CN106499905B - 一种设置在管道和容器连接位置的汽液两相水锤现象缓解装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种设置在管道和容器连接位置的汽液两相水锤现象缓解装置，所述装置包括从管道端部延伸到容器内部的接管，所述接管连接弯头一个端部，所述弯头的另一端部向上延伸并连接消音筒，所述消音筒上端封堵，在侧面开孔，所述冷凝腔体设置在消音筒外部，所述冷凝腔体下端盖连接消音筒外壁，所述下端盖为孔板，所述的缓解装置整体浸泡在容器的水环境中。本发明采用消音筒和冷凝腔体的组合，利用碎化、汽水分离和冷凝的原理，削弱局部位置的蒸汽聚集，从而有效的对容器接管位置的水锤现象进行缓解。

Description

一种设置在管道和容器连接位置的汽液两相水锤现象缓解 装置

技术领域

本发明涉及一种水锤缓解装置，属于热工水力回路系统设备的领域。具体涉及一种安装于容器接管位置的、可以对该处由于汽液两相不连续冲击导致的水锤现象进行缓解的设备。

背景技术

热工水力回路系统中存在大量的交界面，管道到容器的接管为一种较常见的交界面形式。如图1所示，当水平接管中出现不连续的气（汽）液两相流动时，在接管处就会产生以下现象：聚集的气相（气团）从接管位置进入容器，由于气（汽）液密度差，气团离开接管位置将迅速向上运动，而气团原空间位置被气团推离壁面的液体同时也将迅速回弹并撞击壁面，形成水锤现象。气（汽）液相越不连续，气团聚集越大，水锤能量越大。水锤现象会造成较大的噪声震动和机械冲击，对设备造成破坏。在低压沸腾的工业环境和试验装置中，水锤现象比较常见，除接管位置外，弯头、三通、变径、阀门等流动方向截面突变的场合也是容易发生水锤现象的常见位置，原理类似。

通常工业上对于水锤现象的遏制，一般采取加大管道中的流速的方式，使得气（汽）相得以分散不凝集成较大的气团；或在管道中设置均流装置，使气（汽）液两相搅混，将气团碎裂成均匀分布的小气泡，从而有效的减少水锤的破坏。但对于某些特定场合，如自然循环回路系统，其系统流量较小且不可调节，另外均流装置因为流动阻力过大不得采用，此时水锤现象难以消除，为保护设备，必须采用其他的措施加以缓解。

针对上述问题，本发明提供了一种新的水锤现象缓解装置，从而解决上述的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种水锤缓解装置，其安装于管道与容器的接口位置，当管道内介质为蒸汽-水两相混合物时，通过冷凝、碎化和汽水分离作用，减少交界面上的蒸汽聚集，对水锤现象进行缓解，并且具有相对较小的流动阻力。为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种设置在管道和容器连接位置的汽液两相水锤现象缓解装置，所述装置包括从管道端部延伸到容器内部的接管，所述接管连接弯头一个端部，所述弯头的另一端部向上延伸并连接消音筒，所述消音筒上端封堵，在侧面开孔，所述冷凝腔体设置在消音筒外部，所述冷凝腔体下端盖连接消音筒外壁，所述下端盖为孔板，所述的缓解装置整体浸泡在容器的水环境中。

作为优选，所述的冷凝腔体的上端盖设置排汽孔。

作为优选，所述冷凝腔体和消音筒为相同中心线的圆筒结构。

作为优选，消音筒侧面的开孔的总面积大于管道流通面积的1.2倍。

作为优选，消音筒沿着高度方向延伸，将消音筒侧面单位长度的开孔面积S设置为高度H的函数，即S＝F（H），F’(H)<0，其中F’(H)是F（H）的一次导数。

作为优选，F"(H)<0，其中F"(H)是F（H）的二次导数。

作为优选，所述消音筒的上端盖和冷凝腔的上端盖之间的距离为冷凝腔体高度的1/8-1/10，所述冷凝腔体的下端盖与消音筒侧面的最下侧的孔的中心点的距离为冷凝腔体高度的1/6-1/5。

作为优选，所述排汽孔连接排汽管道，所述排汽管道上设置排汽阀。

作为优选，所述的管道上设置阀门，所述的冷凝腔体内设置水位传感器，所述的阀门、排汽阀门和水位传感器与控制器进行数据连接，所述控制器根据检测的水位自动控制排汽阀门进行排汽。

