CN109595422A - 一种基于旋转式扭带的蒸汽冷凝诱导水锤消除装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于传热学和流体力学领域，特别涉及一种基于旋转式扭带的蒸汽冷凝诱导水锤消除装置。在汽液两相系统的上水平管内置扭带，扭带采用绕轴旋转的布置方式，用于消除汽液两相系统中蒸汽冷凝诱导发生的水锤。本发明采用管内插入可旋转扭带的方式，使汽液两相搅混均匀，防止大汽弹的产生，进而达到消除水锤的目的；扭带能够根据不同流速工况改变转速，自适应调节扭带的搅混能力。本发明的优点是：具有适用范围广，便于工程应用的特点；该装置结构简单，改进方便易行，可以实现多种类同族衍生物。

Description

一种基于旋转式扭带的蒸汽冷凝诱导水锤消除装置

技术领域

本发明属于传热学和流体力学领域，特别涉及一种基于旋转式扭带的蒸汽冷凝诱导水锤消除装置。

背景技术

在汽液两相系统中，高温蒸汽与过冷流体在管内流动过程中，由于汽液两相直接接触具有高效的换热能力，当较大的蒸汽弹与被过冷流体所淹没时，会产生剧烈冷凝，导致孤立汽泡区会产生局部负压或真空，附近流体在压差作用下加速相撞，产生高强度声响，并引起较大的压力波动，该过程即为水锤。

在汽液两相系统中，蒸汽冷凝诱导水锤现象会引起系统流动不稳定，严重影响系统的正常运行，尤其是在自然循环汽液两相系统中。此外，水锤产生的压力波动会对管道和设备造成损坏，并伴随巨大的噪声，在工程应用中对设备具有较大的危害。因此，消除汽液两相系统中蒸汽冷凝诱导的水锤对工业应用具有重要意义。

现有技术中存在抑制和消除水锤方法，大多用于单相条件下水锤消除，对于蒸汽冷凝诱导水锤的消除方法，专利号为CN107013784A和CN107131383A分别采用隔管式和多孔管式来抑制水锤。其中隔管式是将管道分隔为多个流道来抑制水锤，但没有消除蒸汽的措施，只能保证各个分管道内不出现水锤。多孔管式水锤抑制措施，仅在一定蒸汽压力下具有良好的消除蒸汽泡作用，且多孔管的阻力较大。以上两种方法均为强迫循环条件下的两相水锤消除措施，即采用一定压力下的单相蒸汽，直接注入具有过冷水的水平段。而对于汽液两相自然循环系统，驱动压头较低，循环流量较小，加热段出口为汽水混合物，含汽率较小且存在较大波动。采用上述方案，不能有效地将蒸汽和过冷水充分搅混并实现消除蒸汽弹，尤其是在分层流条件下。因此，现有的技术无法满足各两相自然循环系统不同含汽率条件下的水锤消除。

发明内容

本发明目的在于提供一种基于旋转式扭带的蒸汽冷凝诱导水锤消除装置，以解决现有技术不能满足多种工况条件下，尤其是汽液两相自然循环系统蒸汽冷凝诱导的水锤消除问题。

本发明的目的是这样实现的：

一种基于旋转式扭带的蒸汽冷凝诱导水锤消除装置，包括扭带1，所述的扭带1安装在空心管3内，扭带1两端设有转轴4，转轴4置于支撑法兰2的支撑环6内，支撑环6与支撑法兰2固定连接，支撑法兰2固定在空心管3管口处且轴向密封。

本发明还可以包括：

所述的支撑环6通过围绕在支撑环6周围的支撑杆7与支撑法兰2相连，所述的支撑杆7与支撑环6呈三角形连接。

所述的支撑法兰2为环状结构，支撑法兰2上钻有四个中心对称分布的法兰孔5。

所述的扭带1为分段式扭带，所述的分段式扭带是将空心管3中的扭带1分为扭带区10和转轴区11，扭带区10的长度和数量应满足两相自然循环系统的实际需求，转轴区11包括与整个扭带区10首尾两端连接的转轴和扭带之间的转轴，扭带之间的转轴通过支撑法兰2支撑。

所述的扭带1为同轴交叉二扭带，所述的同轴交叉二扭带为两个扭带1绕同一中心轴十字交叉，且两个扭带1具有相同的扭率。

所述的空心管3为水平空心管、竖直空心管、倾斜空心管、变径空心管、弯头空心管或三通结构件空心管中之一。

所述的支撑法兰2内环侧加工有内螺纹8，所述的空心管3两端具有与支撑法兰2的内螺纹8相同规格的外螺纹9，外螺纹9的螺纹长度与支撑法兰2的内螺纹8长度相同，空心管3和支撑法兰2通过螺纹连接，或者采用焊接连接，或者加工成一体式。

