專利名稱：一種雙喉道自起動(dòng)超音速旋流分離器及其分離方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于氣體脫可凝結(jié)物技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種雙喉道自起動(dòng)超音速旋流分離器及其分離方法，主要應(yīng)用于天然氣脫可凝結(jié)物凈化分離領(lǐng)域以及含相變的氣液分離領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
天然氣作為一種清潔、高效的能源，在世界一次能源消費(fèi)市場(chǎng)中占據(jù)著越來(lái)越大的份額。從地下采出的天然氣含有大量水蒸汽。在天然氣集輸過(guò)程中，水蒸汽易凝結(jié)成液態(tài)水。在一定的溫度和壓力條件下，天然氣中的液態(tài)水還會(huì)結(jié)冰或者與烴結(jié)合生成天然氣水合物，造成管線及其附屬器件的堵塞，降低天然氣產(chǎn)量和管線輸送能力。此外，液態(tài)水易融解CO2W2S等酸性氣體，形成具有強(qiáng)腐蝕性的酸，從而加速管線的腐蝕。因此，天然氣在進(jìn)入輸氣管線之前，必須進(jìn)行脫水工藝處理。目前國(guó)內(nèi)天然氣集輸系統(tǒng)采用的脫水技術(shù)主要有長(zhǎng)慶油田的三甘醇脫水系統(tǒng)、 西南油氣田的J-T閥低溫系統(tǒng)、大慶油田的透平膨脹機(jī)脫水系統(tǒng)、塔里木氣田的分子篩脫水及低溫分離系統(tǒng)，這些技術(shù)不但結(jié)構(gòu)復(fù)雜而且運(yùn)行成本高。天然氣超音速旋流脫水是一種新型的脫水技術(shù)，是天然氣脫水領(lǐng)域的一項(xiàng)革命性技術(shù)。它利用天然氣在超音速狀態(tài)下的蒸汽冷凝現(xiàn)象進(jìn)行天然氣脫水，在熱力學(xué)原理和系統(tǒng)構(gòu)成上與傳統(tǒng)的天然氣脫水方法有顯著的區(qū)別。天然氣超音速脫水將膨脹機(jī)、分離器和壓縮機(jī)的功能集中到一個(gè)管道中，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊，無(wú)轉(zhuǎn)動(dòng)部件，可靠性高，無(wú)化學(xué)處理系統(tǒng)，低投資和維護(hù)費(fèi)用等優(yōu)點(diǎn)。對(duì)于這一天然氣處理技術(shù)的研究，國(guó)外主要有荷蘭Twister BV公司和俄羅斯ENGO旗下的 Translang公司。國(guó)內(nèi)持續(xù)研究單位主要有北京航空航天大學(xué)、中國(guó)石油大學(xué)(華東)、北京工業(yè)大學(xué)、西安交通大學(xué)和大連理工大學(xué)等。該技術(shù)發(fā)展至今，在技術(shù)上不斷取得進(jìn)步。一種低流動(dòng)阻力超音速氣體凈化分離裝置，該裝置的收縮段內(nèi)含一中心錐，該中心錐兩端支撐分別是入口法蘭內(nèi)孔上周向均布的三個(gè)支撐架和旋流器葉片，該旋流器葉片內(nèi)置于噴管收縮段末端的噴管內(nèi)壁和中心錐之間。通過(guò)削尖所述中心錐和法蘭內(nèi)孔支撐架的左端部的方式來(lái)減小氣體在入口的阻力；但其旋流葉片內(nèi)置于噴管收縮段高速區(qū)，在高速區(qū)起旋，流動(dòng)損失大。