作为优选，如果检测的水位低于第一数值，则控制器控制排汽阀门自动打开，同时减小阀门的开度；如果测量的水位高于第二定数值，则控制器控制排汽阀门自动打开，同时增加阀门的开度。

与现有技术相比较，本发明的具有如下的优点：

1）蒸汽-水两相混合物从水平管道进入消声筒，通过消声筒侧面的孔洞进入冷凝腔体，大的蒸汽汽团经过孔洞的节流作用，将被分解成小的汽泡，以鼓泡的形式进入冷凝腔体的水中，由于大汽团的碎化作用，加之冷凝腔体内的水质量较小，第一个交界面——消声筒侧孔洞位置的水锤冲击被有效削弱；

2）进入冷凝腔体的蒸汽-水两相混合物在密度差作用下进行了汽水分离，蒸汽位于冷凝腔体上部，水位于下部。水通过冷凝腔体下部的孔洞离开装置进入容器，由于是单一的液相，第二个交界面——冷凝腔体下孔洞位置不存在水锤现象；

3）由于冷凝腔体整体浸泡于容器水空间中，利用冷凝腔壳体的导热作用和外部大空间水介质的冷却作用，位于冷凝腔内上部的、经过汽水分离的蒸汽空间可以得到冷凝，减少蒸汽的聚集。冷凝水经壁面流入冷凝腔内下部的水空间，最终经冷凝腔体下孔洞流出装置。冷凝腔壳体采用铜材质可以提高壳体的导热能力；

4）冷凝腔顶部设置一个排汽口，可以排出多余的蒸汽，防止冷凝腔内蒸汽过量。在设备投入前排出冷凝腔中的空汽，使冷凝腔充满水。

5）通过设置排汽阀门和阀门及其水位检测装置，从而自动控制排汽和水的输送，从而避免水锤现象严重，缓解水锤现象。

6）消音筒外侧设置端部为尖状的杆，可以在汽液两相流的流动中，一方面可以破坏层流底层，增加传热面积进行强化传热，而且因为是杆，流动阻力小，也不会增加壳程的流动阻力，而且通过设置尖端部，能够刺破汽泡，实现扩大汽液界面以及汽相边界层并增强扰动，进一步促进汽体的冷凝和向上排放。

7）通过设置金属杆沿着流体流动方向以及高度方向上的规律变化，进一步的提高了换热效果。

附图说明

图1是本发明的水锤现象发生的示意图；

图2是本发明的缓解装置的整体结构示意图；

图3是消音筒侧面设置金属杆的侧面示意图；

图4是消音筒侧面设置金属杆的另一实施例侧面示意图。

图中：1-接管；2-连接法兰；3-弯头；4-消音筒；4-1孔；5-冷凝腔下端盖；6-冷凝腔体；7-排汽管；8-排汽阀；9控制器，10金属杆，11水位传感器。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。

本文中，如果没有特殊说明，涉及公式的，“/”表示除法，“×”、“*”表示乘法。

图1公开了一种设置在管道和容器连接位置的汽液两相水锤现象缓解装置，如图1所示，所述装置包括从管道端部延伸到容器内部的接管1，所述接管1连接弯头3一个端部，所述弯头3的另一端部向上延伸并连接消音筒4，所述消音筒4上端封堵，在侧面开孔，冷凝腔体6设置在消音筒4外部，所述冷凝腔体6下端盖5连接消音筒4外壁，所述下端盖5为孔板，所述的缓解装置整体浸泡在容器的水环境中。

本发明采取上述结构后，蒸汽-水两相混合物从水平管道进入消声筒，通过消声筒侧面的孔洞进入冷凝腔体，大的蒸汽汽团经过孔洞的节流作用，将被分解成小的汽泡，以鼓泡的形式进入冷凝腔体的水中，由于大汽团的碎化作用，加之冷凝腔体内的水质量较小，第一个交界面——消声筒侧孔洞位置的水锤冲击被有效削弱；

进入冷凝腔体的蒸汽-水两相混合物在密度差作用下进行了汽水分离，蒸汽位于冷凝腔体上部，水位于下部。水通过冷凝腔体下部的孔洞离开装置进入容器，由于是单一的液相，第二个交界面——冷凝腔体下孔洞位置不存在水锤现象；

