扩口内筒离心式分离器

技术领域

本发明属于气液分离技术领域，具体的说，是涉及一种离心式分离器。

背景技术

旋风分离器主要作用是将气液两相流分离成液体和气体，防止气体中的液体含量过多，从而影响系统的效率或者设备的运行，其基本原理是由于气体与液体的密度相差较大，当气体与液体同时在分离器内部旋转时，液体受到的离心力作用相比于气体更大，液体贴直筒内壁向下旋转，到达排液口，而气体则从内筒上方排气口离开，实现气液分离的效果。这种分离器的分离原理不依赖重力，因此在太空微重力或水平放置的条件下仍有较好的气液分离效果。

目前，旋风分离器效率提升遇到瓶颈，很多液体在分离器内部由于“短路流”现象，即从进口进入分离器的混合气流未参与到呈螺旋状在分离器内流动、分离的过程，而是直接进入内筒从出气口离开，螺旋气流发展不完整导致部分液体随“短路流”从出气口离开。还有部分附着在内筒表面的细小液滴容易被气流带动，从内筒下方进入内筒，从出气口离开，造成气液未完全分离。因此，通过改变旋风分离器的结构形式，减少“短路流”现象以及内筒外表面液体进入内筒，可进一步提升旋风分离器的气液分离性能。

发明内容

本发明旨在对传统的旋风分离器的结构进行改变，减少“短路流”现象以及内筒外表面液体进入内筒，提供了一种扩口内筒离心式分离器，能够进一步提升旋风分离器的气液分离性能。

为了解决上述技术问题，本发明通过以下的技术方案予以实现：

本发明提供了一种扩口内筒离心式分离器，包括底部设置有排液筒的直筒，所述排液筒沿其轴向设置有排液口，所述排液口与所述直筒内部相连通；所述直筒上部的侧壁沿切向设置有进口，所述直筒顶部与内筒密封连接，所述内筒顶部为排气口；所述内筒由上到下包括第一区段、第二区段、第三区段和第四区段，所述第一区段为内径不变的筒体，所述第二区段为自上而下内径变小的筒体，所述第三区段为内径不变的筒体，所述第四区段为自上而下内径变大的筒体。

进一步地，所述第四区段的侧壁呈斜面过渡，此时所述第四区段自上而下的内径逐渐变大；或者，所述第四区段的侧壁呈曲面过渡，此时所述第四区段自上而下的内径先逐渐变小再逐渐变大。

优选地，所述第四区段的侧壁与其轴线的夹角为5°-50°，所述第四区段的最大内径为所述直筒内径的50％-90％。

优选地，所述第三区段沿轴线方向的长度占所述内筒沿轴线方向总长度的5％-40％，且所述第四区段沿轴线方向的长度占所述内筒沿轴线方向总长度的10％-50％；或者所述第三区段沿轴线方向的长度占所述内筒沿轴线方向总长度的15％-80％，且所述第四区段沿轴线方向的长度占所述内筒沿轴线方向总长度的0.5％-10％。

优选地，所述第四区段的外表面设置有多个凹槽，所述凹槽在所述第四区段的外表面由上到下沿直线延伸；所述凹槽的深度不变，或者由上到下逐渐变浅。

更为优选地，所述凹槽的数量为4-20，多个所述凹槽等宽且环向均匀分布；所述凹槽的深度恒为所述第四区段壁厚的1％-50％，或者起始深度为所述第四区段壁厚的1％-50％且逐渐变浅至厚度为0。

优选地，所述第三区段的外表面设置多个凹槽，所述凹槽在所述第三区段的外表面由上到下沿直线或倾斜延伸。

更为优选地，所述凹槽的数量为4-20，多个所述凹槽等宽且环向均匀分布；所述凹槽的倾斜角度为0-60°；所述凹槽的深度恒为所述第三区段壁厚的1％-50％。

优选地，所述第一区段、所述第二区段、所述第三区段和所述第四区段为一体成型连接。

优选地，所述直筒内部筒底设置为由周向至中心逐渐降低的坡面。

本发明的有益效果是：

本发明对传统的旋风分离器的结构进行优化设计，一方面将传统圆柱形内筒第四区段改成扩口型式，对气流增加横向的分速度的同时使气流加速，带动液体离开内筒外表面的能力增强；二是在内筒外表面增加凹槽，对气流和液流起到导向作用，实现液滴趋向于在凹槽中聚集，减少内筒表面的细小液滴，进而减少细小液滴从内筒下方进入内筒；这些改变可以减少“短路流”现象以及内筒外表面液体进入内筒，能够进一步提升旋风分离器的气液分离性能。

