CN110743252B - 一种螺旋式气液分离器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种螺旋式气液分离器，包括柱状的筒体，筒体的上、下端面上设有流体出口、流体入口，沿筒体内圆周的切向设置有螺旋流道，螺旋流道自流体入口贯通延伸至流体出口，螺旋流道包括外轮廓和内轮廓，沿流道延伸方向外轮廓与筒体的外圆周壁具有平行边形式，内轮廓与外轮廓同轴并逐渐向外轮廓靠近；筒体底部套设有汇水槽，汇水槽上布设有疏水管；与外轮廓相切的筒体1侧壁上间隔布设有多级液相引出孔，对应地，筒体1外沿径向自内而外逐层套设有多重导流罩，使形成沿径向自内而外逐层套设的多级导流腔，每一导流腔的上端封闭、下端敞口并从液相引出孔延伸至汇水槽的上液面。该螺旋式气液分离器结构简单、设计合理、运行可靠、且分离效率高。

Description

一种螺旋式气液分离器

技术领域

本发明涉及一种螺旋式气液分离器，属于气液分离技术领域。

背景技术

气液分离器不仅广泛应用于气体除尘、油水分离及液体脱除杂质等多种工业及民用应用场合，而且在分馏塔顶冷凝冷却器后气相除雾，各种气体水洗塔、吸收塔、解析塔的气相除雾，以及核动力装置的蒸汽发生器中汽水分离领域也发挥着重要作用。尤其是汽水分离器，其属于气液分离器的一种，用于除去饱和蒸汽中携带的水滴，为蒸汽发生器汽轮机提供干度合格的蒸汽，其汽水分离性能直接影响到核电站的运行可靠性和高效性。

目前核动力装置的蒸汽发生器中应用较多的汽水分离装置，包括传统的旋风式分离器、旋叶式分离器、波形板式分离器等。其中，传统的旋风式分离器多采用传统螺旋管设计，虽然结构简单，但存在结构强度低、运行可靠性不高的问题。而旋叶式和波形板式汽水分离器的结构设计中由于涉及到较多辅助设备，因此存在结构相对复杂、占用的空间大、易产生二次液滴导致分离效率降低的问题，因此无法满足商用核电站蒸发器中功率增加及船用或者海上核动力装置中空间紧凑的应用需要。虽然现有的组合式分离器结合了多种分离原理来实现多重、高效分离，但其设计和加工过程较为复杂，成本较高，不具有广泛的适用性。在其他领域的气液分离器同样也存在类似的情况。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有的气液分离器结构复杂，分离效果不佳，容易使出口气体带有液滴的技术问题而提供一种结构简单、设计合理、运行可靠、且分离效率高的螺旋式气液分离器。

本发明的目的是这样实现的：筒体的上端面、下端面上对应设有流体出口、流体入口，沿所述筒体内圆周的切向设置有螺旋流道，所述螺旋流道自所述流体入口贯通延伸至所述流体出口，所述螺旋流道包括外轮廓和内轮廓，沿流道延伸方向所述外轮廓与所述筒体的外圆周壁具有平行边形式，所述内轮廓与所述外轮廓同轴并逐渐向所述外轮廓靠近，使所述螺旋流道的流通面积沿流道延伸方向逐渐变小；所述筒体底部的外圆周壁上套设有盘状的汇水槽，所述汇水槽的外边缘上布设有用于控制所述汇水槽的上液面高度的疏水管；与外轮廓相切的筒体侧壁上间隔布设有贯通该侧壁的多级液相引出孔，与每一级液相引出孔相对应地，所述筒体的外圆周上沿径向自内而外逐层套设有多重导流罩，使形成位于筒体与相邻的导流罩之间、相邻两导流罩之间的沿径向自内而外逐层套设的环形的多级导流腔，每一所述导流腔的上端封闭、下端敞口并从所述液相引出孔延伸至所述汇水槽的上液面。

本发明还包括这样一些结构特征：

1.与外轮廓相切的筒体的侧壁上自流体入口端起等间距地设置有第一、二、三、四级液相引出孔，使四级所述液相引出孔沿所述螺旋流道周向对称分布；与每一级液相引出孔相对应地，筒体的外圆周上沿径向自内而外逐层套设有第一、二、三、四导流罩，使形成位于筒体与第一导流罩之间、第一导流罩与第二导流罩之间、第二导流罩与第三导流罩之间、第三导流罩与第四导流罩之间的沿径向自内而外逐层套设的第一、二、三、四导流腔，每一所述导流腔的上端封闭、下端敞口并从对应液相引出孔延伸至所述汇水槽的上液面。

