CN1253231C - 将管道中流动的气体与液体分离的装置及分离方法 - Google Patents

将管道中流动的气体与液体分离的装置及分离方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种将在管道中流动的介质中的气体和液体分离的装置，以及在该装置中进行这种分离的方法，尤其是如气体/液体混合物这类的介质，在高和低的流动速度下将气体和液体相互分离。根据现用技术，这种相分离仅仅能够在一定的流动速度范围内才能获得良好效果。在新的装置(1)中，既利用了液体(24)的表面张力，又利用了液体(24)与气体(22)之间的惯性力差别，阻止了液体(24)穿过一个分离元件(28)上的开孔(38)，从而获得了一种与流动速度无关的高质量相分离。

Description

将管道中流动的气体与液体分离的装置及分离方法
技术领域
本发明涉及一种用于对管道中流动的气体/液体混合物中的气体和液体进行分离的装置以及相应的分离方法。
背景技术
在一般的技术方法中，也包括汽车制造中，如，进入到空气过滤器壳体的进气接管中的雨水，以及其它技术应用领域中，经常出现的问题是，液体与气体或蒸汽混合到了一起，对它们又必须进行彼此分离。根据具体的应用情况，由于液体所引起的问题包括，导致腐蚀、产生运行功能障碍、可能还会引起装置的损坏。
US-PS 5 507 858中给出，在接入到一条管道中的壳体中，使用一个带孔的网格式开孔板，来将混在介质中的流动液体粒子从空气或者气体中分离出去。不过，当流动速度高时，分离效果明显降低，这是由于在开孔板上流动的液体不穿过开孔的缘故。
发明内容
按照本发明，提出了一种用于将一种在管道中流动的气体/液体混合物中的气体与液体分离的装置，它具有如下特征：
a)该装置具有一个壳体，
b)壳体与管道相连接，
c)壳体具有至少一个入口，气体/液体混合物从管道中沿着一个主流动方向流入该入口，
d)壳体具有至少一个用于气体/液体混合物的液体的液体出口，
e)壳体具有至少一个用于气体/液体混合物的气体的气体出口，
f)壳体具有至少一个分离元件，它将气体/液体混合物分离成气体和液体，
g)在壳体内，至少部分地沿着一个主流动方向上延伸着至少一个分离元件，
h)在壳体内有一个壳体中流动方向，
其中，沿着壳体中流动方向看，分离元件具有一个第一端部和一个第二端部，第二端部位于第一端部的对面，并且至少一个分离元件以其第二端部与液体出口邻接。
按照本发明，还提出了一种借助于一种装置将一种在管道中流动的气体/液体混合物中的气体与液体进行分离的方法，其中，该装置具有如下特征：
a)该装置具有一个壳体，
b)壳体与管道相连接，
c)壳体具有至少一个入口，气体/液体混合物从管道中沿着一个主流动方向流入到该入口中，
d)壳体具有至少一个用于气体/液体混合物的液体的液体出口，
e)壳体具有至少一个用于气体/液体混合物的气体的气体出口，
f)壳体具有至少一个分离元件，它将气体/液体混合物分离成气体和液体，
g)在壳体内，至少部分地沿着一个主流动方向上延伸着至少一个分离元件，
h)在壳体内有一个壳体中流动方向，
其中，至少一个分离元件具有如下特征：
i)分离元件被安置于入口所在区域中，
ii)分离元件具有至少一个开孔，
iii)分离元件在壳体中至少部分地沿着壳中流动方向伸展，
iv)分离元件的一个顶面朝向该入口，
v)气体/液体混合物流动到分离元件的顶面上，
vi)气体出口朝向分离元件的一个底面，其中，该底面与顶面位置相对，
其中，首先气体/液体混合物从管道中流入到壳体中，流动到至少一个分离元件的顶面上，然后，气体/液体混合物在至少一个分离元件的上方或者沿着其上面流动，为的是将气体与液体彼此分离，其中，液体和气体的不同惯性力和液体的表面张力阻止了液体穿过该至少一个开孔，之后，气体被导入气体出口，而液体)则从顶面直接地被导送到液体出口。
本发明的装置以及本发明的方法的优点是，通过一种简单的方式，使得相分离质量与平均流动速度无关，其中利用了两种物理效应。
