CN103566683B - 一种分体自吸式文丘里管洗涤器 - Google Patents

Abstract

本发明提供的是一种分体自吸式文丘里管洗涤器。包括由主要由收缩段和扩张段组成的外套管，还包括圆锥形独立收缩段，圆锥形独立收缩段是与外套管的收缩段形状相同的锥形结构，圆锥形独立收缩段套在外套管的收缩段内，圆锥形独立收缩段与外套管的收缩段之间通过各自的入口端的法兰盘连接且二者之间形成环形液体流动通道，外套管的收缩段上开有吸液孔，外套管的扩张段的出口端安装有出口折流板。对比普通文丘里管洗涤器，本发明有更高的去除效率。适合作为压水堆核电站安全壳过滤排放系统所需的文丘里洗涤器，同时也适用于工业除尘过程。

Description

一种分体自吸式文丘里管洗涤器

技术领域

本发明涉及的是一种洗涤器，特别是一种文丘里管洗涤器。

背景技术

如今，核电作为一种清洁高效的能源越来越受到人们的青睐。尽管压水堆核电站在设计时已经执行了纵深安全原则，保证核电站在设计基准事故下的安全，但核电仍存在着发生超设计基准事故的可能，进而引发类似堆芯熔穿压力容器的严重事故。而如果没有任何缓解事故的措施，那么熔融堆芯将与混凝土底板反应产生大量不凝结气体，随着不凝结气体不断增加，安全壳内的压力会逐渐升高，最终可能会因超压而导致最后一道屏障——安全壳的完整性遭到破坏，造成放射性物质的外泄。

安全壳过滤排放系统采用主动卸压方式使安全壳内积聚的气体释放，降低安全壳内压力，从而使安全壳内压力不超过其承载限值，确保安全壳的完整性。同时为了防止排放气体对环境造成放射性危害，需要在安全壳过滤排放系统的卸压管线上安装过滤装置对排放气体中的放射性物质进行过滤。

国内外关于过滤排放系统的研发设计起始于20世纪60年代，最早是由法国提出的砂床过滤器，其工作原理是利用砂石的吸附和滞留作用过滤气体中的放射性物质。但是该系统对碘分子只起到延迟作用而不能有效去除，且砂床长期放置存在砂石板结砂问题，因此砂床过滤器需定期进行通风维护。德国设计制造了一种金属纤维过滤器，采用不锈钢纤维组成多层滤网，利用金属纤维的吸附与滞留作用除去气体中的放射性物质，但是金属纤维层的过滤作用同样对碘分子仅起到延迟作用，不能有效去除，且通气后放射性物质主要存在于金属纤维层中，造成后续处理困难。为了提高对元素碘的去除效率，瑞士设计了混合过滤排放系统，是由一组专用喷嘴和两级气液分离器组成的。喷嘴将水滴雾化，使气溶胶与水滴发生强烈碰撞，完成对气溶胶的沉降；气液分离器使气体与含尘液滴分离，达到最终去除气溶胶的目的，碘和有机碘与洗涤液中的碳酸钠和氢氧化钠发生化学反应生成稳定碘盐，溶于洗涤液中，达到碘分离的目的，该过滤器能有效的除去气溶胶、有机碘及碘，但是需要外加动力。西门子公司设计了一种非能动滑压运行湿式过滤器，该过滤器采用文丘里水洗器与金属纤维过滤器相结合的设计方式，以泄放气体的压力作为动力源，不依靠外界动力实现系统的连续运行。安全壳排放的气体首先在文丘里洗涤单元中除去大部分的气溶胶和几乎全部的碘(包括有机碘)，而后，雾滴和亚微米级气溶胶在金属纤维过滤单元中过滤，经过两级过滤的洁净气体排入大气。该过滤器对亚微米级气溶胶的过滤效果相当好，但是在文丘里管中混合有气溶胶的洗涤液被文丘里喷嘴雾化，气溶胶再次夹杂在气流中，这部分气溶胶不仅增加金属纤维过滤器的负担，甚至使过滤器不能完成过滤要求，这点在过滤器运行中后期较显著。尽管湿式过滤器存在上述不足，但由于文丘里水洗器具有结构简单、操作方便、过滤效率高、衰变热承载能力强等优点，仍然是安全壳过滤排放系统的最佳选择。