2.所述第一、二、三、四导流腔的下端口的间距相等或者沿径向自内而外逐级变小。

3.所述第一、二、三、四液相引出孔中靠近流体入口端的一级所述液相引出孔的孔数大于或等于靠近流体出口端的一级所述液相引出孔的孔数；

所述第一、二、三、四液相引出孔中靠近流体入口端的一级所述液相引出孔的孔径小于或等于靠近流体出口端的一级所述液相引出孔的孔径。

4.所述螺旋流道的螺旋周期数为两至四个。

5.所述流体出口、所述流体入口的横切面积比为1-10。

6.所述液相引出孔设置为沿径向水平贯通筒体1的侧壁，或者，朝向筒体外侧且向下倾斜贯通筒体1的侧壁。

7.所述疏水管为疏水环管，所述疏水环管的输入端位于汇水槽上液面的下游，所述疏水环管的输出端沿所述挡水沿的外周缘切向伸出并环形布设在所述汇水槽的外周缘，所述疏水环管的出口位于汇水槽上液面的上游；或者，所述疏水管包括球阀和流量计，用于自动控制所述汇水槽的液流量，使所述汇水槽的上液面高于所述导流腔的下端口时以疏水。

8.所述筒体包括中空的外筒体和内筒体，所述外筒体的内圆周壁上设有内凹的外螺旋槽，在所述内筒体的外圆周壁上设有内凹的内螺旋槽，通过所述外筒体的内圆周壁与所述内筒体的外圆周壁拼合连接形成密封的所述螺旋流道，所述外螺旋槽的外周缘形成所述螺旋流道的外轮廓，所述内螺旋槽的外周缘形成所述螺旋流道的内轮廓。

9.所述螺旋流道的横切面的形状为矩形或梯形或圆形或其他弧形。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：利用本发明的螺旋式气液分离器进行气液分离时，具有一定速度的气液混合物(即流体)自流体入口沿筒体的切线方向进入螺旋流道，并按照螺旋流道的螺旋方向内旋向上运动，产生离心力，使受离心力作用大的液滴相被甩向螺旋流道的外轮廓侧，即形成外层液相旋流，受离心力小的气相被集中于螺旋流道中心部位，即形成内层气相旋流。随着气液混合物的流通面积沿螺旋流道逐渐变小，气相和液相的流速均不断增加，即气相中液滴相所受惯性离心作用也不断增强，由此，使气相旋流中的液滴在不断增强的离心力作用下被不断分离并抛向外轮廓壁上形成液膜/液相，一部分通过多级液相引出孔逐级导出，再与对应导流罩相配合，使导出液沿导流腔形成外层下降旋流，最终汇集到汇水槽，通过疏水管排出分离器；另一部分沿螺旋流道一直回流至筒体底部的流体出口处以排出分离器，而螺旋流道中心部位的气相旋流则不断上升至顶部，最终从流体出口排出分离器，进入用气设备。

1、本发明中筒体内圆周上的螺旋流道与筒体一体成形，其整体结构简单且运行可靠，实现较高分离效率的同时，省去了传统多级气液分离器的复杂结构，减少了分离器结构的加工制造难度，降低了单一构件失效降低机组运行效能的风险；

2、本发明中采用切向设置的流体入口和螺旋流道结构，有效降低流体在入口处及螺旋流道中的湍流作用，减小入口处及液流方向上的压力损失；并采用导流罩结构设计为每一液相引出孔提供独立的、且能够封气排液的导流腔，进一步降低气相损失、压降损失，再通过合理设计螺旋流道的螺旋周期数、结构变化参数与方式，从而使分离效率大大提高；

3、本发明中通过间隔设置多级液相引出孔，保证了螺旋流道外轮廓壁上的液膜能及时且充分地排出，减少液重混导致分离效率降低的情况发生，相比于传统分离器中开设大范围液相出口区段而言，有效节省了开孔数量，减轻加工量，减少压降损失；

4、本发明中通过采用多重导流罩结构设计，为每一液相引出孔提供独立的导流腔，避免了气相在多级液相引出孔之间串流造成流速减小，导致气液分离效率降低的情况发生；而且，减少或消除了上部液相引出孔中排出的下降液相/液膜，堵塞下部液相引出孔造成液相无法及时排出，导致气液重混、分离效率降低的情况发生，最终自动实现多重、高效的气液分离；

5、本发明中通过增加流体入口端的液相引出孔的组数、通孔数量、孔径尺寸，增大内层导流腔下端排液口的间距，有利于提升流体入口端的液相引出孔及导流腔的排液能力，保证螺旋流道内靠近流体入口端较多的液相能充分、及时排出，进一步改善分离效果。