一種天然氣超音速脫水除液凈化分離撬裝裝置，該裝置包含多個(gè)超音速分離管和一個(gè)水合物分離器，其實(shí)質(zhì)在于將多個(gè)超音速分離管周向并聯(lián)均布于水合物分離器筒體表面，多個(gè)超音速分離管并聯(lián)可增大處理量。其超音速分離管的收縮段是按維托辛斯基曲線設(shè)計(jì)的，這是收縮噴管得到均勻一維流通常所采用的型線，但這種線型用于提高小直徑噴管氣流軸向的均勻度意義不大。一種濕氣再循環(huán)超音速氣體凈化分離裝置該裝置包含一個(gè)開(kāi)環(huán)回路再循環(huán)部件， 致力于將殘存在循環(huán)氣體中的液滴循環(huán)旋分出來(lái)。其雖然將含濕分離流引入旋流器入口進(jìn)行循環(huán)旋流分離處理，有利于減少分離流的含氣量，但是也再一次將蒸發(fā)源引入了噴管內(nèi)， 含濕氣體中的液態(tài)相會(huì)占據(jù)噴管的流通面積影響噴管的工作狀態(tài)，即引入了流動(dòng)狀態(tài)不穩(wěn)定因素。其次，旋流器內(nèi)置于噴管高速區(qū)，流動(dòng)損失大?！N錐心式超音速冷凝旋流分離器，該裝置實(shí)質(zhì)為帶中心錐的Laval噴管，在噴管內(nèi)置一中心錐，通過(guò)改變中心錐不同截面的直徑來(lái)控制噴管收縮段、喉道和擴(kuò)張段的流通面積，而噴管的內(nèi)型面則是簡(jiǎn)單的錐角或等徑旋轉(zhuǎn)體。避免了小管徑內(nèi)壁面小錐角加工難的問(wèn)題，而選擇易于加工的外壁面。其次，徑向葉片布置式旋流器損失較大。一種天然氣超音速脫水方法及超音速脫水裝置，該裝置僅在于超音速旋流脫水分離，并對(duì)含濕氣體進(jìn)行二次沉降分離，兩次分離的“干氣”匯合進(jìn)入外輸管線，經(jīng)穩(wěn)壓罐一次分離和超音速旋流二次沉降分離的水和重?zé)N進(jìn)入烴回收裝置，實(shí)現(xiàn)了重?zé)N回收。一種激波可控超音速氣體除濕裝置，該裝置設(shè)計(jì)了斜激波+正激波的激波壓縮區(qū)形態(tài)，致力于減小激波阻力損失和避免強(qiáng)激波誘導(dǎo)邊界層分離。其噴管中心錐結(jié)束于噴管中后部，通過(guò)在噴管中心錐末端增加突起的形式設(shè)置了噴管第二喉道，將噴管分為超音速區(qū)和亞音速區(qū)，并優(yōu)化縮短了噴管總長(zhǎng)度。該專利稱所涉及的激波系避免了強(qiáng)激波誘導(dǎo)邊界層分離是不準(zhǔn)確的，其仍存在邊界層分離，另外雙喉道管流存在起動(dòng)問(wèn)題，沒(méi)有給出相應(yīng)的解決辦法。起動(dòng)問(wèn)題存在于多喉道管流當(dāng)中，所謂多喉道管流是指管道中存在兩個(gè)或者兩個(gè)以上喉部流動(dòng)。雙喉道管流管路中存在兩個(gè)喉部，拉瓦爾噴管的喉部和擴(kuò)壓器喉部。假如流動(dòng)為理想的等熵過(guò)程，從氣源出來(lái)的高壓氣體經(jīng)過(guò)拉瓦爾噴管加速成超聲速氣流，在擴(kuò)壓器的喉部處等熵減速到聲速，在這種理想狀態(tài)下管道中沒(méi)有激波存在，流動(dòng)損失最小。但在實(shí)際上，要實(shí)現(xiàn)上述無(wú)損失的等熵流動(dòng)是不可能的，這是因?yàn)閲姽芎推鹪唇油〞r(shí)，雖然噴管中的氣流總壓可以很快的增大，但總是一個(gè)由小到大的過(guò)程。