在国外反应堆安全壳过滤系统中普遍采用了文丘里水洗器，例如在美国专利号为US07/171,656的专利中，提到了采用文丘里水洗器来进行过滤，但是没有对文丘里水洗器的具体结构进行描述，尤其是文丘里管的结构。工业中用的文丘里水洗器的具体结构在最新的专利中有被提到，例如在专利201120362897.4中所描述的“文丘里管式气体洗涤器”，它主要用于工业除尘，在引射溶液时，它采用多个喷管，这使得该文丘里洗气装置的结构过于复杂，使得气体流动过程动压头损失过大，导致水洗溶液的贯穿深度不足。且该装置不能根据不同工况调整溶液引射量。且它采用的是外加动力将溶液喷入文丘里管，且该文丘里管是在非淹没工况下运行的，但是反应堆安全壳系统中一般要求过滤装置能在非能动及淹没工况下运行，因而工业上的文丘里管不能用于安全壳过滤排放系统。

文丘里水洗器普遍采用的是化学溶液水洗的方法，这就要求化学溶液能够以非能动的方式进入文丘里管，并保证溶液与气相充分接触，从而达到高效的除尘除气效果。

发明内容

本发明的目的在于提供一种结构简单，洗气效率高，运行稳定的分体自吸式文丘里管洗涤器。

本发明的目的是这样实现的：

包括由主要由收缩段和扩张段组成的外套管，还包括圆锥形独立收缩段，圆锥形独立收缩段是与外套管的收缩段形状相同的锥形结构，圆锥形独立收缩段套在外套管的收缩段内，圆锥形独立收缩段与外套管的收缩段之间通过各自的入口端的法兰盘连接且二者之间形成环形液体流动通道，外套管的收缩段上开有吸液孔，外套管的扩张段的出口端安装有出口折流板。

本发明还可以包括：

1、圆锥形独立收缩段包括圆锥形收缩段，圆锥形收缩段的两端分别带有入口直管段与出口直管段。

2、外套管的收缩段上的吸液孔有两排。

3、外套管扩张段与外套管收缩段成一体结构，外套管扩张段的壁面与轴线之间的夹角小于外套管收缩段的收缩角。

4、外套管扩张段出口处设有一定长度的直管段，所述直管段外壁面加工有一定高度的凸台，出口折流板通过支撑肋与外套管扩张段出口外壁的凸台焊接相连。

5、折流板为圆弧形，折流板外边缘的截面直径略大于外套管扩张段出口的当量直径。

本发明提供了一种自吸式、可调节入口大小、效率高、运行稳定的高效分体式文丘里管洗涤器。这种分体自吸式文丘里管洗涤器主要由圆锥形独立收缩段、一体式外套管、环形液体流动通道和出口折流板组成。

圆锥形独立收缩段是分体式文丘里管洗涤器气体加速部件，该部件的入口和出口均采用圆形设计，中间部分为锥体结构，入口当量直径的设计能够保证在系统额定排放流量下入口流速在一定范围内；收缩段出口当量直径是决定文丘里管喉部气速以及吸液量的直接因素，安全壳排放的气体从入口进入文丘里洗涤器，经过收缩段的加速在喉部形成负压，根据伯努利方程和连续性方程有：

$\frac{p_t}{{\mathrm{\ρ}}_t}=\frac{p_i}{{\mathrm{\ρ}}_i}-\frac{M^2}{2}\[\frac{1}{A_t^2{\mathrm{\ρ}}_t^2}+\frac{\mathrm{\ξ}}{{2A}_i^2{\mathrm{\ρ}}_i^2}-\frac{1}{{2A}_i^2{\mathrm{\ρ}}_i^2}\]$

式中p_t为收缩段出口气速，即喉部气速，ρ_t为喉部气体密度，A_t为收缩段出口面积，p_i为收缩段入口气速，ρ_i为入口气体密度，A_i为收缩段入口面积，ζ为流动阻力系数。可以看出，当入口流速确定以后，喉部静压取决于流动过程阻力和结构参数，而流动阻力又受收缩段高度、收缩角度以及进出口面积比的影响，因此，收缩段出口当量直径的选取应同时满足结构特性和阻力特性的要求。