有利的是，气体/液体混合物流动到分离元件的朝着入口的一个顶面上，并且液体出口朝着该顶面。
有利的是，该至少一个分离元件具有一个底面，它位于顶面的对面，并且至少一个气体出口朝向该底面。
有利的是，沿着壳体中流动方向看，壳体有一个起始区域和一个尾部区域。
有利的是，至少一个液体出口位于壳体的尾部区域中。
优点在于，至少一个入口处于壳体的一个起始区域内，这样能够将一个分离元件的整体表面用于进行相分离。
如果分离元件以一个第一端部与该入孔邻接，则具有特别的优势，这样流体可以直接流到分离元件上。
优势之处是，根据该装置壳体的具体构造的不同，使分离元件沿着主流方向抬升或者下降。
有利的是，至少一个分离元件从一个入口延伸到一个液体出口处。
当使用多个分离元件时，使用至少一个支撑脚是具有优点的。特别有利的方式是，在壳体中流动方向上的第二个或者接着的分离元件，承接第一个或者前一个分离元件的液体。
有利的是，至少一个分离元件至少具有一个开孔，并且该开孔的厚度d和宽度b、分离元件与壳体中流动方向之间的偏角、开孔的形状、尤其是主流动方向与开孔的内壁之间的打开角度、以及壳体中流动方向被这样选取，即，使得沿着壳体中流动方向流动的气体，在没有被转向的情况下不能够穿过开孔。其中给出了影响相分离质量的参数。
当流动速度低时，具有优点的是，将至少一个开孔的形状，设计为使得液体的表面张力能阻止液体穿过该至少一个开孔。
当流动速度高时，具有优点的是，将至少一个开孔的形状，设计为使得液体和气体的不同惯性力能够阻止液体穿过该至少一个开孔。
有利的是，通过一种尽可能合适的润湿角，它由该至少一个开孔的形状确定，来阻止液体穿过该至少一个开孔。
位于至少一个分离元件的顶面上的开孔，其横截面的较佳形状是平行四边形。原因是这样能够得到合理的润湿角。
至少一个分离元件的在顶面上的至少一个开孔，其横截面的较佳形状是透镜形。原因是这样能够得到有利的润湿角。
在壳体中流动方向上的至少一个开孔，其较佳的取向情况是，使得该至少一个开孔的一个最长的主轴处于壳体中流动方向上。
附图说明
本发明的几个实施例在附图中简单示出，并且在以下的描述中予以详细说明。
图中所示为
图1本发明的一个第一实施例，
图2一个分离元件的俯视图，
图3本发明的另一个实施例，
图4具有两个分离元件的本发明的另一个实施例，
图5本发明的又一个实施例，以及
图6一个分离元件的一个局部放大图。
具体实施方式
图1示出了本发明的第一个实施例。装置1由一个壳体3组成，它具有一个起始区4、一个尾部区5和一个壁6。在该壳体3的一侧，可以有一个进入孔9。也可能具有多个进入孔9。一条管道13通入到该进入孔9中。通过该管道13，气体/液体混合物19沿着由一个箭头16标示的主流方向流入。在壳体3中，该气体/液体混合物19沿着壳体中流动方向17继续流动。
该气体/液体混合物19由气体22和液体粒子24构成。气体22可由空气的各组成部分的分子组成。也可能是其它的气体或者混合气体。液体粒子24则可以是水。也可以考虑是其它的液体或者液体混合物。
在壳体3中安置有例如一个分离元件28，气体/液体混合物19撞击到其上。也可以有多个分离元件28。该分离元件28与主流动方向16成一个确定的偏角α地延伸。沿着壳体中流动方向17看，分离元件28具有一个第一端部32和一个第二端部33。
第一端部32最好直接地从进入孔9处分离元件28的一个顶面42开始，并且例如连续地过渡到管道13中去。
在分离元件28的顶面42上，由于气体/液体混合物19的流入形成一层液膜31。在该液膜中的液体粒子24随后被分离元件28沿着一个倾斜方向继续向前输送，而气体22则能够通过分离元件28上的至少一个开孔38进入到该分离元件28的底面43和壁6之间的区域中。液体粒子24并非立即改变方向，而是碰到分离元件28，在顶面42上沿着流动，或者是由于开孔38的形状、受液体表面张力的作用，粘附于开孔的周边上。
液体粒子24例如通过一个液体出口35离开壳体6，该开口被设置于壳体的尾部区域5中，处于分离元件28的顶面42的上方。通过该液体出口35，液体在管道中沿着方向45继续流动。分离元件28的第二端部33最好直接与液体出口35相接。
