CN111569581B - 一种适用于月球重力环境的气液分离装置及其分离方法 - Google Patents

一种适用于月球重力环境的气液分离装置及其分离方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种适用于月球重力环境的气液分离装置，包括：压缩机和一个以上相互串联的气液分离模块；其中，每个所述气液分离模块包括：离心分离管、排气管和回油管；所述离心分离管从上往下呈螺旋形排布，其采用套管形式，包括：套管外壁和套管内壁以及内外壁之间填充的多层毛细结构芯体；所述套管内壁上设有通孔；所述多层毛细结构芯体沿径向分为三层芯体，且每层芯体为多孔结构，其平均孔径从所述套管内壁到套管外壁沿径向逐层减小，进而形成阶梯孔结构；所述离心分离管的上端与压缩机的排气口连接，下端的内管通过所述排气管与冷凝器连接，下端的多层毛细结构芯体中的外层芯体与回油管的一端连通；回油管的另一端与压缩机的回油口连通。

Description

一种适用于月球重力环境的气液分离装置及其分离方法
技术领域
本发明涉及制冷及热泵系统技术领域，具体涉及一种适用于月球重力环境的气液分离装置及其分离方法。
背景技术
热泵作为经济、节能、高效的加热手段，在地面应用中已经大量使用，以热泵空调、热泵热水器、工业余热回收利用等方面使用最为广泛。关于热泵强化航天器散热的理论研究，其理论提出较早，然而受航天器发展的限制，进一步的发展十分缓慢。相比传统热管等被动热控技术，热泵具有换热效率高、系统体积小、质量轻的特点；相比两相流体技术，热泵可以大幅提高辐射散热温度，从而有效减少辐射器面积，并且控温范围更广，系统运行稳定可靠。因此，将热泵引入下一代航天器热控系统的研究中，将有广阔的应用前景。
作为热泵系统核心部件之一的压缩机，在地面的油气分离技术中相对成熟，而在月球重力环境下(月球上重力大小为1/6g，其中，g为地球上重力大小)可能会出现分离效率降低甚至无法实现分离的问题，带来的直接后果就是压缩机的效率下降、功耗增加，进而造成热泵系统能效比的降低，严重时甚至会影响到压缩机的密封、润滑、冷却，从而导致压缩机失效。
对于压缩机油气分离装置，地面成熟产品基本都是基于重力分离原理，通过设置足够高的分离装置来实现油气的分离，这样的分离装置不仅体积、重量较大，而且不适用月球重力环境；而传统的离心分离设备需要额外的能源输入，可靠性、安全性欠佳。
目前已有的一些压缩机油气分离装置的改进方案，如CN109139428A、CN108843577A、CN107630818A、CN107701393A、CN106567818A等。这些方案均是基于现有的地面油气分离装置进行的改进。然而，这些方案均未考虑在月球重力环境下分离效率显著降低的问题，不适用于月球重力环境。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种适用于月球重力环境的气液分离装置及其分离方法，能够在月球重力环境下运行，并实现较高的分离效率。
本发明的技术方案为：一种适用于月球重力环境的气液分离装置，包括：压缩机和一个以上相互串联的气液分离模块；其中，每个所述气液分离模块包括：离心分离管、排气管和回油管；
所述离心分离管从上往下呈螺旋形排布，其采用套管形式，包括：套管外壁和套管内壁以及内外壁之间填充的多层毛细结构芯体；所述套管内壁上设有通孔；所述多层毛细结构芯体沿径向分为三层芯体，且每层芯体为多孔结构，其平均孔径从所述套管内壁到套管外壁沿径向逐层减小，进而形成阶梯孔结构；
所述离心分离管的上端与压缩机的排气口连接，下端的内管通过所述排气管与冷凝器连接，下端的多层毛细结构芯体中的外层芯体与回油管的一端连通；回油管的另一端与压缩机的回油口连通。