一体式外套管主要由收缩段和扩张段组成，收缩段是与圆锥形独立收缩段形状相同的锥形结构，但椎体半径更大。收缩段的外表面沿高度方向开有1-2层吸液孔，每层的吸液孔的数量以及尺寸可以不同，吸液孔作为吸液时的液体入口。扩张段是一体式外套筒的后半部分，扩张段采用倾斜角小于收缩段的设计，从而实现气流静压尽可能多的恢复，减少流动阻力；扩张段高度是根据气溶胶和碘的去除效率实验结果优化得到的；扩张段出口当量直径限制了混合气体离开文丘里管时的流速，避免流速过高造成尘粒的二次携带。

环形液体流动通道是收缩段与圆锥形独立收缩段同轴装配时形成一条环形细缝，该细缝作为吸液时的液体流动通道，采用这种设计的优点有四方面：第一，环形流动通道约束了水洗溶液的流动方向，使水洗溶液以一定的角度向喉管中心喷射，引流方向比较趋近于气流方向，这样减少了流动阻力，提高了吸液量；第二，由于外套管与收缩段是分体式装配的，因此环形通道尺寸可以通过增加垫片的方法进行人为调节，提高了装置的运行适用范围；第三，与传统的开孔式吸液方式相比，环形吸液通道具有轴向对称特性，从而能够实现更好的喉部覆盖率，避免局部位置出现气流击穿现象；第四，相比普通的文丘里管，采用倾斜的环形吸液通道设计，使得气流与吸液通道之间呈钝角关系，改善了引射口的气体鼓泡现象。本发明涉及的文丘里洗涤器没有明显的喉管段，这主要是考虑运行时文丘里管内部气体流速较高的特性，能够保证液体的充分雾化，因此取消喉管段从而降低流动阻力。

出口折流板位于扩张段出口上方一定距离处。由于本发明中文丘里管出口淹没在文丘里水洗器的液位以下，形成水封作用，在自吸式文丘里管运行过程中，当高速的气流在其内流出时，将会对上部的水封直接产生冲击作用。在这种阻挡作用下，气流通道受阻，气体积聚升压，从而在出口处形成较大的气弹，气弹破碎会造成气液两相之间剧烈搅浑，并形成压力波影响喉部静压，严重影响文丘里水洗器的阻力特性和过滤功能。此外，在气弹破碎过程中会造成容器上部产生大量小粒径破碎液滴，增加下游除雾器和金属纤维过滤器的负荷。

出口折流板是在出口处设置的圆弧形挡板，通过折流板的阻挡作用把竖直向上的气流转变成横向以及斜向下的气流，避免了气流对上部封水的直接冲击，折流板外缘的截面直径略大于套管扩张段出口的当量直径，避免分离的液滴以及水封层内的液体回落进入文丘里管。另外，气体流动方向折向下以后，有效的增加了气体在液相中的滞留时间，有助于去除效率的改善。折流板与套管扩张段出口之间通过支撑肋（连接，构成气流方向改变后的流动通道。

本发明可实现的有益效果主要包括：

1、自吸式结构，在事故状态下能够以非能动的方式稳定运行。

2、倾斜的环缝结构吸液通道设计，有效降低流动阻力，增加了喉部覆盖率和贯穿深度。

3、出口结构设计，有利于淹没状态下气流运行的稳定性。

4、分体式设计，便于调节入口段和扩散段之间的间距，可以根据不同工况进行调节，获得最佳吸液量。

对比普通文丘里管洗涤器，本发明有更高的去除效率。适合作为压水堆核电站安全壳过滤排放系统所需的文丘里洗涤器，同时也适用于工业除尘过程。

附图说明

图1为本发明文丘里水洗器的整体结构图。

图2为圆锥形独立收缩段的结构示意图。

图3为文丘里管洗涤器一体式外套管的结构示意图。

图4为文丘里管洗涤器出口折流板的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图来对本发明进行说明

图1所示为分体自吸式文丘里管洗涤器的整体结构示意图，圆锥形独立收缩段1.1与一体式外套管1.2通过螺栓进行同轴装配，两者之间的采用耐高温垫片密封，实际操作时可以通过改变密封垫的厚度或数量，调节环形液体流动通道1.3的间距。出口折流板1.4与一体式外套管1.2之间通过支撑肋1.42采用焊接方式连接，支撑肋1.42的厚度在保证强度的前提下应该尽量小，同时在支撑肋1.42的迎风面，采用流线型设计，以减小气体在出口处的流动阻力，高度值则取决于出口设计流速。

