CN102049152B - 一种无外动力层流切水装置及其切水方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种无外动力层流切水装置及其切水方法，属于油罐切水技术领域，该装置包括油罐、切水器、管道、控制器，切水器包括罐体和阀门，罐体上设有出油口、出水口和进液口，其特征在于：管道内设有节流器，节流器的两端分别与进水管和充分发展管相连通，调整流量，实现层流流动；在罐体内还设有浮子，控制阀门的开启和关闭；用本装置切水的方法，是利用油水密度不同，产生的压力不同，形成的油水分界面的压差，提供切水动力，使油水混合液在层流状态下利用密度的不同而在垂直方向上产生不同的浮力，达到油水分离的目的，实现了无外动力的自动循环切水。

Description

一种无外动力层流切水装置及其切水方法

技术领域

本发明属于油罐切水技术领域，主要涉及一种切水装置及其切水方法，特别是涉及一种用于油罐切水的无外动力的层流式切水装置及其切水方法。

背景技术

油水分离器就是根据油罐中油水的密度不同，所产生的浮力不同，形成一个明显的油水分界面的性质，将水从油中分离出来的装置。目前的切水装置主要有浮体式、机械式、电子式等。但油垢对测量精度的影响等问题一直是亟待解决的问题。

发明内容

1、发明目的：

本发明提供一种无外动力层流切水装置及其切水方法，其目的在于实现无外动力全自动切水，结构简单，切水可靠，安全环保，操作弹性大，清洗效果好，控制界面友好。

2、技术方案：

本发明是通过以下技术方案来实现的：

一种无外动力层流切水装置，包括油罐和切水器，切水器包括呈圆筒形两端带有端盖的罐体，在罐体上端盖上设置有出油口，下端盖上设置出水口，出水口下方的出水管道上安装有可控开闭的第二阀门，罐体侧壁上设有进液口，进液口与油罐底部的出液口通过管道相连通，管道靠近出液口的位置上设有第一阀门，其特征在于：所述管道内设有节流器，节流器的两端分别与进水管和充分发展管相连通，在罐体内还设有浮子，第二阀门与控制器相连接。 

所述节流器内部靠近充分发展管一侧设有支架，靠近进水管一侧设有滑片，支架与滑片通过弹簧相连接，滑片上还设有螺母，节流器两侧还设有法兰。  

所述节流器靠滑片在弹簧力的作用下左、右移动，以控制流量，使充分发展管中保持层流流动。

所述进水管设置在节流器靠近油罐的一端，充分发展管设在节流器靠近切水器罐体的一端。

在罐体内部进液口的上方设有上限位挡板，下方设有下限位挡板。

一种用无外动力层流切水装置切水的方法，其特征在于：该方法按下述步骤进行： 

（1）、关闭第一阀门，向油罐中注油，静置1～3小时；

（2）、开启第一阀门，水经过管道中的节流器和充分发展管缓慢进入切水器的罐体内，进入切水器的水处于层流状态，由于浮力的作用，油水分离，浮子在第一油水分界面上；油水密度不同、产生的压力不同，形成了第一油水分界面与第二油水分界面之间的压差，当第一油水分界面与第二油水分界面在同一水平高度上时，浮子静止；  