那么噴管內(nèi)經(jīng)歷的是一個(gè)有激波的流動(dòng)過(guò)程。由于激波的出現(xiàn)，使氣流總壓下降，從而使后面管流的流通能力減小。 按等熵流設(shè)計(jì)的擴(kuò)壓器喉道面積將不能使通過(guò)拉瓦爾噴管喉部的氣體都能排出，正激波位于拉瓦爾噴管的擴(kuò)張段內(nèi)，激波損失很大。這就要求擴(kuò)壓器喉部的面積需要放大，使擴(kuò)壓器喉部的流通能力加大保證拉瓦爾噴管內(nèi)全為超音速流動(dòng)，激波存在于擴(kuò)壓器的擴(kuò)張段內(nèi)， 這就完成了起動(dòng)。為了減小總壓損失，在起動(dòng)以后，應(yīng)使激波向擴(kuò)壓器喉部靠近。理論上， 激波處于喉部時(shí)，損失最小，但實(shí)際上，在工作時(shí)是使激波保持在擴(kuò)壓器喉部稍下游處。這是因?yàn)榧げㄎ挥跀U(kuò)壓器喉部是不穩(wěn)定的。對(duì)于喉部面積固定的擴(kuò)壓器，起動(dòng)以后，擴(kuò)壓器喉部馬赫數(shù)大于1，所以即使靠近喉部，仍有激波損失。

發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中存在的問(wèn)題，本發(fā)明提出一種雙喉道自起動(dòng)超音速旋流分離器及其分離方法，解決了現(xiàn)有技術(shù)中壓力損失大、超音速區(qū)域短、雙喉道管流不起動(dòng)等技術(shù)問(wèn)題。本發(fā)明提出的雙喉道自起動(dòng)超音速旋流分離器在擴(kuò)壓器收縮段和擴(kuò)壓器擴(kuò)張段采用多孔壁結(jié)構(gòu)，當(dāng)不起動(dòng)時(shí)激波位于Laval噴管內(nèi)，擴(kuò)壓器收縮段壓力高于擴(kuò)壓器擴(kuò)張段壓力，氣流從擴(kuò)壓器收縮段多孔壁流入從擴(kuò)壓器擴(kuò)張段流出，這樣就增大了擴(kuò)壓器喉部的流通能力，從而達(dá)到起動(dòng)，當(dāng)起動(dòng)以后，擴(kuò)壓器收縮段壓力和擴(kuò)壓器擴(kuò)張段壓力相差很小，使通過(guò)多孔壁的流量減小，這又減小了實(shí)現(xiàn)了擴(kuò)壓器喉部的流通能力，使擴(kuò)壓器喉部處馬赫數(shù)減小，總壓損失減小，這就實(shí)現(xiàn)了雙喉道管流的自起動(dòng)，能夠在高壓力恢復(fù)的情況下保持 Laval噴管內(nèi)全部為超音速區(qū)域，增強(qiáng)系統(tǒng)的工作穩(wěn)定性，提高其分離性能。
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本發(fā)明提出一種雙喉道自起動(dòng)超音速旋流分離器，包括旋流器、Laval噴管和擴(kuò)壓分尚器。所述的旋流器包括旋流器封頭、葉片、螺帽、旋流器內(nèi)殼、旋流器外殼和旋流器尾錐。所述的旋流器內(nèi)殼與旋流器外殼同軸，并置于旋流器內(nèi)部，所述的葉片置于旋流器外殼和旋流器內(nèi)殼之間，葉片的個(gè)數(shù)大于等于1 ；所述的旋流器外殼內(nèi)壁與旋流器內(nèi)殼外壁之間的間距為1 50mm，所述的旋流器尾錐與旋流器內(nèi)殼同軸，通過(guò)螺帽與旋流器內(nèi)殼的一端軸向連接，所述的旋流器封頭與旋流器內(nèi)殼同軸，并通過(guò)螺紋與旋流器內(nèi)殼的另一端軸向連接。