CN105642453B - 一种高压大流量微重力离心气液分离装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及气液分离领域，具体公开了一种高压大流量微重力离心气液分离装置。具体而言，本发明通过采用具有屏蔽结构的驱动电机，保证了高压工况气体的有效密封；通过在分离叶轮上设置遮蔽垫片和凸台结构，有效阻止了液体跟随气体排出；利用排液阀的背压反馈接口与耐压外壳上的混合物入口相连，有效屏蔽了绝对工作压力的影响；利用压差开闭排液阀，阀芯采用动密封结构，有效增加了排水开度和液路流通面积，增大排水能力；本发明采用的技术方案含气液态水分离回收处理能力大于280L/h，可适应再生燃料电池储能系统电解0.1～5MPa.a工作压力大范围变化工况，来流含气比例0％～100％均可实现高效气液分离。

Description

一种高压大流量微重力离心气液分离装置

技术领域

本发明属于气液分离领域，具体涉及一种高压大流量微重力离心气液分离装置。

背景技术

再生燃料电池在主电源工作时通过电解水将富余的电能储存在氢气和氧气化学体系中，夜间在太阳能(或其他能源)缺失时再将氢、氧气通入燃料电池向外供电。再生燃料电池储能系统具有比能量高，受充放电次数和深度限制较低，无污染、零排放等特点。再生燃料电池储能系统在对于比能量要求高的航天器具有广阔的应用前景。

再生燃料电池以水为储能媒介，将空间太阳能储存起来，在进入阴影区时放出储存的电能，要实现其空间微重力环境的应用，必须解决电解时大范围工作压力变化过程中高压大流量气液分离的困难。

气液流体在重力场中依靠密度差沿重力方向会存在沉积或分层，因此重力条件下水气分离相对容易，然而微重力条件下，不同密度的介质将不再相对沉淀，而是悬浮在空间，没有明显的水气界面，这给微重力条件下水气分离带来很多问题。同时，微重力条件下气体或液体的密度差不能形成对流的起因，自然对流作用基本消失，由自然对流引起的对流换热和物质迁移也不复存在，因此必须采用离心力、毛细力驱使气体和液体流动分离。静态膜式分离器分离量较小，分离速度较慢，体积相对较大。例如，为我国载人航天再生生保电解制氧系统研制静态水分离器，水分离能力较小约为4～6L/h，难以满足空间大功率再生燃料电池电解过程的水分离使用要求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高压大流量微重力离心气液分离装置，可利用离心力实现大液体流量气液分离。

本发明的技术方案如下：

一种高压大流量微重力离心气液分离装置，其特征在于：包括驱动电机，设于驱动电机上方的耐压外壳，设于耐压外壳内部的分离叶轮，通过锥形定位销和中空螺钉固定于耐压外壳内部的保持架，固定设于保持架上方的皮托管，以及与分离叶轮内部区域经管道连通且设于耐压外壳上方的背压排液阀；还包括固定设于分离叶轮上的遮蔽垫片和凸台；所述的耐压外壳上设有混合物入口和气体出口；所述的分离叶轮由旋转轴、轮毂、四个叶片和回转体外壳组成；所述的背压排液阀包括入口、液体出口和背压反馈接口，入口通过管道与中空螺钉连接；

所述的分离叶轮还包括旋转轴、轮毂、四个叶片和回转体外壳。

所述驱动电机采用屏蔽结构，驱动电机工作的工况压力范围为0.1-5MPa。

所述的耐压外壳由上部半球壳和下部半球壳组成，两半球壳的开口截面圆环大小形状相同，上述两半球壳的开口截面相接，通过法兰件固定密封连接；还包括设于上部半球壳顶端正中间的顶端通道和设于下部半球壳底端正中间的底端通道。

所述的分离叶轮的旋转轴依次穿过轮毂的穿轴孔和底端通道与驱动电机连接，由驱动电机为其提供驱动力；所述分离叶轮的回转体外壳与旋转轴固定连接，该回转体外壳分为上盖和下盖，上盖和下盖通过法兰件固定连接。

所述遮蔽垫片为圆形薄片，在其中间设有圆形孔，孔的大小与轮毂的穿轴孔相同，在遮蔽垫片沿圆周的四个互为90°的位置上分别设有槽，分离叶轮的四个叶片分别插入上述四个槽内；所述遮蔽垫片由轴端螺母固定在分离叶轮的轮毂上方并与分离叶轮一起旋转，有效阻止液体跟随气体排出。