附图说明

图1为根据本发明一实施例的螺旋式气液分离器的立体结构示意图；

图2为图1中螺旋流道的内、外轮廓的曲线示意图；

图3为图1中结构的主视图(虚线指代剖面结构)；

图4为图1中结构的右视图(虚线指代剖面结构)；

图5为图1中结构的俯视图(虚线指代剖面结构)；

图6为图1中结构的仰视图(虚线指代剖面结构)。

图中：1筒体，11流体入口，12流体出口，2螺旋流道，21外轮廓，22内轮廓，3液相引出孔，31第一液相引出孔，32第二液相引出孔，33第三液相引出孔，34第四液相引出孔，4导流罩，41第一导流罩，42第二导流罩，43第三导流罩，44第四导流罩，401第一导流腔，402第二导流腔，403第三导流腔，404第四导流腔，5汇水槽，6疏水管。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合本发明一实施例及附图进行详细说明。通过参考附图描述的实施例(即核动力装置的蒸汽发生器中的汽水分离器)是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。本文描述的方法也可以应用于其他气液分离场合，包括内燃机燃油喷雾，压缩机出风口处气相除雾，分馏塔顶冷凝冷却器后气相除雾，各种气体水洗塔、吸收塔及解析塔的气相除雾等应用中。本实施例中，气液相混合物指由密度较大的液相成分和密度较小的气相成分枪组成的混合物，液相或液滴或液体指水滴，气相或气体指空气和水蒸汽的混合气。

本发明实施例中的螺旋式气液分离器，如图1-图6所示，其包括柱状的筒体1，筒体1内沿其内圆周的切线方向设置有螺旋流道2，螺旋流道2自筒体1的上端面贯通延伸至筒体1的下端面，并贯通筒体1的上、下端面以形成流体出口12、流体入口11。螺旋流道2通过沿筒体1的相对两内侧壁的周缘螺旋延伸形成有外轮廓21和内轮廓22，如图2所示，沿流道延伸方向外轮廓21与筒体1的外圆周壁具有平行边形式，即与外轮廓21相切的筒体1侧壁也是螺旋流道2的外轮廓壁，而内轮廓22与外轮廓21同轴并逐渐向外轮廓21靠近，使螺旋流道2的横切面积沿流道延伸方向(即液流方向)逐渐变小，即螺旋流道2的流通面积沿液流方向逐渐变小。

如图1、图3和图4所示，与外轮廓21相切的筒体1侧壁(即螺旋流道2的外轮廓壁，也即筒体1的外圆周壁)上设置有贯通该侧壁的液相引出孔3(即液相引出孔组，包括多个尺寸一致的通孔)，如此，便于附着在外轮廓壁上的液相流沿切向直接进入液相引出孔3，为螺旋流道2内分离出的液相(或液膜)提供有利的溢流通道，保证气液混合物中分离出的液相及时排出。

如图1、图3-图6所示，筒体1底部的外圆周壁上还套设有呈盘状的汇水槽5，用于收集自液相引出孔3中导出的液相，汇水槽5的外边缘上布设有用于控制汇水槽5的上液面高度的疏水管6，用于当汇水槽5的上液面高于导流罩4的下端面时以疏水。

与液相引出孔3相对应地，围绕筒体1的外圆周同轴套设有筒状的导流罩4，导流罩4的内圆周壁与筒体1的外圆周壁之间围成一环形的、且能够封闭气相的导流腔，导流腔通过该液相引出孔3与螺旋流道2相连通。根据图1、图3-图6中所示示例，导流罩4的上端口缩径设置以套合在筒体1的侧壁上使上端封闭，其下端敞口并延伸至汇水槽5的上液面实现液封(见图4所示)。采用上述结构设计，可实现导流腔封气排液的使用目的，进一步减少气流外溢造成的气相损失、压降损失，使液相在螺旋流道2与导流腔之间的内外压差作用下能更顺利地沿液相引出孔3溢出，形成外层下降旋流，即沿导流腔的侧壁从液相引出孔3导流至汇水槽5的上液面，最终通过疏水管6(未示出)及时排出，从而提高气液分离效率。应当理解，也可以通过在导流罩4的上端面上设置顶盖，以盖合在导流腔的上端口上使上端封闭；或者，还可以是其他封闭方式。

利用本实施例中的螺旋式气液分离器进行气液分离时，具有一定速度的气液混合物(即流体)自流体入口11沿筒体1的切线方向进入螺旋流道2，并沿螺旋流道2的螺旋向上运动，产生离心力，使受离心力作用大的液滴相(由于密度大)被甩向螺旋流道2的外轮廓侧继续向上运动，即形成外层上升液相旋流，受离心力小的气相(由于密度小)聚合至螺旋流道2中心部位继续向上运动，即形成内层上升气相旋流。随着气液混合物的流通面积沿螺旋流道2逐渐变小，气相和液相的流速均不断增加，即气相中液滴相所受惯性离心作用也不断增强，由此，使气相旋流中的液滴在增强的离心力作用下被不断分离，并抛向外轮廓壁上形成液膜/液相，一部分依靠自身的上升运动惯性及内层上升气相旋流的携带作用被推至上部的液相引出孔3处，另一部分则在自身重力作用下沿螺旋流道2的外轮廓壁回流至下部的液相引出孔3处，并在螺旋流道2与导流腔之间的内外压差作用下顺利沿液相引出孔3溢出，形成外层下降旋流，最终汇集到汇水槽5，通过疏水管6排出分离器；还有一部分回流至底部且未流经液相引出孔3的部分则沿螺旋流道2一直回流至筒体底部的流体出口12处以排出分离器。而螺旋流道中心部位的气相旋流则沿螺旋流道2不断上升至顶部，最终从流体出口排出分离器，进入用气设备。