本发明的有益效果在于：

本发明在汽液两相系统的上水平管内置扭带，扭带采用绕轴旋转的布置方式，用于消除汽液两相系统中蒸汽冷凝诱导发生的水锤。本发明采用管内插入可旋转扭带的方式，使汽液两相搅混均匀，防止大汽弹的产生，进而达到消除水锤的目的；扭带能够根据不同流速工况改变转速，自适应调节扭带的搅混能力。扭带转动提高了对管内汽液两相的搅混能力，降低了对扭带扭率的要求，进而可以减小插入扭带对系统阻力的影响。扭带可以通过转轴旋转，其转速和搅混能力能够随实验工况自适应调整，能够满足各种两相自然循环系统的水锤消除。本发明结构简单，安装和拆卸方便，可以根据实验需求改变扭带的结构和固定方式，具有多方面的改进空间，可以满足不同两相自然循环系统的工程需求。

附图说明

图1汽液两相系统水锤消除装置。

图2同轴交叉二扭带主视图。

图3同轴交叉二扭带三维图。

图4同轴交叉二扭带剖面图。

图5支撑法兰俯视图。

图6支撑法兰主视图。

图7空心管结构示意图。

图8分段式扭带结构主视图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步描述：

结合图1-6中各符号的含义分别为：1、扭带，2、支撑法兰，3、空心管，4、转轴，5、法兰孔，6、支撑环，7、支撑杆，8、内螺纹，9、外螺纹，10、扭带区，11、转轴区。

在汽液两相系统的上水平管内置扭带，扭带采用绕轴旋转的布置方式，用于消除汽液两相系统中蒸汽冷凝诱导发生的水锤。本发明采用管内插入可旋转扭带的方式，使汽液两相搅混均匀，防止大汽弹的产生，进而达到消除水锤的目的；扭带能够根据不同流速工况改变转速，自适应调节扭带的搅混能力。本发明的优点是：具有适用范围广，便于工程应用的特点；该装置结构简单，改进方便易行，可以实现多种类同族衍生物。

本发明提供了一种基于旋转式扭带的蒸汽冷凝诱导水锤消除装置，包括：扭带1、空心管3、支撑法兰2和转轴4。根据实际需求，本发明还包括分段式扭带。

所述的同轴交叉二扭带，两个扭带绕同一中心轴十字交叉，具有相同的扭率。扭带可以通过转轴4旋转，旋转的扭带在实际应用过程中，对于汽液两相自然循环系统，当含汽量越大，水平段越容易形成大蒸汽弹，流量增加，扭带的转速提高，蒸气被分割成小气泡并与过冷水混合后冷凝，实现管内消汽，进而抑制管内水锤的发生。同时，该装置能够满足各种两相自然循环系统的工程应用需求，并降低对扭率的要求。

所述的支撑法兰2，支撑法兰2中心的支撑环6与法兰之间采用支撑杆7呈三角形焊接连接，主要用于扭带本体的定位和支撑，支撑环6内径大于扭带转轴4，保证扭带可以绕轴旋转。同时支撑法兰2与空心管3采用螺纹连接方式，便于安装和更换扭带。

所述的空心管3，两端具有与支撑法兰2相同规格的螺纹结构，其螺纹长度与支撑法兰2内螺纹8长度相同，可使空心管3和支撑法兰2通过螺纹密封连接。除了采用螺纹连接，对于不同工程应用需求，也可以采用焊接连接，或者将空心管3和支撑法兰2加工成一体式。

所述的分段式扭带，根据实际工程应用需求，为保证扭带1的稳固性，可将扭带1加工成扭带区10和转轴区11两部分，其中转轴区11用于固定和支撑扭带1。转轴区11不仅存在于两端，还存在中间转轴区11。当两相自然循环系统具有较大的流量时，可以在中间转轴区11附加支撑法兰2对扭带进行多点支撑，提高扭带运行的稳固性，防止其振动；当两相自然循环系统自然循环较小时，不需要附加支撑，相对整体式扭带，采用分段式扭带可以减小其引入系统的阻力。

一种基于旋转式扭带的蒸汽冷凝诱导水锤消除装置，包括：扭带1，支撑法兰2，空心管3和转轴4，还包括扭带1安装在空心管3内，两端的转轴4置于支撑法兰2的支撑环6内，支撑环6和支撑法兰2通过支撑杆7焊接固定。