优选地，每个所述气液分离模块还包括：重力分离管；所述重力分离管为“L”形管，且采用与离心分离管相同的套管形式，其设置在离心分离管和排气管之间；所述离心分离管和重力分离管对接处的多层毛细结构芯体的外层芯体与回油管的一端连通；其中，所述重力分离管的水平段与离心分离管连通，竖直段通过排气管与冷凝器相连；回油管与重力分离管的竖直段分别位于重力分离管的水平段的两侧，且重力分离管的竖直段位于回油管之上。
优选地，所述离心分离管、重力分离管、排气管和回油管的材质均采用不锈钢。
优选地，所述套管内壁上的通孔沿周向和平行于管轴的方向分别均匀分布。
优选地，所述多层毛细结构芯体的材质采用亲油性有机材料。
优选地，所述多层毛细结构芯体的材质采用亲水性材料。
优选地，所述多层毛细结构芯体各层之间无缝连接，且外表面与套管外壁无缝连接，内表面与套管内壁无缝连接。
一种适用于月球重力环境的气液分离方法，包括以下步骤：
步骤一：气液混合物从压缩机的排气口进入离心分离管中，在螺旋形离心分离管的离心力作用下，液滴被甩到管路内壁，并穿过套管内壁上的通孔后被多层毛细结构芯体捕获和吸附，实现气液混合物一次分离；
步骤二：液滴在多层毛细结构芯体中毛细力差的作用下由内层逐渐向外层运动，当多层毛细结构芯体的外层芯体饱和后，液滴在月球重力作用下进入回油管并回到压缩机中；
步骤三：离心分离管中未被分离的液滴随气体进入重力分离管，在毛细力差的作用力下二次分离，液滴在月球重力作用下回落到回油管，被二次分离的气体通过排气管进入冷凝器。
有益效果：
(1)本发明的气液分离装置通过模块化的气液分离模块相互串联，以及设置为螺旋形的气液分离模块中填充的多层毛细结构芯体，简化气液分离装置的同时，能够在月球重力环境下高效分离气液混合物，且显著减小结构的体积和重量，模块化的设计便于更换单个失效的气液分离模块，而不影响气液分离装置继续运行。
(2)本发明的气液分离装置设置的填充有多层毛细结构芯体的重力分离管，能够对气液混合物进行二次分离，有利于有效提高气液分离净化的效果。
(3)本发明的气液分离方法在气液分离装置的基础上，能够高效准确地进行气液分离。
附图说明
图1为本发明实施例1中一种油气分离装置的结构示意图。
图2为图1中的A-A剖面图。
图3为本发明实施例1中另一种油气分离装置的结构示意图。
图4为本发明油气分离装置的工作原理示意图。
其中，1-压缩机，2-气液分离模块，3-离心分离管，4-重力分离管，5-排气管，6-回油管，7-套管外壁，8-套管内壁，9-多层毛细结构芯体。
需要说明的是，附图仅用于示出优选的实施方式，而并不认为是对本发明的限制。
具体实施方式
需要说明的是，虽然附图中显示了本发明的具体实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了让本领域的技术人员能够更透彻地理解本发明，并且能够将本发明的范围完整的传达给本领域的技术人员。
在说明书及权利要求书中使用了某些词汇来指称特定组件。本领域技术人员应可以理解，技术人员可能会用不同名词来称呼同一个组件。本说明书及权利要求书并不以名词的差异来作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异作为区分的准则。如在通篇说明书及权利要求书中所提及的“包含”或“包括”为一开放式用语，故应解释成“包含但不限定于”。说明书后续描述为实施本发明的较佳实施方式，然所述描述乃以说明书的一般原则为目的，并非用以限定本发明的范围。本发明的保护范围当视权利要求书所界定者为准。
下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
实施例1：
本实施例提供了一种适用于月球重力环境的气液分离装置及其分离方法，能够在月球重力环境下运行，并实现较高的分离效率。
如图1和图3所示，该气液分离装置包括：压缩机1和一个以上相互串联的气液分离模块2；其中，每个气液分离模块2包括：离心分离管3、重力分离管4、排气管5和回油管6。