本实施例中，通过采用该切向设置的流体入口11和螺旋流道2结构，有效降低了流体在入口处及螺旋流道2中的湍流作用，减小了入口处及液流方向上的压力损失；并采用导流罩结构设计为每一液相引出孔提供独立的、且能够封气排液的导流腔，进一步降低气相损失、压降损失；同时，将螺旋流道2的外轮廓21沿液流方向设置为与筒体1的外圆周壁平行边的形式，通过螺旋流道2的内轮廓22沿液流方向渐收至外轮廓21，实现了流体的流通面积沿液流方向均匀且快速减小，使得气液混合物即使在较小的流体输入压力或螺旋周期数不多的情形下，也能沿液流方向达到足够高的流速，使内层气相旋流沿液流方向可以不断分离出半径更小的液滴，使液滴的临界分离半径(即可以被分离的液滴的最小半径)减小，以达到更好的分离效果；此外，螺旋流道2的内轮廓22沿液流方向渐收至外轮廓21的过程，对内层上升气相旋流中夹带的小尺寸液滴也会产生一定附加的外推作用，从而使内层上升气相旋流中的液滴相更容易分离至外轮廓侧，有利于在外轮廓壁上附着。

有利地，为了达到更好的液相分离效果，液相引出孔3可设置为多级(即多组)，使多级液相引出孔3按照一定的螺旋周期规律间隔分布在螺旋流道2的外轮廓壁上(如图4所示)，使外轮廓壁上形成的液相沿液流方向上升的过程中，可通过逐级液相引出孔3及时导出。与此同时，如图1、图3和图4所示，与每一级液相引出孔3相对应地，在筒体1外圆周上沿径向自内而外逐层套设有多重导流罩4，其中，多重导流罩4的高度和内径沿径向自内而外均依次变大，使形成位于筒体1与其最近邻的导流罩4之间、相邻两导流罩4之间的多级的环形导流腔，多级导流腔沿径向自内而外逐层套设，每一级导流腔的上端封闭、下端敞口并延伸至汇水槽5的上液面。分离器运行时，汇水槽5处于积液状态，各级导流腔的下端口均被汇水槽5的上液面覆盖以实现液封，使各级导流腔之间相互独立。

具体地，如图1-图6所示，示例性地示出了根据本发明的多个方面的一种螺旋式气液分离器，该螺旋式气液分离器的筒体1为高220mm，外径(指外圆周直径)为148mm的圆周形实心筒体，螺旋流道2包括两个螺旋周期。如图2所示，流体入口11的横切面为矩形，其中长和宽分别为61.37mm和32.28mm，面积为2015.124mm 2，流体出口12的横切面为不规则四边形(即梯形)，其中上底边为5.41mm、下底边为17.11mm、外侧宽和内侧宽分别为32.28mm和34.33mm，面积为363.126mm 2。流体入口11和流体出口12的面积比为5.55。

如图1所示，筒体1底部的外圆周壁上套设有呈环形盘状的汇水槽5，其内径(指内圆周直径)与筒体1外径一致，为148mm，外径为240mm。汇水槽5的外边缘(即外径侧的边缘)向上延伸形成挡水沿，用以保持汇水槽5的上液面高度；汇水槽5的外围还套设有用于排出汇水槽5内多余液相的疏水管6。具体地，本示例中如图1所示，疏水管6通过位于外径侧的内、外两层壁形成有沿轴向贯通的疏水环槽，疏水环槽的内壁直径为232mm，外壁直径为240mm，环槽的上端口与汇水槽5上端面(也即汇水槽5平衡时的上液面，其不高于导流罩4的下端面)平齐，并贴合在汇水槽5的挡水沿的外周壁上，其下端口一直沿轴向下贯通延伸至位于筒体1下部的初始流体源的上液面(图1中仅简单示意了疏水环槽的围设在汇水槽5外周缘上的上段结构，实际的疏水环槽一直沿轴向下贯通延伸至位于筒体1下部的初始流体源的上液面，图中未示出)。当汇水槽5的上液面高于汇水槽5的上端面时，多余的积液溢流到其外围的疏水环槽，并沿疏水环槽排至流体源的上液面，如此，能够防止多余的积液直接下降落至初始流体源的上液面时引起二次液滴，增大输入气液混合物的湿度的情况发生，有利于保证输入气液混合物的高气相含量。