由于冷凝腔体整体浸泡于容器水空间中，利用冷凝腔壳体的导热作用和外部大空间水介质的冷却作用，位于冷凝腔内上部的、经过汽水分离的蒸汽空间可以得到冷凝，减少蒸汽的聚集。冷凝水经壁面流入冷凝腔内下部的水空间，最终经冷凝腔体下孔洞流出装置。冷凝腔壳体采用铜材质可以提高壳体的导热能力；

作为优选，所述冷凝腔体6和消音筒4为相同中心线的圆筒结构。它们在横截面上具有相同的圆心。通过如此设置，能够使得流体和蒸汽分布更加均匀，避免局部出现蒸汽过多，产生汽锤现象严重。

作为优选，消音筒4侧面的开孔的总面积大于管道流通面积的1.2倍。优选消音筒4侧面的开孔的总面积是管道流通面积的1.4-1.6倍。上述数据是经过大量实验获得，因为产生汽体，从而导致汽液两相流体积增加，因此相应的开孔面积也要增加。但是开孔面接不能过大，如果过大，则起不到相应的碎化大汽泡的作用，因此经过大量的实验选择了最佳的尺寸关系。

作为优选，消音筒沿着高度方向延伸，将消音筒侧面单位长度的开孔面积S设置为高度H的函数，即S＝F（H），F’(H)<0，其中F’(H)是F（H）的一次导数。上述的结果也是通过实验验证，经过实验发现，通过如此设置，能够在相同的开孔总面积下，进一步缓解水锤现象，能够减少20－25％左右的水锤现象。通过事后进行分析，初步判断是因为上部的消音筒的上端盖的阻挡，上部水锤现象相对少一些，而且因为流体从下部向上走，下部流体流量相对大一些，水锤现象相对多一些，因此通过上述设置，能够进一步缓解水锤现象。

作为优选，F"(H)>0，其中F"(H)是F（H）的二次导数。

通过上述的二次导数的设置，通过实验发现，能够进一步缓解水锤现象，大约降低10％左右的水锤现象。

作为优选，所述消音筒4的上端盖和冷凝腔6的上端盖之间的距离h1至少是冷凝腔体6高度的1/10,优选为冷凝腔体6高度的1/10-1/8，所述冷凝腔体6的下端盖与消音筒4侧面的最下侧的孔的中心点的距离h2至少为冷凝腔体6高度的1/6，优选为冷凝腔体6高度的1/6-1/5。

h1不能过低，过低则会导致上部空间太少，蒸汽一多就会导致消音筒侧面的上端的孔就会浸泡在汽体中，会产生严重的产生水锤现象，h1过高，则导致冷凝腔体6的占用空间过大，费用过高。

同样，h2不能过小，过小的话，则从消音筒下端孔出来的水可能会直接带着水蒸汽从冷凝腔下孔板进入容器，而且会导致水锤现象，过高，则导致冷凝腔体6的占用空间过大，费用过高。

上述的尺寸是通过大量实验得到的，满足了缓解水锤现象的需要及其空间和成本的要求。

作为优选，如图1所示，所述的冷凝腔体的上端盖设置排汽孔。进一步有选，所述排汽孔连接排汽管道7，所述排汽管道7上设置排汽阀8。通过设置排汽阀8，能够及时排出冷凝腔体上部没有冷凝的水蒸汽。

作为优选，所述的管道上设置阀门，用于控制进入缓解装置中的水的流量，所述的冷凝腔体6内设置水位传感器11，所述的阀门、排汽阀门8和水位传感器与控制器9进行数据连接，所述控制器9根据检测的水位自动控制排汽阀门进行排汽。

虽然附图作为示意图的仅仅显示了一个。但是作为优选，水位传感器11为多个，可以设置在冷凝器墙体6内的不同高度，分别测量不同高度的水位。

作为优选，如果检测的水位低于第一数值，则控制器控制排汽阀门8自动打开，进一步有选，可以同时减小阀门的开度；如果测量的水位高于第二定数值，则控制器控制排汽阀门8自动打开，进一步优选同时增加阀门的开度。

通过上述的自动控制，可以根据水位的高低来只能判断冷凝腔体内的水蒸汽含量的多少，如果多，则自动排汽，优选同时减少进水量，避免产生水锤现象，如果水蒸汽含量少，则可以增加进水量，同时减少排汽，避免水损失。