（3）、给控制器一个信号，第二阀门打开并排水，当浮子降至上限位挡板位置处时，浮子静止，控制器再给第二阀门发出信号，第二阀门关闭；

（4）、利用上述步骤中浮子的两个静止状态实现循环切水控制过程。

所述第一油水分界面与第二油水分界面之间的压差提供了切水动力：△P = (ρ_w-ρ_o)g(h-h′)，式中：ρ_w为水的密度；ρ_o为油的密度；

式中h′=0时，△P=(ρ_w-ρ_o)gh为最大切动力；

式中ρ_w=ρ_o时，h=h′，即第一油水分界面与第二油水分界面在同一水平高度上，此时，△P=0。

浮子的两个静止状态分为高位静止和低位静止，△P=0时，浮子于高位静止时；浮子降至上限位挡板位置时，浮子于低位静止。

本发明这种无外动力层流切水装置的工作原理为：利用油水密度不同的特点，使油水混合液在层流状态下利用密度的不同而在垂直方向上产生不同的浮力，达到油水分离；同时由于设计了弹簧式节流器，调整流量，实现层流流动；利用油水密度不同，产生的压力也不同，形成了油水分界面的压差，提供了切水动力，并通过液位浮子静、动状态，控制电磁阀的开启和关闭，实现自动切水，即浮子在高位（油罐与切水器液位相等处）和低位（上限位挡板处）时均为静止状态，利用两个静止状态实现循环切水控制。

3、优点及效果： 

本发明提出的一种无外动力层流切水装置，有益效果为： 

通过设置节流器和充分发展管，使进入切水装置的油水混合液处于层流流态；由于检测只取两个稳态，通过设置液位浮子，减小了油垢对检测精度的影响；节流器结构简单，方便拆装，便于清洗，可实现无外动力循环切水；操作弹性大，可处理多种密度的油与水的分离。

四、附图说明：

图1为本发明结构及切水工艺过程示意图；

图2为节流器结构示意图；

图3为层流切水原理图；

图4为浮子测位原理图。

附图标记说明：

1—罐体；2—出油口；3—出水口；4—第二阀门；5—进液口；6—出液口；7—管道；8—节流器；9—上限位挡板；10—下限位挡板；11—浮子；12—进水管；13—充分发展管；14—支架；M—滑片；K—弹簧；17—螺母；18—法兰；19—第一阀门；20—控制器；A—第一油水分界面；B—第二油水分界面；0-0′—基准；h—油罐里的第二油水分界面相对基准的高度；h′—切水器里的第一油水分界面相对基准的高度；u—充分发展管中的流速；u1—进水管中的流速；u2—节流管中的流速；d—充分发展管的直径；D—节流管的直径。

五、具体实施方式： 

 下面结合附图对本发明做进一步的说明：

一种无外动力层流切水装置，如图1中所示，包括油罐和切水器，切水器包括呈圆筒形两端带有端盖的罐体1，在罐体1上端盖上设置有出油口2，下端盖上设置出水口3，出水口3下方的出水管道上安装有可控开闭的第二阀门4，罐体1的侧壁上设有进液口5，进液口5与油罐底部的出液口6通过管道7相连通，管道7靠近出液口5的位置上设有可控开闭的第一阀门19，其特征在于：所述管道7内设有节流器8，如图2中所示，节流器8的两端分别与进水管12和充分发展管13相连通，设置节流器8与充分发展管13的目的是为了保证进入切水器流体保持层流状态，在罐体1内还设有浮子11，第二阀门4与控制器20相连接。 

如图2中所示，节流器8内部靠近充分发展管13一侧设有支架14，靠近进水管12一侧设有滑片M，支架14与滑片M通过弹簧K相连接，滑片M上还设有螺母17，节流器8两侧还设有法兰18，节流器8结构简单，方便拆卸，便于清洗。  

节流器8靠滑片M在弹簧力的作用下可以左、右移动，控制流量使充分发展管13中保持层流流动。

进水管12设置在节流器8靠近油罐的一端，充分发展管13设在节流器8靠近切水器罐体1的一端。

在罐体1内部进液口5的上方设有上限位挡板9，下方设有下限位挡板10，这两块挡板可以起到限位与防湍流的作用。

一种用无外动力层流切水装置切水的方法，其特征在于：该方法按下述步骤进行： 

（1）、关闭第一阀门19，向油罐中注油，静置1～3小时；

（2）、开启第一阀门19，水经过管道7中的节流器8和充分发展管13缓慢进入切水器的罐体1内，进入切水器的水处于层流状态，由于浮力的作用，油水分离，浮子11在第一油水分界面上；油水密度不同、产生的压力不同，形成了第一油水分界面与第二油水分界面之间的压差，当第一油水分界面A与第二油水分界面B在同一水平高度上时，浮子11静止；  

