CN103240188B - 用于气液分离的惯性分离器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于气液分离的惯性分离器，所述惯性分离器包括：管状体部（12），其具有基本沿切线方向延伸穿过所述体部（12）的侧壁的入口（14），环形管道（16），其设置在所述管状体部（12）的内侧并且与所述入口（14）流体连通，其中，所述环形管道（16）经由环形间隙（20）延伸到所述管状体部（12）的内腔（18）中，所述环形间隙（20）在所述体部（12）的面向内的侧壁部（15）和第一插入件（30；50）之间延伸。

Description

用于气液分离的惯性分离器

技术领域

本发明涉及一种用于分离气液两相流体的气体成份和液体成份的惯性分离器。

背景技术

惯性分离器或者所谓的旋风汽液分离器在现有技术中是公知的。一般地，这种分离器包括柱状或者管状容器以及切向定向的入口，借助此入口包括气体成份和液体成份的两相流体能够输送到容器的内腔中，由此使得两相流体发生涡流或者漩涡运动。

两相流体的类似漩涡或涡流的流动产生的离心力使得液体成份径向向外扩散以撞击到容器的柱形内壁面上。在所述内壁面上将形成液滴，其经由相应的出口排出。剩下的气相可以经由单独的出口逸出容器。

气液分离的程度很大程度上取决于容器的几何形状及其水动力特性。由于离心力很大程度上取决于容器的半径和内直径以及两相流体的流速，所以气液两相的分离效率的增加一般需要尺寸较大的旋风分离器或者惯性分离器。

文献EP1323478A2公开了在外管的上游具有入口管的汽液分离器，该外管局部地构成所述汽液分离器的引流通道。以预定节距扭曲的窄板固定地设臵于入口管中以向汽液两相流体赋予漩涡状态。

然而，这种实施例需要入口管具有特定的形状和设臵，因此限制了这种旋风分离器的应用领域。当这种分离器用在汽车行业时，惯性或旋风分离器应该通用地适于多种不同的安装位臵。此外，惯性分离器的总体几何形状应该较紧凑并且尺寸较小。尽管几何形状受限，但惯性分离器应提供改进的气液相分离。这种分离器还应该重量较轻、以及在制造和装配方面简单且成本高效。

发明内容

本发明因此提供一种基于旋风分离器原理的用于气液分离的惯性分离器。该惯性分离器包括管状体部，该管状体部具有大致沿切线方向延伸穿过体部的侧壁的入口。经由切向延伸的入口，从入口供给的两相流体在管状体部的径向外周区域进入管状体部。由此，漩涡或涡流能够被自然地赋予所供给的两相流体。

在此上下文中，切向和周向以及径向和轴向或者纵向涉及分离器的管状体部的整体几何形状。

惯性分离器还包括环形管道，其设臵在管状体部的内部并且与入口流体连通。环形管道适配为产生两相流体的附加漩涡运动，因此有助于在惯性分离器的管状体部内产生两级涡流。环形管道用作预涡流产生器，借助于该环形管道，所供给的两相流体可以经历一种预分离。

所述环形管道经由环形间隙延伸到管状体部的内腔中，该环形间隙在体部的面向内的侧壁部和第一插入件之间延伸。该第一插入件可以提供环形管道，该环形管道优选地在其整个圆周上通过环形的且轴向延伸的间隙延伸到内腔中。

借助于所述环形间隙，在环形管道和内腔之间建立了流体连通。在沿着管状体部的圆柱形侧壁的内圆周延伸的环形管道的内部，能够支持和/或激发两相流体的第一漩涡或涡流。第一涡流在由管状体部的纵向和径向限定的平面内旋转，而位于环形管道下游和管状体部内部的两相流体的第二涡流或漩涡运动相对于体部的管状形状在切向或周向上旋转。实际上，第一涡流叠加到第二涡流上。