所述的扭带1具有一定宽度，厚度和扭率，其种类多样，如单扭带、多扭带、同曲率扭带和不同曲率扭带等。本发明将以同轴交叉二扭带为例，但不局限于此类扭带。扭带1的端部为转轴4，采用与工作环境相容的材料(如耐高温、耐腐蚀)通过3D打印而成。

所述的转轴4是在扭带1两端加工无扭带结构的光滑圆柱形结构，转轴4与扭带1为一体式，并能在支撑环6内实现转动。

旋转的扭带1能够将汽液两相搅混均匀，并消除大汽弹，同时，扭带的搅混能力随着流量、含汽率和压力等参数的改变进行自适应调节。

所述的支撑法兰2的中心为支撑环6，其内径大于转轴4的外径，并采用支撑杆7将支撑环6与支撑法兰2呈三角形焊接固定。

所述的空心管3不限于其安装方式，可以是水平管，竖空心管3和倾斜管；同时也不局限于其结构形式，在变径，三通等结构件中均适用。

本发明专利的优势在于：

(1)本发明提供一种管内插入扭带的方法，能够消除汽液两相系统的蒸汽冷凝诱导水锤的现象，以缓解现有技术无法有效适应各种工况条件下，尤其是自然循环条件下的消除水锤问题。

(2)扭带转动提高了对管内汽液两相的搅混能力，降低了对扭带扭率的要求，进而可以减小插入扭带对系统阻力的影响。

(3)扭带可以通过转轴旋转，其转速和搅混能力能够随实验工况自适应调整，能够满足各种两相自然循环系统的水锤消除。

(4)支撑法兰与直管之间采用螺纹连接，便于安装和更换扭带；支撑环采用三角形焊接连接方式，其刚性和可靠性较好。

(5)本发明结构简单，安装和拆卸方便，可以根据实验需求改变扭带的结构和固定方式，具有多方面的改进空间，可以满足不同两相自然循环系统的工程需求。

实施例1：

按照图1所示，本发明一种消除汽液两相系统水锤的装置，包括扭带1，支撑法兰2，空心管3和转轴4。其具体过程包括如下：

应当指出，扭带具有多种类型，本发明以同轴交叉二扭带为例，对于其他类型的扭带结构，其应用原理相同，也属于本发明的保护范围。

本发明采用的同轴交叉二扭带，两端为转轴4，中间为扭带交叉部分，平面主视图如图2所示，三维立体图如图3所示。两个扭带呈十字交叉，并以一定的扭率通向旋转而成，扭带外沿距离管内径为管内径的十分之一，如图4所示。其安装过程为：首先将扭带1一端的转轴4置于支撑法兰2的支撑环6中，支撑环6通过支撑杆77与支撑法兰2焊接固定，如图5所示。然后将空心管3和支撑法兰2通过内螺纹8和外螺纹9进行连接，如图6和图7所示，从而完成对扭带1的定位和支撑。最后将该水锤消除装置通过法兰连接到两相自然循环系统中，并实现消除水锤的目的。应当指出，空心管3并不局限于空心管3，对于水平管、竖管、变径、倾斜管、弯头、三通、管外或管间和管束等结构件发生蒸汽冷凝诱导水锤现象，同样具有良好的消除效果，也属于本发明的应用范围。

实例2：图8给出了一种分段式同轴交叉二扭带，在上述实例的基础上，进一步地，所述的分段式扭带包括扭带区10和中间转轴区。本实例中，根据不同工况需求，将扭带分为整体式和分段式。对于含汽率较高，流量较大时，汽水混合物会对空心管3内的扭带造成较大的冲击而出现振荡。为进一步保证扭带的稳固性，将扭带分为扭带区10和中间转轴区，中间转轴区通过支撑法兰2进行支撑，从而进一步加强了扭带1强度，防止扭带1中间振荡，中部支撑的数量应满足实际需求。同时，对于流量较小的汽液两相自然循环系统，由于流量小并对扭带1的冲击较小，因此采用上述技术方案时，无需增加额外的支撑，并能减小系统阻力。

一种消除蒸汽冷凝诱导水锤的装置，对于汽液两相自然循环系统，其水锤消除过程包括以下步骤：

(1)两相自然循环系统流体在加热段内受热产生蒸汽，汽水混合物进入空心管3中；

(2)在汽水混合物的冲击下，空心管3内的扭带1绕转轴4转动，将加热段内产生的大蒸汽弹切割破碎成小蒸汽泡；

(3)扭带1转动并对汽液两相的搅混后，水平段3内的小蒸汽泡被过冷水冷凝消失，进而无法形成大汽弹，实现消汽并从根源上达到消除水锤的目的；

(4)当两相自然循环系统出口含汽率较高时，容易形成大蒸汽弹；与此同时，加热段含汽率的增加会使自然循环系统驱动力增加，自然循环流量增加，因此空心管3内扭带1的转速也随之增加，其汽泡破碎能力和搅混能力增强。因此可以抑制水锤的发生；

