CN113713508B - 一种离心分离管、气液分离装置以及具有该装置的制冷系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种离心分离管、气液分离装置以及具有该装置的制冷系统，其中离心分离管包括螺旋状的管体，所述管体的进口端高于出口端，其特征在于，所述管体截面为矩形，且进口端延伸方向位于管体的切线方向上，所述出口端向螺旋轴线方向弯曲且正对轴心，该离心分离管通过矩形的管体能够对流体进行有效气液分离；气液分离装置则利用了离心分离管、导流部件以及热量交换部件对流体进行多次气液分离，提高气液分离效果；制冷系统采用该气液分离装置后能够大大提高制冷效率。

Description

一种离心分离管、气液分离装置以及具有该装置的制冷系统

技术领域

本发明属于制冷技术领域，涉及气液分离技术，具体来说，是一种离心分离管、气液分离装置以及具有该装置的制冷系统。

背景技术

制冷系统中所使用的压缩机多数为容积式压缩机，如活塞式压缩机、螺杆压缩机，低温低压的制冷剂气体在压缩机内消耗机械功后，被压缩成为高温高压的制冷剂气体，然后在冷凝器中被冷凝器常温高压制冷剂液体。如果压缩机吸入的气体中还有液体，液体在压缩机的压缩腔内吸收热量后急剧气化，由于单位质量的制冷剂气体体积是液体的数倍，制冷剂体积迅速膨胀，压缩腔内的压力瞬间急剧升高，会导致压缩机的压缩腔破坏，提高容积式压缩机吸入气体的干度才能保障制冷压缩机的安全运行。制冷系统中的气液分离装置就是为了提高压缩机吸入气体的干度而设置的，根据制冷系统的设计原理不同，气液分离器装置还可用于贮存低温低压制冷剂液体的功能，承担向制冷系统末端提供低温低压制冷剂液体的作用。

常温高压的制冷剂液体在进入气液分离器前，必须进行节流，经节流后的液体制冷剂被降温、降压，但是制冷剂液体在节流时，由于阀门、管道的热量摄入，制冷剂在节流时温度会稍有增加，造成在节流时发生制冷剂的闪发气体，降低了单位制冷剂的制冷效率。通常为减少制冷剂液体节流时的闪发气体，会在制冷系统中增设经济器、过冷器等设备，但是因增加设备而增加了制冷系统的复杂程度、也增加了制冷系统的管道、阀门、仪表等。

发明内容

本发明旨在提供了一种能够提高气液分离效果的离心分离管、气液分离装置以及具有该装置的制冷系统，从而提高制冷效率。

第一方面，为达到上述目的，本发明提供了一种离心分离管，包括螺旋状的管体，所述管体的进口端高于出口端，其特征在于，所述管体截面为矩形，且进口端延伸方向位于管体的切线方向上，所述出口端向螺旋轴线方向弯曲且正对轴心。

优选地，所述管体截面的高度与管体截面的宽度之比为1.5～3：1。

优选地，所述出口端为向外扩开的喇叭状结构。将出口端设置成喇叭状结构，一是喇叭状结构的出口端使得流体具有一定的节流效应，能够让流体中的液体在节流效应下气化，二是管体内的流体从出口端射出后，其前方的流通面积突然增大，流速快速减小，从而改变流体流向，使得流体中的气、液因重力的不同而完成气液分离。

第二方面，为达到上述目的，本发明还提供了一种气液分离装置，包括：

由外筒体、上封头和下封头组成的密闭空腔，所述外筒体上部内壁紧贴布置有所述的离心分离管，所述外筒体外侧壁切线方向设有与进口端连通的进气管；

位于离心分离管内部轴线方向且上下开口的内筒体，所述内筒体上端与上封头连接，所述内筒体下端低于管体的出口端，所述上封头设有伸入内筒体的出气管，下封头设有伸入的出液管；

位于内筒体内的导流部件，用于对气液混合物进行气液分离，以及

位于导流部件与出气管之间的热量交换部件，所述热量交换部件的进口管输入常温高压制冷剂，所述热量交换部件的出口管将经热量交换后的制冷剂经过降温降压部件处理后送入外筒体内。