该气液分离装置的连接关系为：离心分离管3整体从上往下呈螺旋形排布，重力分离管4为“L”形管，重力分离管4和离心分离管3均采用套管形式，如图2所示，包括：套管外壁7和套管内壁8以及内外壁之间填充的多层毛细结构芯体9；套管内壁8上沿周向和平行于管轴的方向均设有均匀的通孔；多层毛细结构芯体9沿径向分为三层芯体，且每层芯体为多孔结构，多层毛细结构芯体9的平均孔径从套管内壁8到套管外壁7沿径向逐层减小，进而形成阶梯孔结构(每一层芯体内孔径略有不同，本领域一般采用每层芯体的平均孔径作为该层的孔径)，例如，多层毛细结构芯体9内层芯体对应的平均孔径小于或等于套管内壁8上通孔的孔径，内层芯体对应的平均孔径为30μm左右，中间层芯体对应的平均孔径为15μm左右，外层芯体对应的平均孔径为5μm左右；
离心分离管3上端(令其为气液分离模块2的入口)与压缩机1的排气口连接，下端与重力分离管4的水平段一体连接，二者内管相通；离心分离管3和重力分离管4对接处的多层毛细结构芯体9的外层芯体与回油管6的一端连通；重力分离管4的竖直段通过排气管5与冷凝器相连(令排气管5与冷凝器相连的一端为气液分离模块2的出口)；回油管6的另一端与压缩机1的回油口连通；回油管6与重力分离管4的竖直段分别位于重力分离管4的水平段的两侧，且重力分离管4的竖直段位于回油管6之上；
进一步地，多层毛细结构芯体9的材质采用亲油性有机材料(如聚二乙烯基苯、聚二甲基硅氧烷、1，3，5-三乙炔基苯等)，其孔隙率为0.5～0.6，其内阶梯孔用于捕获和吸附油气混合物中携带的油滴，并在阶梯孔中形成弯月面，从而阻止油气混合物中的气体通过多层毛细结构芯体9进入回油管6中；
进一步地，多层毛细结构芯体9各层之间紧密接触，用于保证阶梯孔周向没有缝隙，从而不影响油滴沿阶梯孔由内而外流动；多层毛细结构芯体9的外表面与套管外壁7紧密接触，内表面与套管内壁8紧密接触，用于保证油滴处于多层毛细结构芯体9内部而不渗出；
进一步地，离心分离管3、重力分离管4、排气管5和回油管6的材质均采用不锈钢；
该气液分离装置的工作原理：如图4所示，压缩机1排出的气液混合物(本实例中气液混合物为油气混合物)以设定的速度进入离心分离管3，并在螺旋形的管路中运动产生离心力，在离心力的作用下液滴(本实例中液滴为油滴)被甩到套管内壁面8上，通过套管内壁8上的通孔后被多层毛细结构芯体9捕获和吸附；根据毛细力计算公式
Figure BDA0002447875540000041
(其中，F为阶梯孔的毛细力，σ为阶梯孔的表面张力，θ为阶梯孔的接触角，r为阶梯孔的平均半径)，可知阶梯孔的毛细力大小与其平均孔径成反比，因此，油滴在逐层增加的毛细力作用下由内层向外层移动，并在多层毛细结构芯体9的外层芯体汇集；通过预设多层毛细结构芯体9中阶梯孔各层的平均孔径，使离心分离管3出口端毛细结构芯体9的毛细力沿逆压差方向的分力略大于压缩机1排气口和回油口之间的气体的正压差，这样多层毛细结构芯体9能够实现毛细密封效果，防止油气混合物中的气体通过多层毛细结构芯体9进入回油管6；当多层毛细结构芯体9吸附的油滴饱和后，毛细力将不起作用，饱和的液滴在离心分离管3出口端与入口端之间的液体(本实施例中液体为油体)压差和月球重力的作用下进入回油管6中，欠饱和的多层毛细结构芯体9将继续通过毛细力吸附更多的油滴；
油气混合物经过一次分离，其中一次分离后的气体中仍掺杂少量油体，一次分离后的气体从离心分离管3流向重力分离管4，在重力分离管4中，由于毛细力的作用，进一步进行二次分离，二次分离后的油滴在重力的作用下落入回油管6，二次分离后的气体经排气管5输入冷凝器；
由于气液分离模块2在螺旋形排布的离心分离管3和多层毛细结构芯体9的共同作用下，使气液分离的主要驱动力由月球重力变为毛细力，因此，能够有效实现在月球重力环境下正常的气液分离工作。
该气液分离装置的分离方法，包括以下步骤：
步骤一：气液混合物从压缩机1的排气口进入离心分离管3中，在螺旋形离心分离管3的离心力作用下，液滴被甩到管路内壁，并穿过套管内壁8上的通孔后被多层毛细结构芯体9捕获和吸附，实现气液混合物一次分离；
