}{r}\frac{\∂p}{\∂\mathrm{\θ}}+\mathrm{\μ}({\▿}^2{\mathrm{cv}}_{\mathrm{m\θ}}-\frac{{\mathrm{cv}}_{\mathrm{m\θ}}}{r^2}+\frac{2}{r^2}\frac{{\∂\mathrm{cv}}_{\mathrm{mr}}}{\∂\mathrm{\θ}})---\left(5\right)$

$+\mathrm{\μ}({\▿}^2(1-c)v_{\mathrm{a\θ}}-(1-c)\frac{v_{\mathrm{a\θ}}}{r^2}+\frac{2}{r^2}\frac{\∂(1-c)v_{\mathrm{ar}}}{\∂\mathrm{\θ}})$

${\mathrm{\ρ}}_m\frac{{\mathrm{Dcv}}_{\mathrm{mz}}}{\mathrm{Dt}}+{\mathrm{\ρ}}_a\frac{D(1-c)v_{\mathrm{az}}}{\mathrm{Dt}}={\mathrm{\ρ}}_m{\mathrm{cf}}_m+{\mathrm{\ρ}}_a(1-c)f_a-\frac{\∂p}{\∂z}---\left(6\right)$

$+{\mathrm{\μ}\▿}^2{\mathrm{cv}}_{\mathrm{mz}}+{\mathrm{\μ}\▿}^2(1-c)v_{\mathrm{az}}$

扇形板螺旋流道的流场处于稳定层流状态。其切向流速近似为自由涡，沿螺旋流道宽度方向近似为二次抛物线分布。即：

$v_{\mathrm{m\θ}}=v_{\mathrm{a\θ}}=\frac{C_1}{r}(1-\frac{z^2}{{4h}^2}),v_{\mathrm{mz}}+v_{\mathrm{az}}=\frac{C_2}{r}---\left(7\right)$

所设计的螺旋流道的升角很小，由于

因此由重力引起的对流运动可忽略。

主要考虑由旋流产生的惯性力引起的甲烷气体向旋流中心的移动。假设螺旋流道中各处的甲烷浓度只与螺旋流道的位置有关，即稳定扩散。由于由惯性力引起的径向对流速度v_mr很小(因甲烷浓度浓度很低)，因此在螺旋流道内侧圆柱面上开近似切向的小孔，小孔内给予负压以抽吸少量混合气体，使螺旋流道中的混合气体的速度场产生一个沿径向的流量Q_r，使方程(7)中的C₂增大，可显著增大甲烷微团的径向理论速度v_mr。即显著增加甲烷气体在径向的移动通量。提高螺旋流道对甲烷混合气体的浓缩效率。此时，甲烷气体逐渐向螺旋流道的内侧移动富集，从而达到对甲烷气体分离富集的效果。

本发明结构简单，易实施，可以容易地将密度差别较大的两种气体分离，有利于气体的浓缩利用，解决混合气体中有利用价值的的气体的流失问题，节约了资源，有利于环境的保护。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明中扇形平板的示意图。

图3为本发明中小孔的位置示意图。

具体实施方式

如图1所示，一种扇形板螺旋流道气体浓缩器，其包括圆柱形管道1和扇形平板2(如图2所示)，扇形平板2安装在管道1表面，并在管道1表面形成螺旋上升的螺旋流道3，所述螺旋流道3的宽度相同。

在一个完整的螺旋周期上，所述扇形平板2按等分原则安装。相邻的两块扇形平板2之间并不接触，为了使气体在螺旋流道3内流动，相邻的两块扇形平板2在上下位置可以重叠，如鱼鳞片一样，但相邻的扇形平板2之间并不接触。

以甲烷和空气混合气体为例，为显著增加甲烷气体在径向的移动通量，提高螺旋流道对甲烷混合气体的浓缩效率，可使螺旋流道3产生抽吸效果，在所述螺旋流道3内，管道1上形成有贯穿管道1内外表面的小孔4，如图3所示，所述小孔4的开孔方向与螺旋流道3的上升方向相同(即与迎风向相同)。

所述小孔4位于螺旋流道3中间，在一个完整的螺旋周期内，螺旋流道3内的小孔4之间的距离相同。

例如在一个完整的螺旋周期内，螺旋流道3内设置有6个小孔4。例如，设置管道1外表面的周长为628cm，螺旋流道3的上升高度为400cm，若设置6个小孔4，那么每个小孔4之间的距离124.09cm(管道1展开为平面时距离)。

同时在管道1内部用风机抽吸，使小孔4中的气流场产生负压(即压力低于螺旋流道3流场内侧压力)。控制管道1内部的抽吸流量或负压数值，可以达到控制螺旋流径向流量的目的。

上述实施例不以任何方式限制本发明，凡是采用等同替换或等效变换的方式获得的技术方案均落在本发明的保护范围内。

Claims (6)

1.一种扇形板螺旋流道气体浓缩器，其特征在于包括圆柱形管道(1)和扇形平板(2)，扇形平板(2)安装在管道(1)表面，并在管道(1)表面形成螺旋上升的螺旋流道(3)。

2.根据权利要求1所述的扇形板螺旋流道气体浓缩器，其特征在于：在一个完整的螺旋周期上，所述扇形平板(2)按等分原则安装。

3.根据权利要求1所述的扇形板螺旋流道气体浓缩器，其特征在于：所述螺旋流道(3)的宽度相同。

4.根据权利要求1、2或3所述的扇形板螺旋流道气体浓缩器，其特征在于：在所述螺旋流道(3)内，管道(1)上形成有贯穿管道(1)内外表面的小孔(4)，所述小孔(4)的开孔方向与螺旋流道(3)的上升方向相同。

5.根据权利要求4所述的扇形板螺旋流道气体浓缩器，其特征在于：所述小孔(4)位于螺旋流道(3)中间，在一个完整的螺旋周期内，螺旋流道(3)内的小孔(4)之间的距离相同。

6.根据权利要求4所述的扇形板螺旋流道气体浓缩器，其特征在于：在一个完整的螺旋周期内，螺旋流道(3)内设置有6个小孔(4)。

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