这样，至少一个分离元件28从至少一个入口9一直延伸到出口35。
气体22沿着方向51通过一个气体出口48、也有一部分通过液体出口35离开壳体6。
气体出口48朝向底面43。作为将液体与气体分离的机理，经常是利用由于密度的强烈差别造成的大的惯量差。在本发明的范围内，还利用了另一种效应，它是以液体和气体之间形成的大的表面张力为基础的。
液体24中所包含的固体颗粒或者所溶解的盐将随同液体24一道被分离出。
图2为一个分离元件28的俯视图。结构相同或者功能相同的构件，使用了与此前图中相同的参考标号。开孔38的顶面42上的一个横截面为平行四边形54或者透镜55的形状，因而对液体粒子24提供了液体24与分离元件28之间的尽可能有利的润湿角(Benetzungswinkel)。
通过这种形状，得到了周长与该周长所包围的面积之间的高的比值，因而液体24能够完全地将开孔38封闭起来，并且通过润湿粘附于开孔处，而不会有液体穿过开孔。
在与顶面42平行的平面内，开孔38的一个最长的主轴53的方向最好是沿着壳体中流动方向17。该轴也可以取其它方向。
在低的流动速度下，表面张力阻止液体粒子24穿过分离元件28，而当流动速度高时，由于分离元件28的偏角，液体和气体的不同的惯性力能够起良好的分离作用。分离元件28中开孔38，如图2所示的那样，可以设置为互相并排的三排、并且在壳体中流动方向17上为前后五列。
所要求的开孔38数量、以及根据具体的开孔38的形状与尺寸所决定的分离元件28的长度，是由气体/液体混合物19的最大出现的液体含量来获得的。如果所有的开孔38都被润湿、并且在开孔之间的一个面上形成一个完整的液体膜31，就已经接近于达到了气体/液体混合物19的最大液体含量，并且它只能通过更厚的液体膜31而被再提高一些。再提高气体/液体混合物19的最大液体含量，则通过增大分离元件28的顶面42的面积，和/或者提高开孔38的数量来实现。顶面42的表面粗糙度也对于液体膜31的形成有影响。一定程度的表面粗糙度，能加强液体膜31在分离元件28的顶面42上的附着能力，从而提高分离效果。不过，表面粗糙度不允许超过一定的限度，因为，否则的话会改变流动情况(Stroemungsverhaeltnisse)。
图3示出了本发明的另一个实施例，它具有沿着流动方向16降低的分离元件28。结构相同或者功能相同的构件，使用了与此前图中相同的参考标号。分离元件28与主流动方向16之间形成了一个负的角度α，即沿着主流动方向16看，分离元件28降低了。这样液体出口35尽管和入口9一样仍位于分离元件28上朝向顶面42的一侧，不过已经比该入口低了。在该实施例中，气体出口48并不像液体出口35那样位于尾部区域5中，而是在壳体3的起始区域4与尾部区域5之间。气体22沿着例如垂直于主流动方向16的一个方向51离开壳体3。
壳体3的形状，在径向横截面上可以是圆形、多角形或者任意一种其它的形状。该壳体的轴向横截面可以例如是四边形(图1)、或者如图3所示的楔形。
图4中给出了本发明的另一个实施例。结构相同或者功能相同的构件，使用了与此前图中相同的参考标号。装置1具有一个第一入口56和一个第二入口57，它可以被设置于不同的高度上。通过第一入口56，气体/液体混合物19沿着主流动方向16在起始区4流入到壳体3内。通过第二入口57，气体/液体混合物19沿着与主流动方向16例如垂直的方向流入到壳体3内。另外，设置了例如一个第一气体出口62和一个第二气体出口63，按图3中的方式设置。可以对图1和3中的气体出口48、62、63的每一种设置方式进行其它组合。
在壳体3中，装有一个第一分离元件67和一个第二分离元件68，它们均沿着壳体中流动方向17升高。气体/液体混合物19从第一入口56流到第一分离元件67的顶面42上。在顶面42上形成了一个液体膜31。第二分离元件68则承接第一分离元件67的液体24。此外，垂直于主流动方向16、通过第二入口57流入另一气体/液体混合物19例如到第二分离元件68上。液体24从第二分离元件68通过液体出口35流出。两个分离元件67、68例如可以分别位于一个支撑脚72上。