采用上述技术方案的气液分离装置，高温高压的液体制冷剂从进口管进入，经过热量交换部件与内筒体内的低温制冷剂进行热量交换后，得到过冷，然后从出口管经过降温降压部件处理后变成低温低压液体制冷剂进入外筒体内，从而将液体制冷剂存储在气液分离装置的底部，液体制冷剂从出液管输送出去用于吸热蒸发，吸热蒸发后的制冷剂从进气口回流，通过离心分离管进行第一次气液分离，制冷剂从出口端射出后，由于气、液重力不同完成第二次气液分离，上升的气流进入内筒体，在导流部件作用下，气流不断发生流向、流速变化和碰撞，发生第三次气液分离，然后穿过热量交换部件吸收从进口管进入的高温高压制冷剂的热量，气流中的雾状液沫汽化，完成再一次气液分离。

优选地，所述导流部件包括：

若干弓形板，其等间距交错设置于内筒体中，且每块弓形板朝向内筒体中心倾斜，所述弓形板的弧形段与内筒体内壁封闭连接；

相邻两块弓形板之间所形成的流通截面积不小于进气管的流通截面积。

优选地，所述若干弓形板中最上端的一块弓形板对面设有与该弓形板平行的导向板，所述导向板的水平投影宽度不大于该弓形板的水平投影宽度。

优选地，所述降温降压部件为膨胀阀、节流阀或毛细管。

优选地，所述外筒体侧面设有液位控制装置，用于控制外筒体内液体的液位。

优选地，所述热量交换部件包括螺旋状的换热管，其中换热管的内部进口连通进口管，换热管的外部出口连通出口管，所述换热管的外周均匀分布有散热翅片。翅片状的螺旋状换热管能够对流体进行有骚扰动，进而实现又一次气液分离。

第三方面，为达到上述目的，本申请还提供了一种采用上述气液分离装置的制冷系统，其中，气液分离装置的出液管向外连通将制冷剂进行蒸发的末端设备，经过末端设备蒸发后的制冷剂回流到进气口。

本发明的气液分离装置相比现有技术，具有如下有益效果：

(1)气液分离装置内设置有离心分离管，制冷剂流体在螺旋状管体内进行气液分离，然后流体在离心分离管的导流作用下向气液分离器装置的中心喷出，既能及时排除流体中的液体，又不会对气液分离装置底部的制冷剂液体制冷剂造成冲击，避免形成二次夹带。

(2)内筒体的导流部件所形成的Y形折流板不断改变流体流速、流向，既有利于液体的排除，也能提高气液分离效率。

(3)在低温制冷剂气体出口位置设置翅片式螺旋转换热管，一方面对从出气管流出的制冷剂气体进行一定程度的过热，提高制冷剂气体的干度，提高制冷压缩机安全性；另一方面又对从进口管进入的高温高压液体制冷剂过冷，减少液体制冷剂节流时产生的闪发气体，提高制冷效率。

(4)翅片式螺旋转换热管还对从出气管流出的制冷剂气体具有过滤作用，能扰动气体过滤掉气体中夹带的液滴，实现气液分离。

附图说明

图1为离心分离管的俯视结构示意图；

图2为安装了离心分离管的企业分离装置；

图3位螺旋状换热管的结构示意图。

图中标记说明：1-外筒体，2-下封头，3-上封头，4-管体，41-进口端，42-出口端，5-内筒体，6-弓形板，7-导向板，8-进气管，9-出气管，10-热量交换部件，11-进口管，12-出口管，13-，14-降温加压部件，15-出液管，16-液位控制装置。

具体实施方式

为了便于本领域技术人员的理解，下面结合实施例与附图对本发明作进一步的说明，实施方式提及的内容并非对本发明的限定。

现有技术中，比如申请号为201310621926.8所公开的一种螺旋管气液分离装置，其设有与筒体同轴的螺旋管，螺旋管顶部为气液混合进口，底部为出液口。螺旋管实现气液分离的原理是：待分离的气液混合流体从上端进入螺旋管后，会在压力和流速的作用下，高速旋转，由于气体和液体密度不同，从而导致液体下落的更快，气体上升，从而使气液得到分离。该技术中通过在螺旋管上部外侧开设出气口可以排出气液分离出来的气体。

但是这种螺旋管管体截面一般都是采用容易成型的圆形管体，若开设出气口排出气体容易存在如下问题：当流体从切向进入管体后会在螺旋管靠近中心轴的内壁形成空心区，即靠近中心轴的压力会略低于远离中心轴区域的压力，而且圆形管体流速分布相对均匀，这使得分离出来的气、液有向中心轴区域吸的风险，造成气液二次混合。若出气口开设在螺旋管内侧同样存在上述问题。