所述的Laval噴管包括順次軸向連接的Laval噴管直管A、Laval噴管收縮管、 Laval噴管擴(kuò)張管A、Laval噴管擴(kuò)張管B和Laval噴管直管B，所述的Laval噴管直管A與旋流器外殼同軸軸向連接，并使旋流器尾錐的錐體位于Laval噴管直管A的內(nèi)部。Laval噴管直管A內(nèi)徑與旋流器外殼內(nèi)徑相等，Laval噴管直管A的內(nèi)徑為1 50_m。所述的Laval 噴管收縮管最小內(nèi)徑為1 50mm，所述的Laval噴管收縮管收縮角0° < β工< 45°，最優(yōu)為7°。所述的Laval噴管擴(kuò)張管A最小內(nèi)徑為1 50mm，所述的Laval噴管擴(kuò)張管A擴(kuò)張角0° <β2<30°，最優(yōu)為5°，所述的Laval噴管擴(kuò)張管B最小內(nèi)徑為1 50mm，所述的Laval噴管擴(kuò)張管B擴(kuò)張角0° <β3<10°，最優(yōu)為1°，所述的Laval噴管直管B內(nèi)徑為1 50mm。所述的Laval噴管直管A、Laval噴管收縮管、Laval噴管擴(kuò)張管A、Laval 噴管擴(kuò)張管B和Laval噴管直管B順次同軸連接。所述的擴(kuò)壓分離器包括分離錐A、分離器外殼、多孔壁、分離錐B和分離錐C。所述的分離錐A、分離錐B均與分離器外殼同軸，且分離錐A、分離錐B均置于分離器外殼的內(nèi)部，分離器外殼與Laval噴管直管B同軸連接。所述的分離錐A內(nèi)壁是收縮的，收縮角為0° < ，最優(yōu)為1.8°。所述的分離錐B與分離錐A軸向連接。所述的多孔壁與分離錐Β304同軸并置于分離錐B內(nèi)部，并且所述多孔壁的前端與分離錐A的尾部軸向連接。所述的多孔壁為中空管壁，其內(nèi)外壁面平行，多孔壁從其與分離錐A的尾部連接的前端位置開(kāi)始，先以收縮角05收縮，然后再以擴(kuò)張角日6擴(kuò)張，再以再度擴(kuò)張角β7擴(kuò)張，滿足β5 = β4，0° <β6彡1°最優(yōu)為0.5°，0° <β7<10°最優(yōu)為3°，多孔壁的壁面具有若干排氣孔，排氣孔的孔徑D小于等于2mm，相鄰兩個(gè)排氣孔的中心間距L滿足D <L< IOD0所述的分離錐C也置于分離器外殼的內(nèi)部，分離錐C的一側(cè)端面與分離錐B、多孔壁均軸向連接，所述的分離錐C內(nèi)壁是擴(kuò)張的，其擴(kuò)張角β8滿足β8= β 7。所述的分離錐A為空心錐， 且其尖端形成一個(gè)分離環(huán)截面，該分離環(huán)截面置于Laval噴管直管B的出口截面，將Laval 噴管直管B的出口截面分為外層截面和內(nèi)層截面兩部分，外層截面與分離器外殼內(nèi)壁、分離錐A外壁、分離錐B外壁、分離錐C外壁之間形成分離器，使外層截面成為分離器入口端， 分離器的出口端與濕氣出口相連接；所述的內(nèi)層截面與分離錐A內(nèi)壁、多孔壁內(nèi)壁、分離錐 C內(nèi)壁之間形成擴(kuò)壓器，內(nèi)層截面成為擴(kuò)壓器入口端，擴(kuò)壓器出口端與輸氣管線相連接。所述的多孔壁外壁和分離錐B內(nèi)壁之間形成溢流腔。所述的擴(kuò)壓器入口端截面積與分離器入口端截面積之比δ滿足1/4 < δ <4。氣體經(jīng)Laval噴管直管B的出口截面流入擴(kuò)壓分離器，經(jīng)分離錐A將氣體分成內(nèi)層干氣流和外層濕氣流，外層濕氣流從分離器入口端流入， 經(jīng)分離器出口端從濕氣出口排出至濕氣處理系統(tǒng)，內(nèi)層干氣流從擴(kuò)壓器入口端流入，經(jīng)擴(kuò)壓器和溢流腔進(jìn)入輸氣管線。