图2所示为圆锥形独立收缩段1.1的结构示意图，图中收缩段入口1.11为气体进入文丘里管的初始位置，收缩段入口1.11与收缩段1.13之间设置有入口直管段1.16，用以稳定来流气体。收缩段1.13与轴线方向成一定角度，实现对气流的加速，在收缩段出口1.12，气体流速达到最大，为了保证出口处气体最大流速的稳定性，同样设置了出口平直段1.17。收缩段1.13、收缩段出口1.12以及出口平直段为一体式结构，并采用焊接的方式固定在不锈钢法兰1.15上，焊接时不锈钢法兰1.15、收缩段入口1.11、收缩段1.13要对中保证同轴度要求。不锈钢法兰1.15上开有螺栓孔1.14，用于固定和连接。

图3所示为一体式外套管1.2的结构示意图，其主要由套管收缩段1.21和套管扩张段1.23组成，套管收缩段1.21是与收缩段1.13形状相同的锥形体结构，但椎体半径更大，套管收缩段1.21的壁面上沿高度方向开有2排吸液孔1.24，每排吸液孔1.24的数量与尺寸不同，工作时，液体在吸液孔1.24和收缩段出口1.12之间静压差的作用下，流经环形吸液通道1.3，被引射进入文丘里管，并被喉部位置处的高速气流迅速雾化。考虑运行时文丘里管内部气体流速较高，能够保证液体的充分雾化，因此设计时取消喉管段部分从而降低流动阻力。套管扩张段1.2）是与套管收缩段1.21一体式加工的部件，其壁面与轴线之间的夹角小于套管收缩段1.21的收缩角，能够保证气流静压的顺利恢复，减小流动过程阻力。套管扩张段出口1.22处设有一定长度的直管段1.27，保证出口气流方向一致，减小流动不稳定性，直管段外壁面加工有一定高度的凸台1.28，作为支撑肋1.42的焊接支撑点，凸台1.28上方加工有出口挡水板1.29，可以有效防止沿支撑肋1.42回流的液体进入文丘里管。套管扩张段1.23和套管收缩段1.21整体焊接在不锈钢法兰1.26上，不锈钢法兰1.26上开有螺栓孔1.25，用于固定和连接。外套管1.2与不锈钢法兰1.26焊接时需要采用特殊对中的方式保证装配时的同轴度。

图4所示为出口折流板1.4的结构示意图，其通过支撑肋1.42与套管扩张段出口外壁凸台1.28焊接相连。折流板1.41采用圆弧形设计，整体铣制而成，并对内表面做光滑处理，在保证气流折返的同时尽量减小由于方向改变所带来的流动损失。折流板1.41外边缘的截面直径略大于扩张段出口1.22的当量直径，一方面防止扩张段出口1.22处的液滴回落进入文丘里管；另一方面也防止上方的水封层内溶液倒灌进入文丘里管。

Claims (6)

1.一种分体自吸式文丘里管洗涤器，包括由主要由收缩段和扩张段组成的外套管，其特征是：还包括圆锥形独立收缩段，圆锥形独立收缩段是与外套管的收缩段形状相同的锥形结构，圆锥形独立收缩段套在外套管的收缩段内，圆锥形独立收缩段与外套管的收缩段之间通过各自的入口端的法兰盘连接且二者之间形成环形液体流动通道，外套管的收缩段上开有吸液孔，外套管的扩张段的出口端安装有出口折流板。

2.根据权利要求1所述的分体自吸式文丘里管洗涤器，其特征是：圆锥形独立收缩段包括圆锥形收缩段，圆锥形收缩段的两端分别带有入口直管段与出口直管段。

3.根据权利要求1或2所述的分体自吸式文丘里管洗涤器，其特征是：外套管的收缩段上的吸液孔有两排。

4.根据权利要求1或2所述的分体自吸式文丘里管洗涤器，其特征是：外套管扩张段与外套管收缩段成一体结构，外套管扩张段的壁面与轴线之间的夹角小于外套管收缩段的收缩角。

5.根据权利要求3所述的分体自吸式文丘里管洗涤器，其特征是：外套管扩张段与外套管收缩段成一体结构，外套管扩张段的壁面与轴线之间的夹角小于外套管收缩段的收缩角。

6.根据权利要求1所述的分体自吸式文丘里管洗涤器，其特征是：折流板为圆弧形，折流板外边缘的截面直径略大于外套管扩张段出口的当量直径。