因此，第二涡流沿着管状体部的面向内的侧壁旋转，并且因此在大致垂直于管状体部的纵向中心轴线延伸的平面内旋转。

将在环形管道或环形通道中产生的第一涡流在切向或周向方向上蔓延，其中涡流运动位于由管状体部的轴向和径向方向限定的平面内。由于所述环形间隙在体部的面向内的侧壁部和插入件之间沿轴向延伸，所以该环形间隙支持周向和轴向的流体流动。由于由环形间隙所提供的在环形管道和内腔之间的流体连接，第一涡流的蔓延方向可以大致与在内腔中的下游发展出的第二涡流的漩涡或涡流方向一致。换句话说，两相流体在环形管道中沿周向或者切向的蔓延可以显著驱动或者支持流体在体部的内腔中产生涡旋运动。

根据一个优选的实施例，环形管道的环形中心大致与管状体部的纵向轴线一致或者重合。因此，在垂直于管状体部的纵向轴线的平面内，所述环形管道和管状体部同心地设臵。特别地，当第一插入件是基本圆形对称的形状时，通过第一插入件在内腔中的同心设臵，可以实现环形管道和带有内腔的管状体部的同心设臵。

假设环形管道在径向和切向上延伸，则环形管道的环形中心限定了管道的位于横向平面或者径向和切向平面（环形或圈状结构在该平面内延伸）内部的中心点或者环形对称点。

在另一优选实施例中，环形管道提供了在入口的下游和环形间隙的上游（因此在惯性分离器的管状体部的内腔的上游）的环形涡流腔。该圈状的环形涡流腔包括支持产生漩涡或者涡流类流动的内部结构。所述环形管道因此可以包括至少一个引导板或者相应的导流板（deflector），该引导板或导流板在暴露于两相流体的流时可以支持或增强涡流的产生。然而，即使没有特定形状的引导板或引流板，仅由环形管道的内部几何机构也可以发展出涡流。

在另一优选实施例中，环形管道设臵在管状体部的内腔的上端处。优选地，惯性分离器竖直地设臵，并且其纵向轴线指向竖直方向。入口优选地设臵在管状体部的上端，而用于液相的出口位于管状体部的底端。这样，可以通过重力的作用有效地支持气相和液相的分离。

借助于环形管道的气相和液相的预分离可以导致液滴形成和积累在体部的侧壁部的面向内的表面上。由于环形管道以及从其延伸的环形间隙设臵在内腔的上端，所以积累的水分可以沿着管状体部的面向内的侧壁部向下流向设臵在管状体部的底部的液体出口。

气体或蒸汽出口优选地设臵在相反的一端，因此设臵在管状体部的上部。气体出口优选地设臵在管状体部的中心，并且优选地设臵成与管状体部同心，而相对设臵的液体出口优选地设臵成与管状体部的面向内的侧壁部邻近。这里，液体出口可以包括若干通孔，这些通孔可以在管状体部的底部处邻近体部的面向内的侧壁等距地设臵。作为多个分开的通孔的替代，也可以设想一个环形出口结构。

在另一优选的实施例中，环形管道包括环形和半壳形的上管部以及对应成型的下管部。优选地，当上、下管部以预定的方式设臵和装配时，两个管部彼此互补以提供基本闭合的圈状的环形管道或者环形通道。半壳形的上、下管部可以包括在沿径向和轴向延伸的平面中的半圆形或者凸形的截面。在切向或周向上，上和/或下管部包括闭合的环形或者圈状结构。

通过将环形管道分成上管部和下管部，惯性分离器的相应的管道形成构件或部件能够设计为不需要侧切部（undercut）。这样，各个部件能够很容易地通过注塑成型技术来制造。