所述的分離器通道的壁面呈線性平行；分離器通道壁面的擴(kuò)張角為5° 60°， 所述擴(kuò)壓器通道壁面為先收縮后擴(kuò)張的壁面，所述擴(kuò)壓器通道的收縮角為β4，滿足0° < 5°，最優(yōu)為1.8°。擴(kuò)張角β6滿足0° < β6彡1°最優(yōu)為0.5°，再度擴(kuò)張角 β7滿足0° <β7<10°，最優(yōu)為3°。本發(fā)明提出的一種雙喉道自起動(dòng)超音速旋流分離器的分離方法，具體包括以下幾個(gè)步驟步驟一、含濕氣體經(jīng)旋流器進(jìn)入Laval噴管，氣體隨著Laval噴管收縮管半徑的減小，以及Laval噴管擴(kuò)張管A和噴管擴(kuò)張管B的擴(kuò)張，速度逐漸增大，含濕氣體離心加速度逐漸增大，絕熱膨脹到超聲速，同時(shí)含濕氣體內(nèi)能減小，動(dòng)能增加，形成低溫低壓，當(dāng)溫度降低至使氣體過(guò)飽和時(shí)，含濕氣體中的可凝結(jié)物就被冷凝出來(lái)，強(qiáng)大離心力使其集聚在Laval 噴管的內(nèi)壁和/或近壁區(qū)。步驟二、經(jīng)Laval噴管處理后的含濕氣體在Laval噴管的出口處超音速，并且被分離錐A分流，內(nèi)層干氣體流入擴(kuò)壓器，在擴(kuò)壓器的收縮段內(nèi)超音速氣流減速增壓，在擴(kuò)壓器的喉道處速度達(dá)到1馬赫到1. 2馬赫之間，小部分氣流由多孔壁排氣孔進(jìn)入溢流腔中，再由多孔壁的排氣孔進(jìn)入擴(kuò)壓器擴(kuò)張段，氣流由擴(kuò)壓器喉道進(jìn)入擴(kuò)壓器擴(kuò)張段進(jìn)一步減速增壓，最后干氣進(jìn)入輸氣管線，外層濕氣流在分離器內(nèi)減速增壓，從濕氣出口流入濕氣處理系統(tǒng)。本發(fā)明具有的優(yōu)點(diǎn)在于1、本發(fā)明提出一種雙喉道自起動(dòng)超音速旋流分離器及其分離方法，來(lái)自Laval噴管的超聲速氣流在擴(kuò)壓器的收縮段先壓縮減速，并以稍大于聲速的速度通過(guò)擴(kuò)壓器喉道， 然后在擴(kuò)壓器擴(kuò)張段以遠(yuǎn)低于Laval噴管馬赫數(shù)的條件形成正激波，因此具有激波損失小的優(yōu)點(diǎn)。2、本發(fā)明提出一種雙喉道自起動(dòng)超音速旋流分離器及其分離方法，保證Laval噴管內(nèi)全部為超音速區(qū)域，這樣在Laval噴管內(nèi)形成低溫低壓的環(huán)境，有利于可凝結(jié)物得凝結(jié)分離，因此具有分離性能高的優(yōu)點(diǎn)。3、本發(fā)明提出一種雙喉道自起動(dòng)超音速旋流分離器及其分離方法，從擴(kuò)壓器喉道下游向上游傳播的擾動(dòng)到了聲速截面后就不能再進(jìn)一步向上游傳播，其上游管道個(gè)截面馬赫數(shù)就不再隨擴(kuò)壓器喉道下游條件的變化而改變。因此具有系統(tǒng)工作穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)。4、本發(fā)明提出一種雙喉道自起動(dòng)超音速旋流分離器及其分離方法，在擴(kuò)壓器收縮段和擴(kuò)壓器擴(kuò)張段采用多孔壁結(jié)構(gòu)，起到了對(duì)擴(kuò)壓器喉道流通面積的氣動(dòng)調(diào)節(jié)作用，當(dāng)上游壓力有波動(dòng)的時(shí)候可以實(shí)現(xiàn)自調(diào)節(jié)。因此系統(tǒng)具有自適應(yīng)的優(yōu)點(diǎn)。