图5给出了本发明的另一个实施例。结构相同或者功能相同的构件，使用了与此前图中相同的参考标号。
不同于图1，壳体3和管道13在垂直于主流动方向16上具有相同的横截面，因而它们之间的连接过渡处没有横截面的变化。
图6给出了分离元件28上一个放大的局部。结构相同或者功能相同的构件，使用了与此前图中相同的参考标号。
分离元件28可以具有与开孔38相应的一个第一开孔77和一个第二开孔78。开孔77可以通过垂直的冲裁工艺由金属板制造出，即，开孔77的方向垂直于顶面42。第二开孔78可以以一个倾斜角度在板上制出，因而在分离元件28组装后的状态下，开孔78的方向垂直于壳体中流动方向17。
流动的气体22不可能不受阻拦地穿过开孔77、78，即未受到开孔77、78内壁80的阻拦而通过开孔77、78。气体22穿过开孔77或78的一种可能流动路线由一个第一箭头81和一个第二箭头82给出。
开孔的打开角度(Oeffnungswinkel)β由主流动方向17和内壁80之间的夹角构成。因而，开孔78的打开角度β可以是90°、并且开孔77的打开角度为一个锐角。
选取开孔38、77、78相对于壳体中流动方向17的打开角度β时，根据厚度d(也就是在气体22穿过开孔38、77、78的移动方向上开孔38、77、78的长度)、开孔38、77、78的宽度b(即，开孔38在壳体中流动方向17上的伸展尺寸)，以及偏角α的数值，应当使气体22不能够不受阻拦就穿过开孔38、77、78。
为了达到高质量的相分离，其它的参量需要相匹配。例如，在给定的偏角α和宽度b下，厚度d越大，打开角度β可以越小。相应地，厚度d越大，宽度b可以越大。

Claims (17)

1.用于将一种在管道(13)中流动的气体/液体混合物(19)中的气体(22)与液体(24)分离的装置(1)，它具有如下特征：
a)该装置(1)具有一个壳体(3)，
b)壳体(3)与管道(13)相连接，
c)壳体(3)具有至少一个入口(9)，气体/液体混合物(19)从管道(13)中沿着一个主流动方向(16)流入该入口，
d)壳体(3)具有至少一个用于气体/液体混合物(19)的液体(24)的液体出口(35)，
e)壳体(3)具有至少一个用于气体/液体混合物(19)的气体(22)的气体出口(48)，
f)壳体(3)具有至少一个分离元件(28)，它将气体/液体混合物(19)分离成气体(22)和液体(24)，
g)在壳体(3)内，至少部分地沿着一个主流动方向(16)上延伸着该至少一个分离元件(28)，
h)在壳体(3)内有一个壳体中流动方向(17)，
其特征是：
沿着壳体中流动方向(17)看，所述分离元件(28)具有一个第一端部(32)和一个第二端部(33)，第二端部位于第一端部(32)的对面，并且该至少一个分离元件(28)以其第二端部(33)与液体出口(35)邻接，气体/液体混合物(19)流动到分离元件(28)的朝着入口(9)的一个顶面(42)上，并且液体出口(35)朝着该顶面(42)，该至少一个分离元件(28)具有一个底面(43)，它位于顶面(42)的对面，并且至少一个气体出口(48)朝向该底面(43)，该至少一个分离元件具有至少一个开孔。
2.如权利要求1所述的装置，其特征为：沿着壳体中流动方向(17)看，壳体(3)有一个起始区域(4)和一个尾部区域(5)，并且至少一个入口(9)位于壳体(3)的起始区域(4)中。
3.如权利要求2所述的装置，其特征为：至少一个液体出口(35)位于壳体(3)的尾部区域(5)中。
4.如权利要求1所述的装置，其特征为：至少一个分离元件(28)以其第一端部(32)与入口(9)邻接。
5.如权利要求1所述的装置，其特征为：至少一个分离元件(28)沿着主流动方向(16)看是升高的。
6.如权利要求1所述的装置，其特征为：至少一个分离元件(28)沿着主流动方向(16)看是降低的。
7.如权利要求1所述的装置，其特征为：至少一个分离元件(28)从一个入口(9)延伸到一个液体出口(35)处。