附图说明

图1为本发明实施例1所提供的扩口内筒离心式分离器的结构示意图；

图2为本发明实施例2所提供的扩口内筒离心式分离器的结构示意图；

图3为本发明实施例3所提供的扩口内筒离心式分离器的结构示意图；

图4为本发明实施例4所提供的扩口内筒离心式分离器的结构示意图；

图5为本发明实施例5所提供的扩口内筒离心式分离器的结构示意图；

图6为实施例1-5所提供的扩口内筒离心式分离器的分离效率随入口风速变化图。

上述图中：1-排气口；2-直筒；3-进口；4-筒底；5-排液筒；6-排液口；7-内筒，701-第一区段；702-第二区段；703-第三区段；704-第四区段；705-凹槽。

具体实施方式

参见图1-5所示，本发明提供的扩口内筒离心式分离器，主要包括：排气口1、直筒2、进口3、筒底4、排液筒5、排液口6、内筒7。

进口3位于直筒2上部的侧壁，进口3的轴向沿直筒2的切向设置。直筒2底端与排液筒5一体成型连接，排液筒5内沿其轴向设置排液口6，排液口6与直筒2内部相连通。直筒2内部筒底4设置为由周向至中心逐渐降低的坡面，该坡面与直筒2侧壁内表面直接相连。直筒2顶部与内筒7密封连接，内筒7顶部为排气口1、底部与直筒2内部相连通。

气液两相流由进口3进入，实现气液两相流沿着直筒2切向方向进入，进行旋风形式的运动。由于液体的密度较大，受到离心力的作用较强，液体就会被甩到直筒2的侧壁内表面，并顺着侧壁内表面流下，进入排液筒5内部筒底4并在筒底4的坡面聚集，而后流入排液口7后进行收集。在常规的内筒离心式分离器结构中，存在“短路流”现象，还有一部分液体会附着在内筒7外表面，并在气流的作用下从出气口1排出，从而影响分离效果。

本发明提供的扩口内筒离心式分离器，将内筒7设计为第一区段701、第二区段702、第三区段703和第四区段704，并对第三区段703和第四区段704的具体构造进行创新，能够减少“短路流”现象和内筒外表面液滴进入内筒，从而提高分离效率。

具体地，将内筒7按照形状的变化，由上到下划分为第一区段701、第二区段702、第三区段703和第四区段704，第一区段701、第二区段702、第三区段703和第四区段704为一体成型设置。第一区段701为内径不变的筒体，第二区段702为自上而下内径变小的筒体，第三区段703为内径不变的筒体，第四区段704为自上而下内径变大的筒体，即扩口筒体。这样，第四区段704上部分旋转半径较小，越向下旋转半径越大，对气流起到加速作用，液体更容易被甩到直筒2侧壁内表面，而避免附着于内筒7。

在本发明的实施例中，内筒7的长度h1+h2+h3+h4为分离器总长度H的10％-80％。

在本发明的实施例中，第四区段704的侧壁可以呈斜面过渡，也可以呈曲面过渡；呈斜面过渡时第四区段704的内径自上而下逐渐变大；呈曲面过渡时第四区段704的内径自上而下先逐渐变小再逐渐变大。第四区段704的形状设计可以使混合气流沿此段外壁面流动，在原本向下的流动方向中增加横向的速度。斜面过渡使得内外筒之间的空间变小，对气流起到加速作用，带动液滴离开第四区段704外表面的能力增大，减少液滴进入内筒7。曲面过渡给予气流的横向速度更大，将液滴带离第四区段704的趋势更大。

在本发明的一些实施例中，第三区段703的直筒筒体长度h

在本发明的一些实施例中，也可以对第三区段703的长度进行加长设计，第三区段703的直筒筒体长度h

在本发明的实施例中，可以在第四区段704的外表面设置凹槽705，凹槽705的数量优选为4-20，各个凹槽705最好等宽且环向均匀地分布。优选地，凹槽705在第四区段704的外表面由上到下沿直线延伸，深度可以恒为第四区段704扩口筒体壁厚的1％-50％，也可以起始深度为第四区段704扩口筒体壁厚的1％-50％，逐渐变浅至厚度为0。凹槽705能够形成液体的导向作用，液体更倾向于在凹槽705中聚集，降低了被气流从出气口1带出的概率。