作为优选， 当测量的水位低于第一水位时，控制器8控制蒸汽阀8以第一开度进行排汽；当测量的水位低于比第一水位低的第二水位时，控制器8控制蒸汽阀8以高于第一开度的第二开度进行排汽；当测量的水位低于比第二水位低的第三水位时，控制器8控制蒸汽阀8以高于第二开度的第三开度进行排汽；当测量的水位低于比第三水位低的第四水位时，控制器8控制蒸汽阀8以高于第三开度的第四开度进行供水；当测量的水位低于比第四水位低的第五水位时，控制器8控制蒸汽阀8以高于第四开度的第五开度进行供水。

作为优选，第一水位是第二水位的1.1-1.3倍，第二水位是第三水位的1.1-1.3倍，第三水位是第四水位的1.1-1.3倍，第四水位是第五水位的1.1-1.3倍。

作为优选，第一水位是第二水位的1.1-1.15倍，第二水位是第三水位的1.15-1.2倍，第三水位是第四水位的1.2-1.25倍，第四水位是第五水位的1.25-1.3倍。

作为优选，第五开度是第四开度的1.2-1.25倍，第四开度是第三开度的1.15-1.2倍，第三开度是第二开度的1.1-1.15倍，第二开度是第一开度的1.08-1.12倍。

通过上述水位和阀门开度的优选，尤其是通过差别化的水位和阀门开度的设定，可以快速的实现排出蒸汽，减少水损失，快速的避免水锤现象。通过实验发现，能够减少12－16％左右的水锤出现，同时节约10％左右的排汽。

作为优选，如图3所示，所述消音筒4的侧面的外壁向外延伸的金属杆10，所述金属杆10端部为尖状结构10-1，所述金属杆设置在每个孔的上部，从消音筒4的侧面的外壁向下延伸。

消音筒4的侧面的外壁设置端部为尖状的杆，可以使得从消音筒4的侧面的孔排出的汽水混合物中，一方面可以破坏层流底层，并且增加传热面积进行强化传热，而且因为是杆，流动阻力小，也不会增加壳程的流动阻力，而且通过设置尖端部，能够刺破汽液两相流中的汽泡，实现扩大汽液界面以及汽相边界层并增强扰动，打碎汽水混合物中的汽体。而且因为向下延伸，因此汽团在上升过程中碰到尖部从而破碎，也能够进一步强化水蒸汽的冷凝。

所述金属杆设置在每个孔的上部，使得每个孔出来的汽团直接碰撞尖状结构，从而减少水锤现象。

作为优选，如图2所示，所述金属杆10与侧壁面的夹角A是30－60度，进一步优选为40－45度。

作为优选，金属杆10的端部的尖状结构10-1距离侧壁面的距离h优选为孔直径的1.4-1.6倍。

通过上述优选的夹角和距离，使得阻力较小的情况下，实现很好的换热效果。

作为优选，沿着消音筒高度方向，所述金属杆10为多个，金属杆10的分布密度M作为高度H的函数f（H），即M=f(H ), f’(H)>0，其中f’(H)是f（H）的一次导数。即沿着高度H方向，所述的金属杆10的分布密度越来越大。因为沿着高度H方向，汽团向上走，导致汽团越来越多，因此通过有规律的设置多个尖状金属杆10，可以进一步破碎汽团，提高水蒸汽的冷凝程度，节约材料。通过实验发现，有规律地设置金属杆10的分布密度，能够增加18％左右的水蒸汽的冷凝量，而且还能降低6％左右的流动阻力。

作为优选，f"(H)>0，其中f"(H)是f（H）的二次导数。即沿着高度方向，所述的金属杆10的分布密度越来越大的幅度不断的增大。在实验中发现，汽体的增长不是随着距离线型的增长，而且呈增加式的增长，因此通过设置上述的规律变化，进一步提高汽团的破碎速度和程度，提高冷凝程度。

作为优选，金属杆10包括连接侧面外壁的倾斜部分10-2和与倾斜部分10-2相连并且与消音筒侧面平行的平行部分10-3。所述的尖部10-1设置在平行部分10-3的端部。

通过设置平行部分10-3，可以使尖部10-1直插汽团的流动方向，提高汽团破碎程度和冷凝效果，减少水锤现象。

作为优选，如图4所示，所述倾斜部分10-2与侧壁的夹角A为45－70度，优选为55－60度。

通过上述优选的夹角，使得阻力较小的情况下，实现很好的换热效果。

下面进行具体的说明。

所述装置安装于容器内部，管道的延伸部分。装置通过法兰连接与管道延伸的接管连接，方便装置的拆装；装置各部件之间采用焊接的方式；装置顶部焊接一根排汽管，排汽管穿过容器壁伸至外部，通过一个排汽阀开关和调节排汽量。具体的实施如下：