如图3、图4所示，与外轮廓21相切的筒体1侧壁(即螺旋流道2的外轮廓壁)上自流体入口11端起等间距地设置有第一液相引出孔31、第二液相引出孔32、第三液相引出孔33、第四液相引出孔34，第一液相引出孔31、第二液相引出孔32、第三液相引出孔33、第四液相引出孔34分别与外轮廓21线的1/2、1、3/2、2个螺旋周期相对应，即螺旋流道2的外轮廓壁上自流体入口11端起每隔1/2个螺旋周期对应开设一级液相引出孔3，且四级相间分布在筒体1的两侧，相邻两级液相引出孔3沿螺旋流道2周向对称。其中，每一级液相引出孔3包括有3-5行、10-20列的圆形通孔(部分通孔位于螺旋流道2的外轮廓壁上即可)，开孔直径为1mm至3mm，相应地，孔间距为1mm至3mm，且各孔间距均匀，便于加工。设置四级液相引出孔3既可以及时且充分排出螺旋流道2内形成的液膜，防止液膜被气流携带产生二次液滴，以提高分离效率，又利于节省开孔数量，减少加工制造工艺。应当理解，液相引出孔3中通孔的形状也可以是圆形外其他形状，如半圆形、椭圆形等其他弧形状。

与第一液相引出孔31、第二液相引出孔32、第三液相引出孔33、第四液相引出孔34一一对应地，如图3、图4所示，位于每一级液相引出孔3上方的筒体1侧壁上依次套设有第一导流罩41、第二导流罩42、第三导流罩43、第四导流罩44，筒体1的外圆周壁与第一导流罩41的内圆周壁之间、第一导流罩41的外圆周壁与第二导流罩42的内圆周壁之间、第二导流罩42的外圆周壁与第三导流罩43的内圆周壁之间、第三导流罩43的外圆周壁与第四导流罩44的内圆周壁之间分别围成环形的第一导流腔401、第二导流腔402、第三导流腔403、第四导流腔404，每一级导流腔的上端封闭、下端敞口并一直向下延伸至接近汇水槽5的底表面，当汇水槽5内积液时，每一级导流罩4的下端延伸至汇水槽5的上液面被水覆盖，利用汇水槽5的上液面对各个导流腔的下端口实现液封。

利用多级液相引出孔进行气液分离时，进入螺旋流道的初始气液混合物在离心力作用下分离出的液膜/液相在流经第一级液相引出孔31后，大部分液相被排出进入第一导流腔401内，受重力下落后进入汇水槽5。之后，剩余的少量液相和气相旋流沿螺旋流道2继续向上运动，随着流速不断升高，离心力作用进一步加强，剩余的少量液相在离心力的作用下进一步被抛向外轮廓壁上形成液膜，密度较小的气相聚合继续向上运动，且其液相含量进一步降低，干度进一步增加。当混合流体经过第二级液相引出孔32后，大部分液相被排出进入第二导流腔402内，受重力下落后，进入汇水槽5，经疏水环管6排出分离器。以此原理类推地，混合流体中没有被分离的液相，通过第三液相引出孔和第三导流罩、第四液相引出孔和第四导流罩后更进一步被分离，使到达流体出口12处的气液分离效率可以达到99.9％。气相旋流到达流体出口12之后进入分离器筒体1顶部上方的大空间，流通面积迅速增加，气液两相迅速膨胀，压力快速降低，剩余的液相发生闪蒸，进一步提高蒸汽干度，提高分离效率，最后气相聚合后输送到汽轮机或者其他用气装置中。

本发明实施例中通过设置多级液相引出孔3，使内层气相旋流沿液流方向可以不断分离出半径更小的液滴，减小液滴的临界分离半径(即可以被分离的液滴的最小半径)，同时，分离出的液滴沿外轮廓壁流动过程中可通过逐级液相引出孔3及时排出，充分满足排液需求，避免滞留液膜被气流携带产生二次液滴、造成分离效率降低的情况发生。相比于传统分离器中设置大范围液相出口区段的排液方式而言，本发明有效节省了开孔数量，减少压降损失。与此同时，还在每一级液相引出孔3的外围加设一导流罩4，为每一级液相引出孔3提供一个独立的导流空间，即导流腔，不仅解决了气相在两级不同高度的液相引出孔3中形成内部流动，造成流体的流动速度减小，导致气液分离效率降低的问题；而且，减少或消除了上部液相引出孔3中排出的被分离的液相/液膜，流经下部液相引出孔3造成液相引出孔3堵塞，降低下部液相引出孔3和导流腔的排液速度，造成分离的液相不能及时排出，重新进入螺旋流道2，增大内侧上升气相中携带的液相量，导致分离效率降低的现象。此外，还能够防止气相在导流腔的下端口之间流动，以减小压降。由此，使该分离器自动实现多重高效的气液分离，分离效果更好，省去了传统多重气液分离器的复杂结构，降低了分离器结构设计和加工制造难度。