在本发明的实施例中，可以在第三区段703的外表面设置凹槽705，凹槽705的数量优选为4-20，各个凹槽705最好等宽且环向均匀地分布。优选地，凹槽705在第三区段703的外表面由上到下沿呈0-60°延伸，且多个凹槽705按照同一倾斜方向排布。凹槽705在第三区段703深度一般恒为其筒体壁厚的1％-50％。

为能进一步了解本发明的内容、特点及效果，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下：

实施例1

如图1所示，实施例1的扩口内筒离心式分离器，其第四区段704为自上而下内径变大的扩口筒体，上部分旋转半径较小，越向下旋转半径越大，对气流起到加速作用，液体更容易被甩到直筒2侧壁内表面，更多液体沿直筒2侧壁内表面流下并从排液口6排出。

实施例2

如图2所示，实施例2的扩口内筒离心式分离器，其第四区段704为自上而下内径变大的扩口筒体，并且该扩口筒体的外表面设置有4个凹槽705，该凹槽705为无倾斜角度的沿直线延伸，深度恒为第四段筒体14壁厚的50％，各个凹槽705等宽且均匀地分布在第四区段704扩口筒体的外表面，凹槽705对液体起到导向作用，液体更倾向于在凹槽705中聚集，降低了被气流从出气口1带出的概率；同时第四区段704越向下旋转半径越大，能够对气流起到加速作用，液体更容易被甩到直筒2侧壁内表面，更多液体沿直筒2侧壁内表面流下并从排液口6排出。

实施例3

如图3所示，实施例3的扩口内筒离心式分离器，其第四区段704为自上而下内径变大的扩口筒体，并且该扩口筒体的外表面设置有4个凹槽705，该凹槽705为无倾斜角度的沿直线延伸，但深度存在变化：起始深度为第四区段704扩口筒体壁厚的50％，逐渐变浅至厚度为0。各个凹槽705等宽且均匀地分布在第四区段704扩口筒体的外表面，逐渐变浅的凹槽705对液体起到导向作用，液体更倾向于在凹槽705中槽较深的位置聚集，而不容易到达第四区段704的下端，降低了被气流从出气口1带出的概率；同时第四区段704越向下旋转半径越大，能够对气流起到加速作用，液体更容易被甩到直筒2侧壁内表面，更多液体沿直筒2侧壁内表面流下并从排液口6排出。

实施例4

如图4所示，实施例4的扩口内筒离心式分离器，其第三区段703的直筒筒体长度进行加长，占到内筒7沿轴线方向总长度的39.5％，其第四区段704长度较短且为自上而下内径变大的扩口筒体，占到内筒7沿轴线方向总长度的4.6％。在第三区段703的外表面可以设置4个凹槽705，凹槽705在第三区段703的外表面由上到下沿呈15°倾斜延伸，且多个凹槽705按照同一倾斜方向排布。凹槽705在第三区段703深度一般恒为其筒体壁厚的50％。各个凹槽705等宽且均匀地分布在第三区段703的外表面，凹槽705对流经第三区段703的液体起到导流作用，令液体在旋转的过程中聚集成较大的液滴，并且在流经第四区段704时速度骤增，受到突增的离心力更大，更容易被甩到直筒2侧壁内表面而分离。

实施例5

如图5所示，实施例5的扩口内筒离心式分离器，其第四区段704为自上而下内径先变小再变大的曲面扩口筒体。这样，进口3气体流速较小时，液体不容易在内径变小的第四区段704的中部聚集，降低了被气流从出气口1带出的概率；进口3气体流速较大时，气流在内径变大的第四区段704底部旋转半径变大，对气流起到加速作用，液体更容易被甩到直筒2侧壁内表面，更多液体沿直筒2侧壁内表面流下并从排液口6排出。

利用实验的方法验证以上几种设计的效果。分别按照实施例1-5的方案利用铝金属制作内筒7，石英制作直筒2，并利用热熔胶对二者进行连接。将空气与水的混合流体从入口3中通入分离器中，测试混合流体在不同入口风速，含水量为20％时的气液分离效率。图6所示为实施例1-5在不同入口风速的分离效率，可以看出实施例1-5的几种分离器在实验工况下具有较好的气液分离表现，特别是在风速较高时，分离效率趋向于100％。

尽管上面结合附图对本发明的优选实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以作出很多形式的具体变换，这些均属于本发明的保护范围之内。