所述凸台有四个，分别间隔位于四个叶片之间，并与回转体外壳固定连接；所述四个凸台均设在遮蔽垫片下方靠近分离叶轮旋转轴的轮毂底部。

所述中空螺钉的螺杆中心设有圆形通道，一端连通螺钉头，另一端与回转体外壳内部连通。

在所述的回转体外壳内、保持架上方的区域内设有密封结构，通过密封结构将旋转液体的动压传递至背压排液阀，并且避免气液混合物直接通过上部间隙短路溜走。

所述背压排液阀为压差开闭阀，阀芯采用动密封结构。

所述背压排液阀的背压反馈接口与混合物入口相连，形成机械反馈。

本发明的显著效果在于：

按照本发明技术方案开发的微重力大流量高压气液分离装置含气液态水分离回收处理能力大于280L/h，可适应再生燃料电池储能系统电解0.1～5MPa.a工作压力大范围变化工况，来流含气比例0％～100％均可实现高效气液分离。

本发明的驱动电机采用屏蔽结构，可保证高压工况气体有效密封。

本发明的分离叶轮上设有遮蔽垫片，叶轮底部气体出口设有凸台结构，可有效阻止液体跟随气体排出；且上述凸台结构设在遮蔽垫片下方靠近分离叶轮的轮毂底部，使其不仅满足微重力环境气液分离需求，在重力环境亦具备良好的气液分离性能。

本发明中排液阀的背压反馈接口与耐压外壳上的混合物入口相连，可有效屏蔽绝对工作压力的影响，使其能够适应工作压力大范围变化工况。

本发明的排液阀为压差开闭阀，阀芯采用动密封结构，相比较膜片结构可有效增加排水开度和液路流通面积，增大排水能力。

本发明采用的技术方案具备液体处理能力强、耐压高、工作压力适应范围广等优点。

附图说明

图1为高压大流量微重力离心气液分离装置示意图；

图2为遮蔽垫片主视图；

图3为遮蔽垫片俯视图；

图中：1.驱动电机；2.耐压外壳；3.分离叶轮；4.皮托管；5.保持架；6.背压排液阀；7.锥形定位销；8.中空螺钉；9.遮蔽垫片；10.凸台；11.密封结构；12.混合物入口；13.气体出口；14.液体出口；15.背压反馈接口；16.顶端通道；17.底端通道；18.旋转轴；19.轮毂；20.叶片；21.回转体外壳。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明做进一步描述。

如图1所示，一种高压大流量微重力离心气液分离装置，该装置包括驱动电机1、耐压外壳2、分离叶轮3、皮托管4、保持架5、背压排液阀6。

所述驱动电机1固定设于耐压外壳2的下方。

所述的耐压外壳2由上部半球壳和下部半球壳组成，两半球壳的开口截面圆环大小形状相同。上述两半球壳的开口截面相接，通过法兰件固定密封连接。在上部半球壳顶端正中间设有一个顶端通道16，在紧邻上述顶端通道16的位置设有一个混合物入口12，在下部半球壳底端正中间设有一个底端通道17，在下部半球壳位于球壳深度一半位置的壳体上设有一个气体出口13。

所述的分离叶轮3位于耐压外壳2的内部，由旋转轴18、轮毂19、四个叶片20和回转体外壳21组成。上述分离叶轮3的旋转轴18依次穿过轮毂19的穿轴孔和底端通道17与驱动电机1连接，由驱动电机1为其提供驱动力；上述分离叶轮3的回转体外壳21与旋转轴18固定连接，该回转体外壳21分为上盖和下盖，上盖和下盖通过法兰件固定连接。

所述遮蔽垫片9为圆形薄片，在其中间设有圆形孔，孔的大小与轮毂19的穿轴孔相同，在遮蔽垫片9沿圆周的四个互为90°的位置上分别设有槽，分离叶轮3的四个叶片20分别插入上述四个槽内，遮蔽垫片9由轴端螺母固定在轮毂19上方并与分离叶轮3一起旋转。可以确保地面重力和空间微重力气液混合物不会直接流向气体出口13，还可以阻挡皮托管4在液面溅起的水珠从气体出口13掉落。

在靠近轮毂19底部设有四个凸台10，所述凸台10分别间隔位于四个叶片20之间，并与回转体外壳21固定连接，可以避免重力环境下少量液滴掉落在分离叶轮3底部而从气体出口13滑落。

所述的保持架5位于回转体外壳21内，通过锥型定位销7和中空螺钉8与耐压外壳2固定连接。上述中空螺钉8的螺杆中心设有圆形通道，一端连通螺钉头，另一端与回转体外壳21内部连通。所述的皮托管4为圆管形状，固定设于保持架5上方。

在回转体外壳21内、保持架5上方的区域内设有密封结构11，可将旋转液体的动压传递至背压排液阀6，同时避免气液混合物直接通过上部间隙短路流走，保证绝大多数气液混合物流体都经过叶片所在区域并被加速旋转实现气液分离。

所述的背压排液阀6入口通过管道与中空螺钉8连接，出口作为液体出口14，背压反馈接口15与混合物入口12通过管道连接形成机械反馈，产生静压，背压排液阀6的阀芯采用动密封结构。所述背压排液阀6为压差开闭阀，利用皮托管4入口被液体淹没时传递的总压与上述静压的压差控制排液阀开闭。