(5)当两相自然循环系统出口含汽率较低时，自然循环流量较低，空心管3内的扭带1转速较低或者不转动。由于扭带1通道是绕中心轴螺旋的，加热段出口处的汽泡被分割为四个子通道，并在后续流动过程中，不断与过冷水接触冷凝，防止产生大蒸汽弹，并实现消除水锤的目的。

(6)加热段内的蒸汽弹被冷凝后，也消除了空心管3在出口处的蒸汽量，使得汽水混合物在热阱中也不会产生水锤现象，进而从根本上实现了管内以及管外的水锤消除。

本发明并不局限于上面例子中所描述的具体实施方式，应当指出，尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域技术人员依据前述技术方案修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换，这些修改或替换也应该也应当落入本发明的权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种基于旋转式扭带的蒸汽冷凝诱导水锤消除装置，包括扭带(1)，其特征在于：所述的扭带(1)安装在空心管(3)内，扭带(1)两端设有转轴(4)，转轴(4)置于支撑法兰(2)的支撑环(6)内，支撑环(6)与支撑法兰(2)固定连接，支撑法兰(2)固定在空心管(3)管口处且轴向密封。

2.根据权利要求1所述的一种基于旋转式扭带的蒸汽冷凝诱导水锤消除装置，其特征在于：所述的支撑环(6)通过围绕在支撑环(6)周围的支撑杆(7)与支撑法兰(2)相连，所述的支撑杆(7)与支撑环(6)呈三角形连接。

3.根据权利要求1或2所述的一种基于旋转式扭带的蒸汽冷凝诱导水锤消除装置，其特征在于：所述的支撑法兰(2)为环状结构，支撑法兰(2)上钻有四个中心对称分布的法兰孔(5)。

4.根据权利要求3所述的一种基于旋转式扭带的蒸汽冷凝诱导水锤消除装置，其特征在于：所述的扭带(1)为分段式扭带，所述的分段式扭带是将空心管(3)中的扭带(1)分为扭带区(10)和转轴区(11)，扭带区(10)的长度和数量应满足两相自然循环系统的实际需求，转轴区(11)包括与整个扭带区(10)首尾两端连接的转轴和扭带之间的转轴，扭带之间的转轴通过支撑法兰(2)支撑。

5.根据权利要求1或2所述的一种基于旋转式扭带的蒸汽冷凝诱导水锤消除装置，其特征在于：所述的扭带(1)为同轴交叉二扭带，所述的同轴交叉二扭带为两个扭带(1)绕同一中心轴十字交叉，且两个扭带(1)具有相同的扭率。

6.根据权利要求3所述的一种基于旋转式扭带的蒸汽冷凝诱导水锤消除装置，其特征在于：所述的扭带(1)为同轴交叉二扭带，所述的同轴交叉二扭带为两个扭带(1)绕同一中心轴十字交叉，且两个扭带(1)具有相同的扭率。

7.根据权利要求4所述的一种基于旋转式扭带的蒸汽冷凝诱导水锤消除装置，其特征在于：所述的空心管(3)为水平空心管、竖直空心管、倾斜空心管、变径空心管、弯头空心管或三通结构件空心管中之一。

8.根据权利要求6所述的一种基于旋转式扭带的蒸汽冷凝诱导水锤消除装置，其特征在于：所述的空心管(3)为水平空心管、竖直空心管、倾斜空心管、变径空心管、弯头空心管或三通结构件空心管中之一。

9.根据权利要求7所述的一种基于旋转式扭带的蒸汽冷凝诱导水锤消除装置，其特征在于：所述的支撑法兰(2)内环侧加工有内螺纹(8)，所述的空心管(3)两端具有与支撑法兰(2)的内螺纹(8)相同规格的外螺纹(9)，外螺纹(9)的螺纹长度与支撑法兰(2)的内螺纹(8)长度相同，空心管(3)和支撑法兰(2)通过螺纹连接，或者采用焊接连接，或者加工成一体式。

10.根据权利要求8所述的一种基于旋转式扭带的蒸汽冷凝诱导水锤消除装置，其特征在于：所述的支撑法兰(2)内环侧加工有内螺纹(8)，所述的空心管(3)两端具有与支撑法兰(2)的内螺纹(8)相同规格的外螺纹(9)，外螺纹(9)的螺纹长度与支撑法兰(2)的内螺纹(8)长度相同，空心管(3)和支撑法兰(2)通过螺纹连接，或者采用焊接连接，或者加工成一体式。