CN114392610A - 具有微针单向输运表面的气液旋叶分离器 - Google Patents

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Abstract

一种具有微针单向输运表面的气液旋叶分离器，包括：内筒、出气管和外筒，其中：外筒的顶部为封闭结构且中心设有用于安装出气管的通孔，出气管与外筒固定连接，内筒位于外筒内且两者通过外肋片相连，内筒底部延伸到外筒的底部外。本发明在气液旋叶分离器的内筒壁面、下降通道顶部导流环和出气管壁面采用微针定向液膜输运表面能够增强液滴壁面聚集和液膜沿着壁面输运，减少液膜破碎和液滴二次携带，捕获出气管中微细液滴扩散壁面实现分离，提高旋叶分离器的分离效率。

Description

具有微针单向输运表面的气液旋叶分离器
技术领域
本发明涉及的是一种核电蒸汽发电领域的技术，具体是一种具有微针单向输运表面的气液旋叶分离器。
背景技术
现有的压水堆核电站的汽水分离器是蒸汽发生器内的重要设备。湿蒸汽经汽水分离器后分离大部分液相，随后进入汽轮机进行做功。汽水分离器通常由旋叶分离器和干燥器组成。其中，旋叶分离器承担分离80％以上湿蒸汽的任务。旋叶分离器的工作原理是汽水混合物经过旋叶后，由于汽水混合物中液体密度显著高于气体密度，在离心力的作用下液体往壁面迁移。气体聚集在流道中心位置通过出气管流向干燥器。分离液体聚集在壁面上逐渐形成液膜，向上流动液膜在上升筒顶部进入下降通道流回蒸汽发生器入口。汽水分离器分离性能提高的主要挑战来自于上升筒壁面和导流环液膜的破碎造成二次液滴夹带，以及出气管旋流效果较弱二次夹带微小液滴难以分离，迫切需要降低液膜破碎和降低出气管二次液滴携带率。
现有基于重力的除湿汽水分离技术依靠重力引导液膜向下流实现及时排出分离液体，降低液膜破碎液滴二次夹带，但无法解决旋叶分离器向上流动气液形成的向上流动液膜流向的引导和出气管弱旋流下微细液滴的分离弱的问题。
发明内容
本发明针对现有技术存在的上述不足，提出一种具有微针单向输运表面的气液旋叶分离器，在气液旋叶分离器的内筒壁面、下降通道顶部导流环和出气管壁面采用微针定向液膜输运表面能够增强液滴壁面聚集和液膜沿着壁面输运，减少液膜破碎和液滴二次携带，捕获出气管中微细液滴扩散壁面实现分离，提高旋叶分离器的分离效率。
本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明涉及一种具有微针单向输运表面的气液旋叶分离器，包括：内筒、出气管和外筒，其中：外筒的顶部为封闭结构且中心设有用于安装出气管的通孔，出气管与外筒固定连接，内筒位于外筒内且两者通过外肋片相连，内筒底部延伸到外筒的底部外。
所述的内筒的顶部与外筒的顶部之间的间隙为用于排出分离液体到下降通道。
所述的内筒内部设有旋叶组件，该旋叶组件以上部分为内筒上升段，旋叶组件以下区域为入口发展段。
所述的内筒、出气管和外筒均为圆形截面。
所述的内筒上升段和出气管壁面采用激光等离子刻蚀形成单向输运表面，该单相输运表面具有微针结构，微针直径为100μm，倾斜角度为60°，微针间距为300μm。
所述的外筒顶部与出气筒连接处内侧焊有导流环，导流环的壁面采用激光等离子刻蚀形成单向输运表面，该单相输运表面具有微针结构，微针直径为100μm，倾斜角度为30°，微针间距为300μm。
技术效果
与现有技术相比，本发明技术效果包括：
本发明采用激光等离子刻蚀加工内筒上升段壁面倾斜微针阵列表面，微针倾斜角度为60°，能够促进壁面分离后的液膜定向斜向上输运，减少液膜回流和滞留时间，降低液膜厚度。同时微针具有钉扎效应，减少液膜回流。微针尖端能够捕捉气体中液滴扩散至壁面，使得分离至壁面的液膜更为均匀。两种效果均能降低液膜厚度，减少液膜受到气流作用破碎形成二次液滴，从而提高旋叶分离器的分离效率，达到提升汽水分离器出口蒸汽质量的效果。
本发明在外筒与出气筒连接处设置带微针单向输运表面导流环，通过导流环降低该区域的二次流，削弱二次流夹带液滴返回出气管。同时通过倾斜微针阵列，促进液膜往下降通道侧面壁面输运并排出，避免形成滞留大液块以及被剪切破碎二次夹带返回出气管。有利于上升筒液膜的输出，减少气体对液膜的再次携带。
本发明中的出气管内壁采用微针单向输运表面，液滴在表面能的推动下能够提高捕获和收集微小液滴，促进微细液滴扩散至壁面，提高分离效率，解决该处旋流强度低和二次夹带微细液滴难以分离的问题。
与现有技术相比，本发明分离器二次夹带显著降低，发生显著二次夹带的区域显著减小，且二次夹带微细液滴在出气筒实现有效分离，从而提升分离器分离效率。
附图说明
图1为本发明提出的旋叶分离器整体结构图；
图2和图3为图1局部放大示意图；
图4为本发明中单向输运表面倾斜微针阵列的正视示意图；
图5为本发明中单向输运表面倾斜微针阵列的侧视示意图；
图中：入口发展段1、旋叶组件2、内筒上升段3、第一单向输运表面4、侧部排水口5、导流环6、单向输运表面7、下降通道8、第二单向输运表面9、内肋片10、上升筒200、外筒100、出气管300。
具体实施方式
如图1所示，为本实施例涉及一种具有单向输运表面的旋叶分离器，包括：依次相连的内筒100和出气管300以及设置于其外部的下降通道200，其中：内筒100的一端通过内肋片10连接在下降通道200的内部，另一端延伸到下降通道200的外部，出气管300与下降通道200焊连且一端延伸到上升筒内部100。
所述的内筒100包括：入口发展段1、旋叶组件2、上升段3，其中：上升段3的外部与外筒200的内壁构成下降通道8，上升段3与出气管300构成窄通道5并与下降通道8连通。旋叶组件2上布置有旋叶。
如图2、图4和图5所示，所述的内筒上升段3内壁采用激光等离子刻蚀加工得到倾斜微针阵列组成的第一单向输运表面4，该微针的直径为100μm，间距为300μm。经实验分析，倾斜微针阵列与水平面呈60°倾角、与壁面法向方向呈30°的实验效果最优。
所述的出气管300的内壁采用激光等离子刻蚀加工得到倾斜微针阵列组成的第二单向输运表面9，该微针直径为100μm，间距为300μm。微针与水平面呈60°倾角、与壁面法向方向呈30°的单向输运表面。
如图3所示，所述的出气管300与外筒200连接处周向设有平面导流环6；该导流环6的导流面设置单向输运表面7。微针直径为100μm，间距为300μm。微针与水平面呈30°倾角单向输运表面。
当气液混合物经内筒入口发展段1后充分发展，经过旋叶组件2区域后成为旋转两相流，进入内筒上升段3。在内筒上升段3中由于气液密度差异大，密度大的液体被甩到壁面。内筒上升段3的内壁面为单向输运表面，能够促进液膜向上流动，同时能够均匀液膜，降低液膜厚度，在上升筒上升段3的顶部通过窄通道5排出到下降通道8。窄通道的顶部极易形成复杂的二次流造成液膜回流进入出气筒，此处通过设置导流环6及其单向输运表面7，有效降低液膜回流进入出气筒。内筒上升段的中心区域主要是气体以及一些二次夹带微细颗粒，该部分流体主要进入出气管300，该区域旋流强度已经衰弱，微细颗粒难以分离。出气筒300内壁面采用微针单向输运表面9，能够捕获和收集微小液滴，促进液滴扩散至壁面并实现气液分离。
经过空气-水分离实验表明，气相表观速度在6～17m/s，液相体积份额在0.2％～4.8％区间，气水分离效率提升1.2％～10.3％。液膜在上升筒上升段3以及节流环6处不会持续累积，液膜在倾斜微针的钉扎效应下，在内筒上升段沿轴向方向上铺展，在下降通道顶部向外铺展和流动，避免壁面液膜回流，液膜厚度减薄，形成的二次液滴夹带减少，并且微小雾滴在出气管300内壁被有效的捕获和分离。
综上，与现有技术相比，本技术应用于利用在分离器上升筒内壁、下降通道顶部导流环和出气管壁面布置倾斜微针，快速钉扎液体在壁面上，实现液膜单向输运，提高液膜排出效率，并促进收集出气管中微细液滴扩散壁面实现分离，从而提高分离效率。
上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本发明原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整，本发明的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限，在其范围内的各个实现方案均受本发明之约束。