应当理解，螺旋流道2的螺旋周期数，流体出口12、流体入口11的横切面面积比，液相引出孔3的级数、布设方式、液相引出孔3中通孔的行数、列数、孔径尺寸、孔间距、孔形状等也不仅限于上述示例中所列举的，可根据实际的分离需求，对各参数进行合理设计，以到达最佳的分离效果。

例如，可选地，根据本申请的多种实施例，螺旋流道2的螺旋周期数为两至四个，当然，还可以是更多的螺旋周期数。

例如，可选地，根据本申请的多种实施例，流体出口12、流体入口11的横切面面积比为1至10，当然，结合具体的螺旋流道2螺旋周期数还可以是更高的横切面面积比。

例如，可选地，根据本申请的多种实施例，筒体的内圆周上也可以同时设置多个螺旋流道2，多个螺旋流道2沿周向并排分布，从而有效提高螺旋式分离器整体的气液分离处理能力，大大提高汽水分离效率。

例如，可选地，根据本申请的多种实施例，多级液相引出孔3可以包括一级、二级、三级、四级、五级、六级甚至更多级；其中，多级液相引出孔3也可以非等间距地设置在螺旋流道2的外轮廓壁上。

进一步地，由于螺旋流道2中靠近流体入口11端的气液混合物相比于靠近流体出口12端的气液混合物而言，前者的液相含量相对较大，排液需求也相对更大。因此，本发明实施例中，靠近流体入口11端的螺旋流道2的外轮廓壁上的液相引出孔3的级(组)数、通孔数量、孔径尺寸以及液相引出孔3所对应的导流腔的下端口的间距，相较于靠近流体出口12端的螺旋流道2的外轮廓壁上的液相引出孔3通孔数量(如行数、列数等)、孔径尺寸以及液相引出孔3所对应的导流腔的下端口的间距而言可以适当增加，即在靠近流体入口11端的螺旋流道2的外轮廓壁上可以多布设几级液相引出孔3。

例如，可选地，根据本申请的多种实施例，第一液相引出孔31、第二液相引出孔32、第三液相引出孔33、第四液相引出孔34中靠近流体入口11端的一级液相引出孔3的孔数大于或等于靠近流体出口12端的一级液相引出孔3的孔数；

和/或，第一液相引出孔31、第二液相引出孔32、第三液相引出孔33、第四液相引出孔34中靠近流体入口11端的一级液相引出孔3的孔径大于或等于靠近流体出口12端的一级液相引出孔3的孔径。如此，有利于提高靠近流体入口11端的螺旋流道2的外轮廓壁上的液相引出孔3的排液能力，充分满足排液需求。

例如，可选地，根据本申请的多种实施例，第一导流腔401、第二导流腔402、第三导流腔403、第四导流腔404的下端口的间距相等或者沿径向自内而外逐级变小。

具体地，根据如图1、图3-图6所示的实施例，第一、第二、第三、第四导流罩41、42、43、44的上端口的内径均与筒体外径一致，为148mm，第一、第二、第三、第四导流罩41、42、43、44的下端口的外径分别为160mm、170mm、178mm、186mm，且四重导流罩的壁厚均为1mm，由此，使第一导流腔401、第二导流腔402、第三导流腔403、第四导流腔404的下端口的间距逐渐变小。每一级导流腔通过所对应的一级液相引出孔3与螺旋流道2连通，用于导流出对应液相引出孔3处的外层下降旋流并从液相引出孔3延伸至汇水槽5的上液面。如此，有利于提高靠近流体入口11端的液相引出孔3所对应的导流腔下端口的排液能力，充分满足排液需求。根据图示的实施例，经模拟分析，该气液分离器的分离效率可达到99.9％左右。

可选地，根据本申请的多种实施例，液相引出孔3设置为沿径向水平贯通筒体1的侧壁，即水平通孔，如图4所示；或者，朝向筒体1的外侧向下倾斜地贯通筒体1的侧壁，即斜向外下方的倾斜通孔，通孔的出口端的尺寸可大于或等于入口端的尺寸，如此设置，便于螺旋流道2中分离出的液相顺利沿液相引出孔3溢出，提高液相引出孔3的排液能力。

可选地，根据图1所示的实施例，疏水管6为套设在汇水槽5的外周壁上的疏水管6，疏水管6外径侧通过内、外两层壁形成有沿轴向贯通的疏水环槽(见图1所示)，疏水环槽一直沿轴向下贯通延伸，形成用于排液至筒体1下方的疏水通道，用于使汇水槽的上液面高于导流腔的下端口时以疏水。

或者，根据本申请的其他实施例，疏水管6为分布在汇水槽5的外周缘上的疏水引流管(未示出)，疏水引流管的出口位于汇水槽5上液面的上游，当汇水槽5的上液面高于导流罩4的下端面并到达疏水引流管的出口高度时，通过疏水引流管的出口排除多余积液。该实施方式同样能达到上述示例所述的技术效果。

