CN105107272A - 一种提高波纹板分离效率的结构改进方法 - Google Patents

一种提高波纹板分离效率的结构改进方法 Download PDF

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一种提高波纹板分离效率的结构改进方法，涉及惯性式气液分离装置的应用领域，可直接应用于金属或塑料高分子等其他材料成型的波纹板设计和制造当中，也可以对现有的波纹板实现结构优化。本方法根据波纹板壁面形状，按照凹凸性将成形流道划分成若干个面域，通过调整流道空间的尺寸参数，使改进后的波纹板能具备除液效果优良、避免折角结垢和保证压降可控等特点，极大地提高波纹板的除液性能。

Description

一种提高波纹板分离效率的结构改进方法
技术领域
本发明涉及惯性式气液分离装置的应用领域，主要可用于改进波纹板性能的设计与制造应用。
背景技术
目前国内工业应用中常见的惯性式气液分离器仍然以使用波纹板作为除液的核心元件。波纹板结构型式包括三角形波纹板、梯形波纹板、非对称流线型波纹板以及在这些板型基础之上添加直钩、弯钩、开槽等型式的波纹板。
图1为波纹板气液分离装置推广之初时所使用的三角形波纹板。如图所示，经过多级折弯的三角形波纹板叶片以一定横向间距多排平行布置，每两片波纹板之间形成曲折多弯的流道空间。带有细小液滴的气体从装置入口处进入波纹板流道，被强制沿着波纹板形状进行曲折流动。由于气体跟随性好，可从装置的出口处流出；而液滴惯性较大，在曲折流道中不能很好地跟随气体，从气体流动轨迹中偏移脱出，撞击到波纹板壁面上。液滴随后在壁面上铺展形成液膜，随着液膜的积聚越来越多，受重力影响，液膜汇聚成液流竖直向下(垂直于附图1纸面方向)流动，进入收液槽等液相回收容器中，气液两相得以分离。该波纹板在实际应用中出现很多问题。首先，当液相中含有大量钙、镁等电解质或其他不溶的杂质颗粒时，在流道的折弯尖端会沉积，产生结垢现象，尖端处的垢难以顺利清洗，随着使用时间的增长，流道会出现堵塞，整个装置的分离性能会大大下降，压降损耗明显提升。解决结垢问题的最好办法就是在停工状态下更换或逐片清洗波纹板，造成人力和财力成本的浪费。其次，气体在流道中需要急剧折弯，在气速较大的工况下，流体的连续碰撞转向造成极大的能量损耗。常用的三角形波纹板在4～6m/s的气速下，压降甚至会达到100Pa以上。
为了优化波纹板气液分离的性能，改良三角形波纹板的缺陷，在工业应用中逐步衍生出了流线型波纹板以代替原有的三角形形状。如图2所示，为一种工业常用的非对称式的流线型波纹板。该类波纹板几何形状平滑，无尖锐的折弯构造，可有效减少结垢并易于非间歇性工作条件下的清洗。流线型的几何形状还可以使流体通过流道时压降显著降低。然而，相较于三角形波纹板，液滴在这种流道中的跟随性也得以增加。在低气速工况下，当量直径在50μm以下的颗粒分离效率较低，即使是多列串联布置也难以解决这个问题。
中国发明专利CN201110219753.8提供了一种波纹板改进方法。在三角形波纹板的波尖处增加平台波尖，并在平台处设置有间距1.5mm、伸出长度6mm的叶片。新结构使液滴在平台及叶片处的聚集次数增多，提高了气液分离的效率。但是该板的平台转折处仍有尖锐的折角，容易结垢。水垢也会堵塞叶片与板之间的缝隙，使波纹板难以清洗，无法重复使用。
中国实用新型专利CN200720040897.6使用的方法是在梯形波纹板上添加凹凸状导液结构。其导液结构呈倒V字形，使用冲压方式加工形成，槽深30～40mm。在安装布置上，两片板之间的间距在220～420mm之间。该板不易出现二次夹带现象，但仍然不能避免结垢现象。由于板间距大，该装置不能对较小当量直径的液滴实现分离。
中国发明专利CN200610148271.7将原始波纹板改良成弧形波纹板。其叶片圆弧的曲率半径始终相同，在1.2～2m之间，叶片的高度在200mm以上。可将二次夹带的临界流速提高到5.5～6.5m/s左右，该板型对较小当量直径的液滴很难实现完全分离。
总之，现有各类波纹板的几何形状和结构的改良，其目的在于增加流体在流道内的流动曲折性，使更多的液滴在流道中能够从气相中脱落撞击到板壁面上，实现气液两相的分离。各种型式的波纹板虽然结构新颖，但这些改良方法并没有一个系统的核心原理，导致新板的形状五花八门，虽然增加了波纹板的型式种类，但也增加了实际应用中使用者的选择困难。许多波纹板形状迥异，但实际分离效率基本一致，尖锐的附加结构不仅增大了流体通过装置的压降，还给装置带入了结垢、易断裂等一系列问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种系统性地波纹板结构改进方法，使改进后的波纹板除液效果优良、避免折角结垢、保证压降损失可控。本方法可以直接应用于金属或塑料高分子等其他材料成型的波纹板设计和制造当中，也可以用于已有波纹板分离装置的结构优化。本方法通过调整成形流道空间内的关键尺寸参数，可以极大地提高波纹板的除液性能。