当分离叶轮3内液体量很少，皮托管4入口全部或部分在液面以上时，排液动压对阀芯的作用力小于弹簧力，背压排液阀6阀芯在弹簧力作用下保持排液阀关闭，防止气体从液体出口泄漏。当分离叶轮3内液体量积累增加，皮托管4入口全部淹没在液面以下时，排液动压对阀芯的作用力大于弹簧力，背压排液阀6阀芯在弹簧力作用下开启排液，并防止分离叶轮3内的液面进一步升高。

排液阀背压反馈是实现本发明适应很宽变化工作压力工况的关键，它屏蔽了混合物入口绝对工作压力的影响，使得背压排液阀6阀芯两侧的压差始终近似等于液体在皮托管4入口的动压。

Claims (10)

1.一种高压大流量微重力离心气液分离装置，其特征在于：包括驱动电机(1)，设于驱动电机(1)上方的耐压外壳(2)，设于耐压外壳(2)内部的分离叶轮(3)，通过锥形定位销(7)和中空螺钉(8)固定于耐压外壳(2)内部的保持架(5)，固定设于保持架(5)上方的皮托管(4)，以及与分离叶轮(3)内部区域经管道连通且设于耐压外壳(2)上方的背压排液阀(6)；还包括固定设于分离叶轮(3)上的遮蔽垫片(9)和凸台(10)；所述的耐压外壳(2)上设有混合物入口(12)和气体出口(13)；所述的分离叶轮(3)由旋转轴(18)、轮毂(19)、四个叶片(20)和回转体外壳(21)组成；所述的背压排液阀(6)包括入口、液体出口(14)和背压反馈接口(15)，入口通过管道与中空螺钉(8)连接。

2.按照权利要求1所述的一种高压大流量微重力离心气液分离装置，其特征在于：所述驱动电机(1)采用屏蔽结构，驱动电机(1)工作的工况压力范围为0.1-5MPa.a。

3.按照权利要求2所述的一种高压大流量微重力离心气液分离装置，其特征在于：所述的耐压外壳(2)由上部半球壳和下部半球壳组成，两半球壳的开口截面圆环大小形状相同，上述两半球壳的开口截面相接，通过法兰件固定密封连接；还包括设于上部半球壳顶端正中间的顶端通道(16)和设于下部半球壳底端正中间的底端通道(17)。

4.按照权利要求3所述的一种高压大流量微重力离心气液分离装置，其特征在于：所述的分离叶轮(3)的旋转轴(18)依次穿过轮毂(19)的穿轴孔和底端通道(17)与驱动电机(1)连接，由驱动电机(1)为其提供驱动力；所述分离叶轮(3)的回转体外壳(21)与旋转轴(18)固定连接，该回转体外壳(21)分为上盖和下盖，上盖和下盖通过法兰件固定连接。

5.按照权利要求4所述的一种高压大流量微重力离心气液分离装置，其特征在于：所述遮蔽垫片(9)为圆形薄片，在其中间设有圆形孔，孔的大小与轮毂(19)的穿轴孔相同，在遮蔽垫片(9)沿圆周的四个互为90°的位置上分别设有槽，分离叶轮(3)的四个叶片(20)分别插入上述四个槽内；所述遮蔽垫片(9)由轴端螺母固定在分离叶轮(3)的轮毂(19)上方并与分离叶轮(3)一起旋转，有效阻止液体跟随气体排出。

6.按照权利要求5所述的一种高压大流量微重力离心气液分离装置，其特征在于：所述凸台(10)有四个，分别间隔位于四个叶片(20)之间，并与回转体外壳(21)固定连接；所述四个凸台(10)均设在遮蔽垫片(9)下方靠近分离叶轮(3)旋转轴的轮毂底部。

7.按照权利要求6所述的一种高压大流量微重力离心气液分离装置，其特征在于：所述中空螺钉(8)的螺杆中心设有圆形通道，一端连通螺钉头，另一端与回转体外壳(21)内部连通。

8.按照权利要求7所述的一种高压大流量微重力离心气液分离装置，其特征在于：在所述的回转体外壳(21)内、保持架(5)上方的区域内设有密封结构(11)，通过密封结构(11)将旋转液体的动压传递至背压排液阀(6)，并且避免气液混合物直接通过上部间隙短路溜走。

9.按照权利要求1所述的一种高压大流量微重力离心气液分离装置，其特征在于：所述背压排液阀(6)为压差开闭阀，阀芯采用动密封结构。

10.按照权利要求9所述的一种高压大流量微重力离心气液分离装置，其特征在于：所述背压排液阀(6)的背压反馈接口(15)与混合物入口(12)相连，形成机械反馈。