8.如权利要求1所述的装置，其特征为：一个第一分离元件(67)承接来自入口(9)的气体/液体混合物(19)，并且，在壳体中流动方向(17)上的下一个分离元件(68)承接第一分离元件(67)的气体/液体混合物(19)。
9.如权利要求1所述的装置，其特征为：该至少一个分离元件(28)安放于至少一个支撑脚(72)上。
10.如权利要求1所述的装置，其特征为：所述开孔(38)的厚度d和宽度b、分离元件(28)与壳体中流动方向(17)之间的偏角(α)、开孔(38)的形状、主流动方向(17)与开孔(38)的内壁(80)之间的打开角度(β)、以及壳体中流动方向(17)被这样选取，即，使得沿着壳体中流动方向(17)流动的气体(22)，在没有被转向的情况下不能够穿过开孔(38)。
11.如权利要求10所述的装置，其特征为：当流动速度低时，至少一个开孔(38)的形状被这样构型，使得液体(24)的表面张力阻止液体(24)穿过该至少一个开孔(38)。
12.如权利要求10或者11所述的装置，其特征为：在流动速度高时，该至少一个开孔(38)的形状被这样构型，使得液体(24)与气体(22)的不同惯性力阻止液体(24)穿过该至少一个开孔(38)。
13.如权利要求10所述的装置，其特征为：至少一个开孔(38)的形状使得液体(24)具有尽可能有利的润湿角。
14.如权利要求10所述的装置，其特征为：至少一个分离元件(28)上的开孔(38)，其平行于顶面(42)的横截面是平行四边形。
15.如权利要求10所述的装置，其特征为：至少一个分离元件(28)上的至少一个开孔(38)，其平行于顶面(42)的横截面是透镜形。
16.如权利要求10所述的装置，其特征为：至少一个开孔(38)在壳体中流动方向(17)上的定向，使得该至少一个的开孔(38)的最长的主轴(53)沿着壳体中流动方向(17)定向。
17.借助于一种装置(1)将一种在管道(13)中流动的气体/液体混合物(19)中的气体(22)与液体(24)进行分离的方法，其中，该装置(1)具有如下特征：
a)该装置(1)具有一个壳体(3)，
b)壳体(3)与管道(13)相连接，
c)壳体(3)具有至少一个入口(9)，气体/液体混合物(19)从管道(13)中沿着一个主流动方向(16)流入到该入口中，
d)壳体(3)具有至少一个用于气体/液体混合物(19)的液体(24)的液体出口(35)，
e)壳体(3)具有至少一个用于气体/液体混合物(19)的气体(22)的气体出口(48)，
f)壳体(3)具有至少一个分离元件(28)，它将气体/液体混合物(19)分离成气体(22)和液体(24)，
g)在壳体(3)内，至少部分地沿着一个主流动方向(16)上延伸着至少一个分离元件，
h)在壳体(3)内有一个壳体中流动方向(17)，
其中，至少一个分离元件(28)具有如下特征：
vii)分离元件(28)被安置于入口(9)所在区域中，
viii)分离元件(28)具有至少一个开孔(38)，
ix)分离元件(28)在壳体(3)中至少部分地沿着壳中流动方向(17)伸展，
x)分离元件(28)的一个顶面(42)朝向该入口(9)，
xi)气体/液体混合物(19)流动到分离元件(28)的顶面(42)上，
xii)气体出口(48)朝向分离元件(28)的一个底面(43)，其中，该底面(43)与顶面(42)位置相对，
其特征为：
首先气体/液体混合物(19)从管道(13)中流入到壳体(3)中，流动到至少一个分离元件(28)的顶面(42)上，然后，气体/液体混合物(19)在至少一个分离元件(28)的上方或者沿着其上面流动，为的是将气体(22)与液体(24)彼此分离，其中，液体(24)和气体(22)的不同惯性力和液体(24)的表面张力阻止了液体(24)穿过该至少一个开孔(38)，之后，气体(22)被导入气体出口(48)，而液体(24)则从顶面(42)直接地被导送到液体出口(35)。
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