在另一优选实施例中，上管部和下管部通过它们的半壳轮廓彼此面对以形成基本闭合的管道。然而，管道没有完全闭合，而是延伸到环形间隙中以提供朝向管状体部的内腔的逸出通道。在此上下文中，基本闭合的管道限定了这样的管道或通道结构，即，该管道或通道结构具有较小的间隙，所述间隙相对于管道的截面在切向上延伸并且因此相对于管状体部在轴向上延伸。

通常，间隙的尺寸小于管道的直径和/或上和/或下管部的半壳轮廓的任何一个的70%、60%、50%、40%、30%、20%、10%和/或5%。

在另一实施例中，环形间隙的横向截面积是入口的截面积的至少0.2、0.3、0.5、1、1.5、2、3、4或5倍。优选地，环形间隙的横向截面积是入口的截面积的1-1.5倍之间。通过修改环形间隙的横截面，即，在垂直于管状体部的纵向的平面中的截面，可以适当地改变分离器的压力损失以及分离器中的两相流体的整体流动特性。

在其他的实施例中，由于环形间隙的总的横截面（即，该环形间隙的垂直于体部的纵向轴线的截面）与入口的内径至少一样大，因此环形管道对惯性分离器的总压力损失的影响能够保持在可接受的水平。

此外，环形间隙的径向宽度以及轴向长度能够极大地控制和影响惯性分离器的分离效率。因此，通过适当地调整环形间隙的几何尺寸，可以精确地控制体部内的流体的总体流动行为。

根据本发明的另一优选实施例，上管部的截面直径比下管部的相应直径超出环形间隙的径向宽度。优选地，上、下管部在径向向内的部位平滑地彼此会合。上管部径向向外地超出下管部或者从下管部径向向外地突出，因此延伸到环形间隙中。

在经由入口向环形管道供给两相流体后，两相流体趋于经由环形间隙逸出到位于下方的内腔中。这样，可以产生一种抽吸效应，其支持在环形管道内部产生第一涡流。进入环形管道的两相流体因此可以经由下管部被引向上管部。当从上管部转向下管部时，两相流体的一部分分叉并且进入环形的且朝内腔轴向延伸的间隙中。

环形间隙对于两相流体中的气相和液相是同等可穿过的。产生于环形管道中的第一涡流可能已经导致液滴累积，所述液滴可以流过环形间隙。优选地，环形管道与管状体部的流体出口沿轴向对齐。事实上，在环形管道中从两相流体分离出的液滴可以沿着体部的面向内的侧壁流动，或者可以从插入件的靠近环形间隙的滴水缘滴落。

上、下管部可以包括大致半圆形状的半壳轮廓，其中，上管部的截面直径或半径稍大于下管部的相应直径或半径。除此之外，可以设想上和/或下管部的半壳轮廓不需要严格地遵循半圆形状。相反，所谓的半壳轮廓的半径可以沿着上和/或下管部的径向和轴向截面不断地增加。这样，能够提供环形管道的流动优化的轮廓。

换句话说，环形管道可以包括会合在环形间隙中的大致螺旋形状的截面，由此所述截面相对于管状体部的整体几何形状在轴向和径向上延伸。

根据另一实施例，入口的中心大致与环形管道的中心对齐。当向入口供给两相流体时，环形管道的上管部和下管部被以基本相等的流量供给两相流体。

或者，也可以设想将入口设臵成相对于环形管道的中心轴向偏移。此时上管部和下管部中的流量可以相应地变化，根据两相流体的类型，这会影响环形管道内部的第一涡流的产生以及分离器的整体分离特性。

在另一优选实施例中，下管部形成在具有轴向延伸的中心轴部的第一插入件中。该中心轴部可以轴向向下延伸到管状体部内部，并且还可以向上朝管状体部的上端延伸以提供用于气体成分的居中设臵的出口。

更有利的是，根据另一优选实施例，上管部形成在第二插入件中，该第二插入件在内腔的截面上延伸，并且具有与第一插入件的轴部流体连通的中心出口通道。提供下管部和上管部的第一和第二插入件能够独立于管状体部制造，并且可以装配到管状体部中以形成环形管道。这样，具有不同形状的下管部和上管部的多个不同的第一和第二插入件能够通用地装配到共同的管状体部中。