或者，根据本申请的其他实施例，疏水管6为可用于自动控制汇水槽5的液流量的疏水阀，使汇水槽5的上液面高于导流罩4的下端面时以疏水。例如，疏水管6上装有一个球阀和流量计，通过调节球阀来控制从疏水管6出口分流掉的流量占汇水槽5流量的百分比，使汇水槽5的上液面稳定在导流腔下端口的上游，即导流腔的下端口始终被汇水槽5的上液面覆盖实现液封。

可选地，本发明实施例中，螺旋流道2的横切面的形状为矩形或梯形或圆形或弧形或三角形或其他几何形状。

可选地，本发明实施例中，柱状的筒体1可以是圆柱状(如图1)，也可以是圆锥状(未示出)。筒体1可采用实心柱状筒体1，也可以采用具有一定壁厚的中空柱状筒体1(未示出)，还可以采用同轴的内、外中空筒体1结构。

作为示例的，当实心柱状筒体1或具有一定壁厚的中空柱状筒体1结构设计时，可通过模具铸造的加工方式成型螺旋流道2，以满足该螺旋式气液分离器的性能指标。该成型方式比较简单，有利于减少加工量。

作为另一示例的，当采用内、外中空筒体1结构设计时，可在外筒体1的内圆周壁上设有沿侧壁周缘内凹的外螺旋槽，在内筒体1的外圆周壁上设有沿侧壁周缘内凹的内螺旋槽(未示出)。装接时，通过外筒体1的内圆周壁套合在内筒体1的外圆周壁上使外螺旋槽与内螺旋槽拼合连接形成密封(可以是焊接密封或装夹密封圈的密封方式)的螺旋流道2，外螺旋槽外周缘构成螺旋流道2的外轮廓21，内螺旋槽外周缘构成螺旋流道2的内轮廓22，沿流道延伸方向外轮廓21与筒体1的外圆周壁具有平行边形式，即外筒体1的外螺旋槽的外周壁就是螺旋流道2的外轮廓壁；而内轮廓22与外轮廓21同轴并逐渐向外轮廓21靠近，使螺旋流道2的横切面积沿流道延伸方向逐渐变小，以满足该螺旋式气液分离器的性能指标。采用内、外筒体1的结构设计，相比于铸造成型方式而言，有利于降低加工难度，保证较高的成型质量。

综上，本发明实施例提出的螺旋式气液分离器包括柱状的筒体，筒体的上、下端面上设有流体出口、流体入口，沿筒体内圆周的切向设置有螺旋流道，螺旋流道自流体入口贯通延伸至流体出口，螺旋流道包括外轮廓和内轮廓，沿流道延伸方向外轮廓与筒体的外圆周壁具有平行边形式，内轮廓与外轮廓同轴并逐渐向外轮廓靠近；筒体底部套设有汇水槽，汇水槽上布设有疏水管；与外轮廓相切的筒体侧壁上间隔布设有多级液相引出孔，对应地，筒体外沿径向自内而外逐层套设有多重导流罩，使形成沿径向自内而外逐层套设的多级导流腔，每一导流腔的上端封闭、下端敞口并从液相引出孔延伸至汇水槽的上液面。本发明中，通过筒体与螺旋流道一体成形，使整体结构简单且运行可靠，省去了传统多级气液分离器的复杂结构。通过采用切向设置的流体入口和螺旋流道结构，不仅而且有效降低流体在入口处及螺旋流道中的湍流作用，减小入口处及液流方向上的压力损失；并采用导流罩结构设计为每一液相引出孔提供独立的、且能够封气排液的导流腔，进一步降低气相损失、压降损失，再通过合理设计螺旋流道的螺旋周期数、结构变化参数与方式，从而使分离效率大大提高。通过在螺旋流道的外轮廓壁上间隔设置多级液相引出孔，既保证了及时且充分地排出螺旋流道内形成的液膜，以减少气液重混导致分离效率降低的情况发生，同时，有效节省开孔数量，减轻加工量，减少流道压降损失；同时，多级液相引出孔与多重导流罩相配合，为每一液相引出孔提供独立的导流腔，避免了气相在多级液相引出孔之间串流造成流速减小，导致气液分离效率降低的情况发生；而且，减少或消除了上部液相引出孔中排出的下降液相/液膜，堵塞下部液相引出孔造成液相无法及时排出，导致气液重混、分离效率降低的情况发生，最终自动实现了多重、高效的气液分离。通过对本发明实施例提出的螺旋式气液分离器进行汽水分离模拟分析，其气液分离效率可达到99.9％，验证了本发明提出的螺旋式气液分离器结构设计的正确性和高效能。