步骤二：液滴在多层毛细结构芯体9中毛细力差的作用下由内层逐渐向外层运动，待多层毛细结构芯体9的外层芯体饱和后，液滴在月球重力作用下进入回油管6并回到压缩机1中；
步骤三：离心分离管3中未被分离的液滴随气体进入重力分离管4，在毛细力差的作用力下二次分离，液滴在月球重力作用下回落到回油管6，被二次分离的气体通过排气管5进入冷凝器。
实施例2：
与实施例1不同的是，多层毛细结构芯体9的材质采用亲水性材料，此时，气液混合物为水气混合物，该气液分离装置能够对水气混合物进行有效分离。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种适用于月球重力环境的气液分离装置，其特征在于，包括：压缩机(1)和一个以上相互串联的气液分离模块(2)；其中，每个所述气液分离模块(2)包括：离心分离管(3)、排气管(5)和回油管(6)；
所述离心分离管(3)从上往下呈螺旋形排布，其采用套管形式，包括：套管外壁(7)和套管内壁(8)以及内外壁之间填充的多层毛细结构芯体(9)；所述套管内壁(8)上设有通孔；所述多层毛细结构芯体(9)沿径向分为三层芯体，且每层芯体为多孔结构，其平均孔径从所述套管内壁(8)到套管外壁(7)沿径向逐层减小，进而形成阶梯孔结构；
所述离心分离管(3)的上端与压缩机(1)的排气口连接，下端的内管通过所述排气管(5)与冷凝器连接，下端的多层毛细结构芯体(9)中的外层芯体与回油管(6)的一端连通；回油管(6)的另一端与压缩机(1)的回油口连通。
2.如权利要求1所述的适用于月球重力环境的气液分离装置，其特征在于，每个所述气液分离模块(2)还包括：重力分离管(4)；所述重力分离管(4)为“L”形管，且采用与离心分离管(3)相同的套管形式，其设置在离心分离管(3)和排气管(5)之间；所述离心分离管(3)和重力分离管(4)对接处的多层毛细结构芯体(9)的外层芯体与回油管(6)的一端连通；其中，所述重力分离管(4)的水平段与离心分离管(3)连通，竖直段通过排气管(5)与冷凝器相连；回油管(6)与重力分离管(4)的竖直段分别位于重力分离管(4)的水平段的两侧，且重力分离管(4)的竖直段位于回油管(6)之上。
3.如权利要求2所述的适用于月球重力环境的气液分离装置，其特征在于，所述离心分离管(3)、重力分离管(4)、排气管(5)和回油管(6)的材质均采用不锈钢。
4.如权利要求1所述的适用于月球重力环境的气液分离装置，其特征在于，所述套管内壁(8)上的通孔沿周向和平行于管轴的方向分别均匀分布。
5.如权利要求1所述的适用于月球重力环境的气液分离装置，其特征在于，所述多层毛细结构芯体(9)的材质采用亲油性有机材料。
6.如权利要求1所述的适用于月球重力环境的气液分离装置，其特征在于，所述多层毛细结构芯体(9)的材质采用亲水性材料。
7.如权利要求1所述的适用于月球重力环境的气液分离装置，其特征在于，所述多层毛细结构芯体(9)各层之间无缝连接，且外表面与套管外壁(7)无缝连接，内表面与套管内壁(8)无缝连接。
8.一种适用于月球重力环境的气液分离方法，其特征在于，它使用如权利要求2所述的分离装置，包括以下步骤：
步骤一：气液混合物从压缩机(1)的排气口进入离心分离管(3)中，在螺旋形离心分离管(3)的离心力作用下，液滴被甩到管路内壁，并穿过套管内壁(8)上的通孔后被多层毛细结构芯体(9)捕获和吸附，实现气液混合物一次分离；
步骤二：液滴在多层毛细结构芯体(9)中毛细力差的作用下由内层逐渐向外层运动，当多层毛细结构芯体(9)的外层芯体饱和后，液滴在月球重力作用下进入回油管(6)并回到压缩机(1)中；
步骤三：离心分离管(3)中未被分离的液滴随气体进入重力分离管(4)，在毛细力差的作用力下二次分离，液滴在月球重力作用下回落到回油管(6)，被二次分离的气体通过排气管(5)进入冷凝器。
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