本实施例中对现有技术中的气液分离用螺旋管进行改进，如图1所示，一种用于气液分离的离心分离管，其包括呈螺旋状的管体4，管体4的进口端41高于出口端42，也就是待分离的气液混合流体从离心分离管的进口端41进入，出口端42流出，改进之处在于，将管体4截面限定为矩形，矩形管体4的作用在于：流体进入管体4流道后，会在流道四个角的流向形成滞留层，从流体中分离出来的液体会更快地下落到管体4底部汇集，在分离的气体推动作用下流出出口端42。

为了避免流体的流速进入管体4后受到影响，进口端41延伸方向位于管体4的切线方向上，这样流体流速得以保持，从而确保管体4内的流体有足够的离心力保证气液分离。

再者，将出口端42设置为向离心分离管的螺旋轴线方向弯曲且正对轴心，这样可以在流体在流出出口端42之前改变流体流动方向，使得流体流出出口端42后具有更大的流通面积，从而提高流体的气液分离效果。

其中，螺旋状的管体4比较常见的有两种，一种是圆柱螺旋状，另一种是锥形螺旋状(更准确的说是圆锥台结构)，两种结构在一定都可以实现气液分离，本实施例优选圆柱螺旋状，也就是螺旋半径从上到下是不变的。

而离心分离管旋转的圈数根据适用环境和需求具体设定。

通过上述分析我们知道，矩形管体4的效果气液分离效果要明显优于普通的圆形管体4，而且由于进入管体4的流体离心力是与螺旋半径以及流体流速正相关的，因此要想获得更大的离心效果，应该提高流体流动的螺旋半径，但是螺旋半径越大，管体耗材也多，如果要保持耗材不明显增加的情况下，我们可以采取如下的方法来限定管体4，即管体4截面所在矩形的高度A应大于管体4截面的宽度B，见图2，也就是η＝A/B＞1，这样可以在螺旋状管体4的螺旋外径不变的情况下，尽量扩大螺旋内径，从而在一定程度上可以增加管体4中流体流动的等效半径，从而提高离心效果。

当然，η的值也不是越大越好，如果太大，一是上下层相邻管体4之间会相互影响，二是同一截面的速度梯度太大，反而会降低气液分离效果，因此我们一般将η的范围控制在1.5～3之间比较适宜。

当确定了η的具体大小，我们就可以计算出管体4截面的大小，具体过程如下：

首先假设进入进口端41的流体流量大小为V，管体4中的流速大小为u，因此管体4的流动面积S应该满足S＝V/u，又因为流动面积S＝A·B＝A·ηA，所以管体4截面的宽度B满足：

在上式中，流速u是离心分离管设计中实现气液分离所要求的预定流速，属于已知条件。

需要注意的是，除了增加管体4的螺旋半径外，还可以增加管体4的螺距来增加流体的离心力。

优选地的方案，还可以将出口端42设计成向外扩开的喇叭状结构，这样的结构不但使得流体具有一定的节流效应，能够让流体中的液体在节流效应下气化，二是管体4内的流体从出口端42射出后，其前方的流通面积突然增大，流速快速减小，从而改变流体流向，使得流体中的气、液因重力的不同而完成气液分离。

为了利用离心分离管的气液分离作用，本申请还提供了一种气液分离装置，能够在离心分离管的基础上，进一步提高气液分离效果，如图2所示，气液分离装置包括由外筒体1、上封头3和下封头2组成的密闭空腔，外筒体1上部内壁紧贴布置有离心分离管，其中离心分离管的进口端41刚好也与外筒体1的外侧壁相切，且进口端41连通外筒体1外的进气管8，优选地，进气管8的流道面积应大于管体4的流道面积S。

在外筒体1半径固定的情况下，将离心分离管设计成能够紧贴外筒体1内壁大小的结构能够使得离心分离管的螺旋半径达到最大，从而尽可能获得更好的气液分离效果。当然为了进一步增大螺旋半径，可以直接把外筒体1半径做大，不过这样就会增加不少成本，同时还要增加外筒体1的壁厚来保证结构强度，显然得不偿失，因此我们在能够接受的外筒体1半径大小条件下，使得离心分离管的螺旋半径与外筒体1半径匹配。