Claims (8)

1.一种具有微针单向输运表面的气液旋叶分离器，其特征在于，包括：内筒、出气管和外筒，其中：外筒的顶部为封闭结构且中心设有用于安装出气管的通孔，出气管与外筒固定连接，内筒位于外筒内且两者通过外肋片相连，内筒底部延伸到外筒的底部外。
2.根据权利要求1所述的具有微针单向输运表面的气液旋叶分离器，其特征是，所述的内筒的顶部与外筒的顶部之间的间隙为用于排出分离液体到下降通道。
3.根据权利要求1所述的具有微针单向输运表面的气液旋叶分离器，其特征是，所述的内筒内部设有旋叶组件，该旋叶组件以上部分为内筒的上升段，旋叶组件以下区域为入口发展段。
4.根据权利要求1所述的具有微针单向输运表面的气液旋叶分离器，其特征是，所述的内筒、出气管和外筒均为圆形截面。
5.根据权利要求3所述的具有微针单向输运表面的气液旋叶分离器，其特征是，所述的内筒的上升段和出气管壁面采用激光等离子刻蚀形成单向输运表面。
6.根据权利要求1所述的具有微针单向输运表面的气液旋叶分离器，其特征是，所述的外筒顶部与出气筒连接处内侧焊有导流环。
7.根据权利要求1所述的具有微针单向输运表面的气液旋叶分离器，其特征是，所述的导流环的壁面采用激光等离子刻蚀形成单向输运表面。
8.根据权利要求5或7所述的具有微针单向输运表面的气液旋叶分离器，其特征是，所述的单相输运表面具有微针结构，微针直径为100μm，倾斜角度为60°，微针间距为300μm。
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