（1）在容器内部、管道与容器的接管位置焊接一段接管，使管道沿轴线方向朝容器内部延伸一段长度，接管采用不锈钢材质，接管的端面焊接一个法兰。接管的长度根据实际情况，以满足焊接和法兰螺栓装配的操作空间为准；

（2）装置通过与接管法兰配对的法兰与接管进行活动连接，法兰配对面可采用凹凸面、隼槽面等多种形式，垫片可采用石棉橡胶垫、石墨缠绕垫、聚四氟乙烯垫等多种形式，可根据系统参数和现场实际情况进行选择；

（3）装置的法兰后焊接一个不锈钢弯头，弯头另一头焊接消音筒，弯头的角度满足使消音筒轴线方向竖直向上；

（4）消音筒为圆管结构，上端焊接盲板，不锈钢材质。管侧面均匀排列圆孔。圆孔内径最大不超过Φ10mm，孔间距大于孔径的两倍，所有圆孔的总流通面积大于管道流通面积的1.2倍；

（5）冷凝腔体为圆筒结构，铜材质，轴向方向竖直向上。上端口焊接铜制盲盖板，下端口焊接不锈钢孔板。孔板中心开有同心圆孔，内径比消音筒外径大1~3mm，将消音筒从该孔插入，插入深度使孔板位于消音筒最后一排孔洞高度以下。消音筒和孔板采取焊接连接。孔板内圆和外圆之间周向均匀分布排水圆孔，排水圆孔总流通面积不小于管道流通面积；

（6）冷凝腔体上盖开有圆形排汽孔，采用焊接与排汽管连接。排汽管穿过容器壁伸至外部，通过一个排汽阀开关和调节排汽量。排汽管的出口通向安全空间。

虽然本发明已以较佳实施例披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。

Claims (10)

1.一种设置在管道和容器连接位置的汽液两相水锤现象缓解装置，所述装置包括从管道端部延伸到容器内部的接管，所述接管连接弯头一个端部，所述弯头的另一端部向上延伸并连接消音筒，所述消音筒上端封堵，在侧面开孔，冷凝腔体设置在消音筒外部，所述冷凝腔体下端盖连接消音筒外壁，所述下端盖为孔板，所述的缓解装置整体浸泡在容器的水环境中。

2.如权利要求1所述的缓解装置，其特征在于，所述的冷凝腔体的上端盖设置排汽孔。

3.如权利要求1所述的缓解装置，其特征在于，所述冷凝腔体和消音筒为相同中心线的圆筒结构。

4.如权利要求1所述的缓解装置，其特征在于，消音筒侧面的开孔的总面积大于管道流通面积的1.2倍。

5.如权利要求1所述的缓解装置，其特征在于，消音筒沿着高度方向延伸，将消音筒侧面单位长度的开孔面积S设置为高度H的函数，即S＝F（H），F’(H)<0，其中F’(H)是F（H）的一次导数。

6.如权利要求5所述的缓解装置，其特征在于，F"(H)<0，其中F"(H)是F（H）的二次导数。

7.如权利要求1所述的缓解装置，其特征在于，所述消音筒的上端盖和冷凝腔的上端盖之间的距离为冷凝腔体高度的1/8-1/10，所述冷凝腔体的下端盖与消音筒侧面的最下侧的孔的中心点的距离为冷凝腔体高度的1/6-1/5。

8.如权利要求2所述的缓解装置，其特征在于，所述排汽孔连接排汽管道，所述排汽管道上设置排汽阀。

9.如权利要求8所述的缓解装置，其特征在于，所述的管道上设置阀门，所述的冷凝腔体内设置水位传感器，所述的阀门、排汽阀门和水位传感器与控制器进行数据连接，所述控制器根据检测的水位自动控制排汽阀门进行排汽。

10.如权利要求9所述的缓解装置，其特征在于，如果检测的水位低于第一数值，则控制器控制排汽阀门自动打开，同时减小阀门的开度；如果测量的水位高于第二定数值，则控制器控制排汽阀门自动打开，同时增加阀门的开度。