所述提高分离效率的波纹板结构改进方法，包括下列步骤：
①提供原始波纹板按一定间距平行布置后所形成的流道横截面图。
②提取流道横截面上流体入口截面、流体出口截面和流道两侧的波纹板壁面所围成的闭合面域为研究对象。为便于叙述，将该面域命名为M(0)。
③根据波纹板壁面形状的凹凸性，将面域对象划分为若干个小面域，按流体运动方向依次编号为M(1)，M(2)，M(3)……M(N)。划分的原则是，每个小面域中，流道两侧的板壁面形状凹凸性应一致。每个面域中，板壁面形状要么为凹，要么为凸，即壁面形状的斜率要么为正，要么为负，不能出现正负共存。
④单独提取每个面域，增大该面域的回转角度，具体方法有减小板壁面的曲率半径、调整板壁面的回转圆心向壁面方向靠拢以及使该面域两侧壁面的曲率半径取值不同。
⑤在上一步骤实施的同时，缩短该小面域出口(即流体在此面域流出处)的横向间距。在此过程中，应保持该面域的壁面形状的凹凸性不变。
⑥在上一步骤实施的同时，应保证M(1)面域的入口间距和M(N)面域的出口间距不变。
⑦每个面域修改后，将所有面域按原有顺序依次组合。调整M(N-1)面域的出口与M(N)面域的入口(即流体在此面域流出)的横向间距一致，使二者重合，得到一个新面域。
⑧用圆滑曲线代替面域重组后出现的尖锐折线，保证新面域壁面连线的斜率连续变化。
⑨将新面域的两个板壁面重组，选择适当的厚度，得到新的波纹板形状。
本方法所得到的波纹板，板厚度非固定值，会连续变化。板的上下两个表面形状不再相同。如果板厚度较大，考虑到波纹板在工业应用中可以采用塑料高分子材料在模具中注塑的方式进行生产，则为了节省材料，可调整模具使较厚处的结构改为镂空、钻洞或弯钩等其他的等效形状。
本方法所得到的波纹板，其改进原理可归纳为：1)增大某一凹(或凸)流道面域中的回转角度，手段包括减小板壁面的曲率半径、调整板壁面的回转圆心向壁面方向靠拢以及使该面域两侧壁面的曲率半径取值不同。2)缩短某一凹(或凸)流道面域中的出口间距。
本方法可以作为改良波纹板形状、优化波纹板分离性能的一般性方法。
本方法所得到的波纹板，较之原来的波纹板，在同等工况条件及布置排列条件下，可以显著地提高液滴分离效率，改善气液分离性能，有效缓解结垢现象，拥有较低的能耗压降。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细的说明。
图1为一种三角形波纹板多排布置后的流道空间示意图。图中的箭头代表带液气体的流动方向。
图2为一种流线型波纹板多排布置后的流道空间示意图。图中的箭头代表带液气体的流动方向。
图3是具体实施方式中所采用的一种波纹板横截面示意图。
图4为一种波纹板构成的流道空间横截面图。图中可以得到M(0)面域。图中，S1和S2为M(0)面域流道两侧的壁面线，虚线为波纹板的形状。图中的箭头代表带液气体的流动方向。
图5按本发明方法划分出的3个小面域，分别是M(1)，M(2)和M(3)。
图6是按本方法新面域重组后得到的新流道空间，图中虚线表示原来的壁面形状，实线表示改良后的壁面形状。图中的箭头代表带液气体的流动方向。
图7是按本方法改进后的新波纹板形状示意图。
图8是将新波纹板较厚处改为镂空或弯钩等其他等效形状的示意图。由上到下以此为较厚波纹板、镂空和弯钩三种成型方案。
具体实施方式
以图3中的原始波纹板为例，详细说明本发明的改进办法。
图3中的波纹板形状由3段圆弧连接构成，半径如图所示分别为R1，R2和R3，圆弧两两之间用圆角r平滑处理。
①将此形状的波纹板两片按一定的间距d平行排列布置。
②如本方法所述，可以构成如图4所示的流道空间横截面图。图中可以得到M(0)面域。图中，S1和S2为M(0)面域流道两侧的壁面线，虚线为波纹板的形状。
③如本方法所述，根据面域边界线形状的凹凸性，将面域划分为M1(凹)，M2(凸)，M3(凹)共3个新的小面域，如图5所示。
④如本方法所述对每个面域的壁面形状进行修改，即增大该面域的回转角度与缩短该面域出口间距。新面域重组后，得到新的流道空间，如图6所示，图中虚线表示原来的壁面形状，实线表示改良后的壁面形状。
⑤如本方法所述，将新面域的上下壁面(即图6中的实线)组合，得到改进后入口处厚度为δ的波纹板形状，如图7所示。改进后的波纹板会出现最大厚度δmax。
最大厚度处可以等效修改为镂空、弯钩等形式，具体的等效形式可以根据制造方法、制造材料和实际厚度综合考虑。如图8所示，三种形式的分离效果其实是等效的。