在本发明实施例的描述中，需要说明的是，术语“内”、“外”、“内层”、“外层”、“中心”、“相对”、“上方”、“下方”、“上部”、“下部”、“顶部”、“底部”、“上端(面)”、“下端(面)”、“底端”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或两者之间的相对位置关系，仅是为了便于描述本发明的简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”、“第三”、“第四”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

虽然本发明所揭露的实施方式如上，但的内容仅为便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属领域内的技术人员，在不脱离本发明所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施的形式及细节上进行任何的修改与变化，但本发明的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定为准。

Claims (10)

1.一种螺旋式气液分离器，包括柱状的筒体，所述筒体的上端面、下端面上对应设有流体出口、流体入口，其特征在于：沿所述筒体内圆周的切向设置有螺旋流道，所述螺旋流道自所述流体入口贯通延伸至所述流体出口，所述螺旋流道包括外轮廓和内轮廓，沿流道延伸方向所述外轮廓与所述筒体的外圆周壁具有平行边形式，所述内轮廓与所述外轮廓同轴并逐渐向所述外轮廓靠近，使所述螺旋流道的流通面积沿流道延伸方向逐渐变小；所述筒体底部的外圆周壁上套设有盘状的汇水槽，所述汇水槽的外边缘上布设有用于控制所述汇水槽的上液面高度的疏水管；与外轮廓相切的筒体侧壁上间隔布设有贯通该侧壁的多级液相引出孔，与每一级液相引出孔相对应地，所述筒体的外圆周上沿径向自内而外逐层套设有多重导流罩，使形成位于筒体与相邻的导流罩之间、相邻两导流罩之间的沿径向自内而外逐层套设的环形的多级导流腔，每一所述导流腔的上端封闭、下端敞口并从所述液相引出孔延伸至所述汇水槽的上液面。

2.根据权利要求1所述的一种螺旋式气液分离器，其特征在于：与外轮廓相切的筒体的侧壁上自流体入口端起等间距地设置有第一、二、三、四级液相引出孔，使四级所述液相引出孔沿所述螺旋流道周向对称分布；与每一级液相引出孔相对应地，筒体的外圆周上沿径向自内而外逐层套设有第一、二、三、四导流罩，使形成位于筒体与第一导流罩之间、第一导流罩与第二导流罩之间、第二导流罩与第三导流罩之间、第三导流罩与第四导流罩之间的沿径向自内而外逐层套设的第一、二、三、四导流腔，每一所述导流腔的上端封闭、下端敞口并从对应液相引出孔延伸至所述汇水槽的上液面。

3.根据权利要求2所述的一种螺旋式气液分离器，其特征在于：所述第一、二、三、四导流腔的下端口的间距相等或者沿径向自内而外逐级变小。

4.根据权利要求3所述的一种螺旋式气液分离器，其特征在于：所述第一、二、三、四液相引出孔中靠近流体入口端的一级所述液相引出孔的孔数大于或等于靠近流体出口端的一级所述液相引出孔的孔数；

所述第一、二、三、四液相引出孔中靠近流体入口端的一级所述液相引出孔的孔径小于或等于靠近流体出口端的一级所述液相引出孔的孔径。

5.根据权利要求1-4任意所述的一种螺旋式气液分离器，其特征在于：所述螺旋流道的螺旋周期数为两至四个。

6.根据权利要求1-4任意所述的一种螺旋式气液分离器，其特征在于：所述流体出口、所述流体入口的横切面积比为1-10。

7.根据权利要求1-4任意所述的一种螺旋式气液分离器，其特征在于：所述液相引出孔设置为沿径向水平贯通筒体1的侧壁，或者，朝向筒体外侧且向下倾斜贯通筒体1的侧壁。

8.根据权利要求1-4任意所述的一种螺旋式气液分离器，其特征在于：所述疏水管为疏水环管，所述疏水环管的输入端位于汇水槽上液面的下游，所述疏水环管的输出端沿所述汇水槽的挡水沿的外周缘切向伸出并环形布设在所述汇水槽的外周缘，所述疏水环管的出口位于汇水槽上液面的上游；或者，所述疏水管包括球阀和流量计，用于自动控制所述汇水槽的液流量，使所述汇水槽的上液面高于所述导流腔的下端口时以疏水。

9.根据权利要求1-4任意所述的一种螺旋式气液分离器，其特征在于：所述筒体包括中空的外筒体和内筒体，所述外筒体的内圆周壁上设有内凹的外螺旋槽，在所述内筒体的外圆周壁上设有内凹的内螺旋槽，通过所述外筒体的内圆周壁与所述内筒体的外圆周壁拼合连接形成密封的所述螺旋流道，所述外螺旋槽的外周缘形成所述螺旋流道的外轮廓，所述内螺旋槽的外周缘形成所述螺旋流道的内轮廓。

10.根据权利要求1-4任意所述的一种螺旋式气液分离器，其特征在于：所述螺旋流道的横切面的形状为矩形或梯形或圆形或其他弧形。

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