此外，可以提供包括各种的第一和第二插入件的一种结构套件（kit），这使得能够通用地修改惯性分离器以及使惯性分离器通用地适于不同类型的两相流体。第二插入件可以用作管形体部的一种盖，并且可以相对于体部的面向内的侧壁部密封。然而，如果体部包括朝上端的杯形容器，则第二插入件仅需要被固定在该容器中。通过将第二插入件固定在管状体部中，第二插入件可以进一步提供第一插入件的固定支撑。

优选地，第一和第二插入件借助于轴部以及第一和第二插入件的彼此流体连通的出口通道而机械地接合。优选地，第二插入件的出口通道适于接收第一插入件的向上延伸的中心轴部。可以通过各种紧固机构提供中心轴部和出口通道的相互接合。例如，轴部和出口通道可以设有相互对应的螺纹，以建立第一和第二插入件的螺纹连接。

或者，根据另一优选实施例，轴部与第一和第二插入件的出口通道相互压配合。轴部与出口通道（因此与第一和第二插入件）因此可以摩擦接合。这样，能够实现第一和第二插入件的直觉的快速的相互装配。

在一个可选实施例中，也可以设想第一插入件包括出口通道或相应的接收部，其适于接纳第二插入件的轴向向下延伸的轴部。同样地，通常可以设想第一和第二插入件的螺纹的或者压配合的相互接合。

在另一方面，所述体部、第一插入件和/或第二插入件基本没有侧切部。这使得可以通过注塑成型来制造所述体部、第一和/或第二插入件。

优选地根据另一实施例，所述体部、第一插入件和/或第二插入件包括注塑成型的塑料部件，诸如聚甲醛（POM）或者聚丙烯。通过将惯性分离器或其选定的部件制成注塑成型的塑料部件的形式，与包括例如金属部件的分离器相比，惯性分离器的生产成本以及总体重量都能够有效地降低。

附图说明

在下文中，将参考附图对本发明的优选实施例进行说明，其中：

图1示出了惯性分离器的沿A-A的截面图，

图2示意性地示出了从外侧观察到的惯性分离器的管状体部，

图3示出了图2的沿B-B的横截面图，

图4示出了图3的沿C-C的纵截面图，以及

图5示出了惯性分离器的另一实施例沿A-A的截面图。

具体实施方式

如图1和图2所示的惯性分离器10包括用作壳体的并且包括内腔18的大致管形的体部12，该内腔18在径向上由体部12的内侧壁15限定。内腔18在向上的方向上由第一插入件30限定，而在相反的方向上，内腔18延伸到位于体部12的底部的各个流体出口22中。

如图2和图3示出的入口14在切线方向上延伸穿过体部12的侧壁。因此，入口14设臵成沿侧向或者径向偏离体部12的纵向中心轴线1。体部12在其上端包括被中心通孔17贯穿的盖部13，在液相和气相已经有效地分离之后，两相流体中的气相可以经由此中心通孔17逸出。

靠近体部12的上端设臵有第二插入件32，该第二插入件32基本在内腔18的整个横截面上延伸。上部的第二插入件32包括与体部12的通孔17平齐的中心出口通道24。此外，第二插入件32包括形成环形管道16的上管部26的环形半壳轮廓。

环形管道16由所述的上管部26和下管部28形成，其中后者由第一插入件30形成。该第一插入件30包括半壳轮廓形式的下管部28，并且当该第一插入件30装配成与第二插入件32抵接时，用于形成基本闭合的管道或者环形通道结构16。

为了第一和第二插入件30、32之间的相互装配，第一插入件包括居中定位并且轴向延伸的轴部33，该轴部33形成轴向延伸到内腔18中的通道。所述轴部33还轴向向上延伸并且与第二插入件32的出口通道24接合。例如，可以通过出口通道24和轴部33的彼此对应的螺纹来建立第一和第二插入件30、32的相互连接。