（3）、给控制器20一个信号，第二阀门4打开并排水，当浮子11降至上限位挡板9位置处时，浮子11静止，控制器20再给第二阀门4发出信号，第二阀门4关闭；

（4）、利用上述步骤中浮子的两个静止状态实现无外动力全自动循环切水的控制过程，这样做的好处是，检测只取两个静止的稳态，减小了油垢对检测精度的影响。

第一油水分界面A与第二油水分界面B之间的压差提供了切水动力：

△P = (ρ_w-ρ_o)g(h-h′)，式中：ρ_w为水的密度；ρ_o为油的密度；

式中h′=0时，△P=(ρ_w-ρ_o)gh为最大切动力；

式中ρ_w=ρ_o时，h=h′，即第一油水分界面与第二油水分界面在同一水平高度上，此时，△P=0。

浮子11的两个静止状态分为高位静止和低位静止，△P=0时，浮子11于高位静止时；浮子11降至上限位挡板9位置时，浮子11于低位静止。

如图1中所示，使用本发明这种无外动力层流切水装置切水过程如下：

关闭第一阀门19，向油罐中注油，静置1～3小时，2小时效果最好；

开启第一阀门19，水经过管道7中的节流器8和充分发展管13缓慢进入切水器的罐体1内，进入切水器的水处于层流状态，由于浮力的作用，油水分离，此时，浮子11处在第一油水分界面上；由于油和水密度不同、产生的压力不同，形成了第一油水分界面A与第二油水分界面B之间的压差，当第一油水分界面与第二油水分界面在同一水平高度上时，浮子11静止；    

给控制器20一个信号，第二阀门4打开并开始排水，当浮子11降至上限位挡板9位置处时，浮子11静止，控制器20再给第二阀门4发出信号，此时，第二阀门4关闭；

利用浮子的两个静止状态实现循环切水的整个控制过程。

切水动力：

如图1所示，以0-0′为基准，切水动力：

  △P = (ρ_w-ρ_o)g(h-h′)

式中：ρ_w为水的密度；

ρ_o为油的密度。

当h′=0时，△P=(ρ_w-ρ_o)gh为最大切动力；

当ρ_w=ρ_o时，说明h=h′，即第一油水分界面A与第二油水分界面B在同一水平高度上，此时，△P=0。

层流切水模型：

节流器8的作用是保证进入切水器的流体流速处于层流状态，如图2所示，当切水动力大时，滑片M向左移动使流过节流器8的流量变小；当切水动力小时，滑片M在弹簧K弹簧力的作用下向右移动，控制流量使充分发展管13中保持层流流动。经充分发展管后，流体进入切水器后保持层流。

为保证连续流动， 

取d₀=1.3d，则D²=2.69d²

对于滑片M：△P=K·△x

滑片M初始位置（即弹簧自然状态）：

，

要使流动为层流，则

 ，

则

 ，

这样使流体在层流状态下进入切水器，由于密度不同，在浮力的作用下，油向上移动，水向下移动，如图3所示。

由伯努利方程：

由于A_0-0》A_1-1，故u₀≈0。得

，

根据质量守恒方程得：

 ，

综上：

  ，

据此设计弹簧，以保持层流状态。

油水分界面浮子测位：

在切水装置中，设置一浮子11，浮子高位为油罐与切水器水平液位相等，即△P=0，浮子静止；当浮子在低位时，即降至上限位挡板处，浮子静止。因此利用两个静止状态实现循环切水控制，如图4所示。