现有技术中，有的螺旋管体4并没有像本申请那样将其固定在外筒体1内壁上，而是设置螺旋导流板环绕固定在处于外筒体1轴线位置上的中心管上(当然也有把中心管省去的，不过这种螺旋导流板安装后的强度较弱)，在螺旋导流板的分隔下，在中心管和管壁之间形成螺旋通道，流体进入螺旋通道内流动进行离心分离，但是这种结构的螺旋板和筒壁之间一般有间隙，气流在流动过程中会沿着导流板与筒壁之间的间隙形成短路通道，影响分离效果。

气液分离装置还包括一个位于离心分离管内部轴线方向且上下开口的内筒体5，其中内筒体5上端与上封头3密封连接，内筒体5下端低于管体4的出口端42，在上封头3设有伸入内筒体5的出气管9，下封头2设有伸入外筒体1内的出液管15。

将内筒体5下端限制低于管体4的出口端42有如下好处：经过离心分离管气液分离的液体从出口端42朝向内筒体5喷出，而不会对外筒体1底部的制冷剂液体造成冲击，避免了二次夹带。

在内筒体5内分别设置导流部件，通过导流部件引导流体一次或多次改变流向可以促进气液分离。

具体的，如图2所示，导流部件进行如下设置：

首先在内筒体5从下到上的路径上设置若干弓形板6，这些弓形板6其等间距交错设置，且每块弓形板6朝向内筒体5中心倾斜，而弓形板6的弧形段则与内筒体5内壁封闭连接，这样从内筒体5底部进入的流体能够在弓形板6的导向作用下，不断发生流向、流向变化和碰撞，从而使得流体气液分离。

需要说明的是，若干弓形板6中位于最下端的一块弓形板6下边沿最好与内筒体5下边沿齐平。

从内筒体5的轴向截面看，相邻两块弓形板6呈倒Y布置，从而形成折流板，但是两块弓形板6之间是留有一定的流通间隙允许流体通过，具体地，假设上方弓形板6的下边沿到下方弓形板6的距离为H，则上下方弓形板6之间的最窄之处的流通面积最好限定为不小于进气管8的流通截面积，这样能够减缓流体流速，使得流体在导流部件中充分完成气液分离。

当然导流部件也可以选择其他能够起到导流作用的结构，比如弓形板6也可以水平交错设置(这种结构一般在水平流动的流体中使用)，只是导流作用相对上述导流结构要弱些。

为进一步提高导流部件的效果，还可以在最上端的一块弓形板6对面设置一块与该弓形板6平行的导向板7，从而引导导流部件尾部的流体进入下一级，本实例中，要求导向板7的水平投影宽度W不大于该弓形板6的水平投影宽度。

同时，导流部件与出气管9之间设有热量交换部件10，热量交换部件10的进口管11从上封体外输入高温高压制冷剂，热量交换部件10的出口管12将经热量交换后的制冷剂经过降温降压部件处理后送入外筒体1内。具体地，从图2中可以看出，本实施例中热量交换部件10的出口管12从上封体伸出，并沿着外筒体1外壁的管体4再回到外筒体1下部，这样经热量交换后的制冷剂就能够回到外筒体1内，不过在制冷剂进入外筒体1之前，需要通过降温降压部件进行处理。

具体实施时，所述降温降压部件选择膨胀阀，当然也可以用节流阀或毛细管进行代替，膨胀阀的降温降压效果在制冷系统中优于节流阀等阀门。

至于热量交换部件10，其主要是将热量交换部件10的高温高热制冷剂与外面的低温流体进行热量交换，具体地，热量交换部件10采用一种类似蚊香状的螺旋形换热管，如图3所示，其中内部进口与上封体上的进口管11连通，换热管的外部出口连通出口管12输出换热后的制冷剂。

优选地，在换热管的外周均匀设置有散热翅片，从而提高换热效果。

当然，翅片式的螺旋形换热管除了能够增加换热面积，对管外的制冷剂进行换热升温外，还能扰动管外的气体，从而过滤掉气体中夹带的液滴，提高制冷剂气体的干度，确保制冷压缩机安全性。