Claims (3)

1.一种提高波纹板分离效率的结构改进方法，其特征在于：所述的波纹板结构的改进方法步骤如下：
①提供原始波纹板按一定间距平行布置后所形成的流道横截面图。
②提取流道横截面上流体入口截面、流体出口截面和流道两侧的波纹板壁面所围成的闭合面域为研究对象。为便于叙述，将该面域命名为M(0)。
③根据波纹板壁面形状的凹凸性，将面域对象划分为若干个小面域，按流体运动方向依次编号为M(1)，M(2)，M(3)……M(N)。划分的原则是，每个小面域中，流道两侧的板壁面形状凹凸性应一致。每个面域中，板壁面形状要么为凹，要么为凸，即壁面形状的斜率要么为正，要么为负，不能出现正负共存。
④单独提取每个面域，增大该面域的回转角度，具体方法有减小板壁面的曲率半径、调整板壁面的回转圆心向壁面方向靠拢以及使该面域两侧壁面的曲率半径取值不同。
⑤在上一步骤实施的同时，缩短该小面域出口(即流体在此面域流出处)的横向间距。在此过程中，应保持该面域的壁面形状的凹凸性不变。
⑥在上一步骤实施的同时，应保证M(1)面域的入口间距和M(N)面域的出口间距不变。
⑦每个面域修改后，将所有面域按原有顺序依次组合。调整M(N-1)面域的出口与M(N)面域的入口(即流体在此面域流出)的横向间距一致，使二者重合，得到一个新面域。
⑧用圆滑曲线代替面域重组后出现的尖锐折线，保证新面域壁面连线的斜率连续变化。
⑨将新面域的两个板壁面重组，选择适当的厚度，得到新的波纹板形状。
2.根据权利要求1所述的波纹板结构改进方法，其特征在于：得到的波纹板，板厚度非固定值，会连续变化。板的上下两个表面形状不再相同。可将较厚处的结构改为镂空、钻洞或弯钩等其它的等效形状。
3.根据权利要求1所述的波纹板结构改进方法，其特征在于：得到的波纹板，其改进原理可归纳为：1)增大某一凹(或凸)流道面域中的回转角度，手段包括减小板壁面的曲率半径、调整板壁面的回转圆心向壁面方向靠拢以及使该面域两侧壁面的曲率半径取值不同。2)缩短某一凹(或凸)流道面域中的出口间距。
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