或者，如图1所示，出口通道24和轴部33可以借助于压配合部44彼此固定，该压配合部44提供了第一和第二插入件30、32的摩擦接合。

上管部26和下管部28的凹入的或者半圆形状的半壳轮廓彼此面对以形成基本闭合的环形管道16。然而，例如如图1和4所示，下管部28的径向延伸范围与上管部26的对应的径向延伸范围相比稍小。这样，上管部26径向向外突出到下管部28上方，并且因此延伸到环形的且轴向延伸的间隙20中，该间隙20设臵在第一插入件30和体部12的面向内的侧壁部15之间。

如图3和图4所示，由上、下管部26、28形成的环形管道16位于入口14的下游。因此，将经由入口14提供的两相流体在切向方向上进入环形管道16。由于该环形逸出间隙20，第一涡流可能形成在环形管道16内部，该第一涡流沿着下管部28径向向内行进，并且沿着上管部26径向向外流动。所述可能形成在环形管道16内部的漩涡或涡流使得两相流体的气相和液相发生预分离。液滴会撞击上管部26和下管部28的侧壁，并且可以经由环形间隙20由涡流带走并流向内腔18。

经由环形间隙20被推动的或者滴落的液滴可以沿着体部12的侧壁的内表面15流下，直接流进体部12的底部的流体出口22中。然而，由于入口14设臵为与管状体部12相切，所以流过环形管道16的两相流体将流向内腔18，同时保持其相对于作为转动轴线的纵向轴线1的角动量。

结果，当两相流体经由环形间隙20进入内腔18时，将建立绕纵向轴线1漩涡流动的涡流，借助于此涡流，两相流体的其它液体成分可以撞击体部12的侧壁的面向内的表面15。根据环形间隙20的轴向长度和径向宽度，可以精确地调整两相流体进入内腔18时的流动速度和角度，从而优化气液分离程度。

当一种或多种液体成份径向向外收集在体部12的侧壁15上的同时，一种或多种气体成份流经第一插入件30的通道38，并且流经第二插入件32的出口通道24。

设臵在体部12的底部并且具有蘑菇状几何形状的桩钉（peg）42用于径向向外地朝向出口22运送液滴，根据图3的概图，所述出口22靠近体部12的侧壁的面向内的表面15以大约90°的角度等距地设臵。

桩钉42设臵在第一插入件30的通道38的滴水缘46之下。任何从此滴水缘46落下的液滴都撞击到桩钉42的倾斜上表面上，并且向下流入出口22中。

第一插入件30不仅包括下管部28，还包括上管部36，该上管部36定位在第一插入件30的底部并面向内腔18。该上管部36可以有助于内腔18中的两相流体重新定向。实际上在通道38和外体部12之间向上流动的漩涡两相流体可以被弯曲的环形的上管部36重新定向，该上管部36因此用作引导结构或者用作导流板，以将两相流体再次径向向外和向下引导。结果，在上管部36和环形间隙20之间，设臵有滴水缘40，该滴水缘40有助于积累的液滴的受控滴落。

此外，如图1所示，上管部26和下管部28可以由横向槽缝27分隔，借助于此横向槽缝27，能够控制从环形管道16向环形间隙20的流动。此外，如图1和图4所示，第二插入件32包括环形槽34，其用于接收密封件以便相对于气体出口24有效地密封内腔18。

在根据图5的实施例中，如图1所示的第一插入件30已经被修改的插入件50替代。这里，插入件50不再包括向下延伸的通道38，而是终止于紧密靠近上管部56的滴水缘52。除了此修改之外，插入件50还包括向上延伸的轴部54，借助于此轴部54，如上所述能够建立与第二插入件32的压配合连接。