在具体制造上述螺旋状换热管时，可以直接选用带有散热翅片的直管，然后通过螺旋弯曲形成。

需要指出的是，螺旋转换热管可以是在一个平面螺旋，也可以是锥形螺旋。

为了防止外筒体1底部累积的液体液位达到内筒体5下端口，需要在外筒体1设置一个能够监测制冷剂液体液位的液位控制装置16，或者在外筒体1外设置一个可以方便观察的液位观察窗。以液位控制装置16为例，若监测到制冷器液体液面位置超过指定液位，则可以控制出液管15的阀门打开，从而确保液位处于安全线以下。

能够明白的是，指定液位的安全线最好是低于内筒体5下端口，从而留出一定的安全空间。

同时，本申请还提供了一种制冷系统，该制冷系统包括一个气液分离装置，其中气液分离装置的出液管15向外连通将制冷剂进行蒸发的末端设备，经过末端设备蒸发后的制冷剂回流到进气口。

由于气液分离装置中，通过热量交换部件10对出气管9流出的制冷器气体进行了一定程度的过热，提高制冷剂气体的干度，提高制冷压缩机安全性；反过来，从进口管11进入的高压制冷剂经过换热过冷，减少了液体制冷剂在经过降温降压部件进行节流时产生的闪发气体，提高了制冷系统的制冷效率。

以上对本申请提供的一种离心分离管、气液分离装置以及具有该装置的制冷系统进行了详细介绍。具体实施例的说明只是用于帮助理解本申请的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以对本申请进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本申请权利要求的保护范围内。

Claims (9)

1.一种离心分离管，包括螺旋状的管体（4），所述管体（4）的进口端（41）高于出口端（42），其特征在于，所述管体（4）截面为矩形，且进口端（41）延伸方向位于管体（4）的切线方向上，所述出口端（42）向螺旋轴线方向弯曲且正对轴心；所述管体（4）截面的高度与管体（4）截面的宽度之比为1.5~3：1。

2.根据权利要求1所述的一种离心分离管，其特征在于，所述出口端（42）为向外扩开的喇叭状结构。

3.一种气液分离装置，其特征在于，包括：

由外筒体（1）、上封头（3）和下封头（2）组成的密闭空腔，所述外筒体（1）上部内壁紧贴布置有如权利要求1~2任一项所述的离心分离管，所述外筒体（1）外侧壁切线方向设有与进口端（41）连通的进气管（8）；

位于离心分离管内部轴线方向且上下开口的内筒体（5），所述内筒体（5）上端与上封头（3）连接，所述内筒体（5）下端低于管体（4）的出口端（42），所述上封头（3）设有伸入内筒体（5）的出气管（9），下封头（2）设有伸入的出液管（15）；

位于内筒体（5）内的导流部件，用于对气液混合物进行气液分离，以及

位于导流部件与出气管（9）之间的热量交换部件（10），所述热量交换部件（10）的进口管（11）输入常温高压制冷剂，所述热量交换部件（10）的出口管（12）将经热量交换后的制冷剂经过降温降压部件处理后送入外筒体（1）内。

4.根据权利要求3所述的一种气液分离装置，其特征在于，所述导流部件包括：

若干弓形板（6），其等间距交错设置于内筒体（5）中，且每块弓形板（6）朝向内筒体（5）中心向下倾斜，所述弓形板（6）的弧形段与内筒体（5）内壁封闭连接；

相邻两块弓形板（6）之间所形成的流通截面积不小于进气管（8）的流通截面积。

5.根据权利要求4所述的一种气液分离装置，其特征在于，所述若干弓形板（6）中最上端的一块弓形板（6）对面设有与该弓形板（6）平行的导向板（7），所述导向板（7）的水平投影宽度不大于该弓形板（6）的水平投影宽度。

6.根据权利要求3所述的一种气液分离装置，其特征在于，所述降温降压部件为膨胀阀、节流阀或毛细管。

7.根据权利要求3所述的一种气液分离装置，其特征在于，所述外筒体（1）侧面设有液位控制装置（16），用于控制外筒体（1）内液体的液位。

8.根据权利要求3所述的一种气液分离装置，其特征在于，所述热量交换部件（10）包括螺旋状的换热管，其中换热管的内部进口连通进口管（11），换热管的外部出口连通出口管（12），所述换热管的外周均匀分布有散热翅片。

9.一种制冷系统，其特征在于，包括如权利要求3-8任一项所述的气液分离装置，所述出液管（15）向外连通将制冷剂进行蒸发的末端设备，经过末端设备蒸发后的制冷剂回流到进气口。

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