浮子测位原理：假定球形浮子在油水分界面处，浮子受到浮力F和浮子重力G的作用使其平衡，即F=G。

在浮子表面取一微元面积dA，n为dA单位外法线，p为作用于微元面积上的压力，则浮力F为：

取A₀A₁为封闭面，根据高斯定理，得：

式中v₂、A₂、v₁、A₁分别为浮子在油水分界面上部和下部的体积和面积；

     p_o、p_w分别为油水对浮子微元面积产生的压力；

     ρ_o、ρ_w分别为油、水的密度；

     A₀为油水分界面处浮子的横截面积。

因此，ρ_wgv₁=G。

当球的半径为r，浮子赤道在油水分界面上时：

即按此选择浮子。

本发明提供的这种无外动力层流切水装置及其切水方法，克服了现有切水装置中因油垢影响测量精度等方面存在的缺陷，可实现无外动力全自动切水，具有结构简单，切水可靠，安全环保，操作弹性大，清洗效果好的优点，适于工业应用。

Claims (6)

1.一种无外动力层流切水装置，包括油罐和切水器，切水器包括呈圆筒形两端带有端盖的罐体（1），在罐体（1）上端盖上设置有出油口（2），下端盖上设置出水口（3），出水口（3）下方的出水管道上安装有可控开闭的第二阀门（4），罐体（1）侧壁上设有进液口（5），进液口（5）与油罐底部的出液口（6）通过管道（7）相连通，管道（7）靠近出液口（5）的位置上设有第一阀门（19），其特征在于：所述管道（7）内设有节流器（8），节流器（8）的两端分别与进水管（12）和充分发展管（13）相连通，在罐体（1）内还设有浮子（11），第二阀门（4）与控制器（20）相连接；所述节流器（8）内部靠近充分发展管（13）一侧设有支架（14），靠近进水管（12）一侧设有滑片（M），支架（14）与滑片（M）通过弹簧（K）相连接，滑片（M）上还设有螺母（17），节流器（8）两侧还设有法兰（18）；在罐体（1）内部进液口（5）的上方设有上限位挡板（9），下方设有下限位挡板（10）。

2.根据权利要求1所述的一种无外动力层流切水装置，其特征在于：所述节流器（8）靠滑片（M）在弹簧力的作用下左、右移动以控制流量，使充分发展管中保持层流流动。

3.根据权利要求1所述的一种无外动力层流切水装置，其特征在于：所述进水管（12）设置在节流器（8）靠近油罐的一端，充分发展管（13）设在节流器（8）靠近切水器罐体（1）的一端。

4.一种用权利要求1所述的无外动力层流切水装置切水的方法，其特征在于：该方法按下述步骤进行： 

（1）、关闭第一阀门（19），向油罐中注油，静置1～3小时；

（2）、开启第一阀门（19），水经过管道（7）中的节流器（8）和充分发展管（13）缓慢进入切水器的罐体（1）内，进入切水器的水处于层流状态，由于浮力的作用，油水分离，浮子（11）在第一油水分界面上；油水密度不同、产生的压力不同，形成了第一油水分界面与第二油水分界面之间的压差，当第一油水分界面与第二油水分界面在同一水平高度上时，浮子（11）静止；  

（3）、给控制器（20）一个信号，第二阀门（4）打开并排水，当浮子（11）降至上限位挡板（9）位置处时，浮子（11）静止，控制器（20）再给第二阀门（4）发出信号，第二阀门（4）关闭；

（4）、利用上述步骤中浮子的两个静止状态实现循环切水控制过程。

5.根据权利要求4所述的一种用无外动力层流切水装置切水的方法，其特征在于：所述第一油水分界面与第二油水分界面之间的压差提供了切水动力：△P = (ρ_w-ρ_o)g(h-h′)，式中：ρ_w为水的密度；ρ_o为油的密度；h为油罐里的第二油水分界面相对基准的高度；h′为切水器里的第一油水分界面相对基准的高度；

式中h′=0时，△P=(ρ_w-ρ_o)gh为最大切动力；

式中ρ_w=ρ_o时，h=h′，即第一油水分界面与第二油水分界面在同一水平高度上，此时，△P=0。

6.根据权利要求4或5所述的一种用无外动力层流切水装置切水的方法，其特征在于： 浮子（11）的两个静止状态分为高位静止和低位静止，△P=0时，浮子于高位静止时；浮子降至上限位挡板（9）位置时，浮子于低位静止。

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