通过提供环形管道以生成第一涡流或漩涡流动，能够显著地提高惯性分离器的分离效率，这使得能够减小此种分离器的总体尺寸。事实上这种分离器能够更容易地用于汽车应用中，诸如用于分离燃料电池组件的反应物和燃料气体。此外，通过提供若干单独的组成部件，即管形体部12、第一插入件30和第二插入件32，惯性分离器10的所有组成部件都可以通过注塑成型进行制造并且此后能够相互装配在一起。

此种惯性分离器的制造和装配的成本因此能够降低，并且该惯性分离器的所有组成部件能够由塑料制成以提供一种重量较轻的惯性分离器设计。

附图标记列表

1纵向轴线

10惯性分离器

12体部

13盖部

14入口

15内侧壁部

16环形管道

17通孔

18内腔

20环形间隙

22出口

24出口

26上管部

27槽缝

28下管部

30第一插入件

32第二插入件

33轴部

34槽

36上管部

38通道

40滴水缘

42桩钉

44压配合部

46滴水缘

50第一插入件

52滴水缘

54轴部

56上管部

Claims (13)

1.一种用于气液分离的惯性分离器，所述惯性分离器包括：

-管状体部(12)，所述体部(12)具有基本沿切线方向延伸穿过所述体部(12)的侧壁的入口(14)，

-环形管道(16)，所述环形管道(16)设置在所述管状体部(12)的内侧并且与所述入口(14)流体连通，

-其中，所述环形管道(16)经由环形间隙(20)延伸进入所述管状体部(12)的内腔(18)中，所述环形间隙(20)在所述体部(12)的面向内的侧壁部(15)和第一插入件(30；50)之间延伸，

其特征在于，所述环形管道(16)包括环形且半壳形状的上管部(26)以及对应成型的下管部(28)。

2.如权利要求1所述的惯性分离器，其特征在于，所述环形管道(16)的环形中心与所述管状体部(12)的纵向轴线(1)基本一致。

3.如权利要求1所述的惯性分离器，其特征在于，所述环形管道(16)在所述入口(14)的下游和所述环形间隙(20)的上游提供了环形涡流腔。

4.如权利要求1所述的惯性分离器，其特征在于，所述环形管道(16)设置在所述内腔(18)的上端。

5.如权利要求1所述的惯性分离器，其特征在于，所述上管部(26)和所述下管部(28)以它们的半壳轮廓彼此面对，以形成除所述环形间隙(20)以外闭合的管道(16)。

6.如权利要求1所述的惯性分离器，其特征在于，所述上管部(26)的截面直径超过所述下管部(28)的相应直径基本所述环形间隙(20)的径向宽度。

7.如权利要求1所述的惯性分离器，其特征在于，所述环形管道(16)包括会合在所述环形间隙(20)中的基本螺旋形状的截面。

8.如权利要求1所述的惯性分离器，其特征在于，所述入口(14)的中心与所述环形管道(16)的中心基本对齐。

9.如权利要求1所述的惯性分离器，其特征在于，所述下管部(28)形成在具有轴向延伸的中心轴部(33)的所述第一插入件(30；50)中。

10.如权利要求9所述的惯性分离器，其特征在于，所述上管部(26)形成在第二插入件(32)中，所述第二插入件(32)跨越所述内腔(18)的截面延伸，并且具有与所述第一插入件(30；50)的所述轴部(33)流体连通的中心出口通道(24)。

11.如权利要求10所述的惯性分离器，其特征在于，所述轴部(33)和所述出口通道(24)相互压配合。

12.如权利要求10所述的惯性分离器，其特征在于，所述体部(12)、所述第一插入件(30；50)和/或所述第二插入件(32)没有侧切部。

13.如权利要求10所述的惯性分离器，其特征在于，所述体部(12)、所述第一插入件(30；50)和/或所述第二插入件(32)包括注塑成型的塑料部件。