圖1 本發(fā)明提出的雙喉道自起動(dòng)超音速旋流分離器整體結(jié)構(gòu)示意圖；圖2 本發(fā)明提出的雙喉道自起動(dòng)超音速旋流分離器的旋流器結(jié)構(gòu)示意圖；圖3 本發(fā)明提出的雙喉道自起動(dòng)超音速旋流分離器的旋流器的1/4剖視立體圖；圖4 本發(fā)明提出的雙喉道自起動(dòng)超音速旋流分離器的Laval噴管結(jié)構(gòu)示意圖。圖5 本發(fā)明提出的雙喉道自起動(dòng)超音速旋流分離器的分離錐的1/4剖視立體圖
圖6 本發(fā)明提出的雙喉道自起動(dòng)超音速旋流分離器的分離錐剖視立體圖的局部放大圖；圖7 本發(fā)明提出的雙喉道自起動(dòng)超音速旋流分離器的擴(kuò)壓分離器結(jié)構(gòu)示意圖。圖中
1-旋流器；2-Laval 噴管；3-擴(kuò)壓分離器；101-旋流器封頭■’201-Laval噴管直管A ；301-分離錐A ；102-葉片；202-Laval噴管收縮管■’302-分離器外殼■’103-螺帽；203-Laval噴管擴(kuò)張管A ；303-多孔壁■’104-旋流器內(nèi)殼■’204-Laval噴管擴(kuò)張管B ；304-分離錐B ；105-旋流器外殼■’205-Laval噴管直管B ；305-分離錐C ；106-旋流器尾錐■’306-分離器■’307-擴(kuò)壓器■’308-濕氣出口 ；
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。如圖1，本發(fā)明提出一種雙喉道自起動(dòng)超音速旋流分離器，包括旋流器l、Laval噴管2和擴(kuò)壓分離器3。如圖2和圖3，所述的旋流器1包括旋流器封頭101、葉片102、螺帽103、旋流器內(nèi)殼104、旋流器外殼105和旋流器尾錐106。所述的旋流器內(nèi)殼104與旋流器外殼105同軸， 并置于旋流器內(nèi)部，所述的葉片102置于旋流器外殼105和旋流器內(nèi)殼104之間，葉片的個(gè)數(shù)大于等于1 ；所述的旋流器外殼105內(nèi)壁與旋流器內(nèi)殼104外壁之間的間距為1 50mm， 所述的旋流器尾錐106與旋流器內(nèi)殼104同軸，通過(guò)螺帽103與旋流器內(nèi)殼104的一端軸向連接，所述的旋流器封頭101與旋流器內(nèi)殼104同軸，并通過(guò)螺紋與旋流器內(nèi)殼104的另一端軸向連接。如圖4，所述的Laval噴管2包括順次軸向連接的Laval噴管直管A201、Laval噴管收縮管202、Laval噴管擴(kuò)張管A203、Laval噴管擴(kuò)張管B204和Laval噴管直管B205， 所述的Laval噴管直管A201與旋流器外殼105同軸軸向連接，并使旋流器尾錐106的錐體位于Laval噴管直管A201的內(nèi)部。Laval噴管直管A201內(nèi)徑與旋流器外殼105內(nèi)徑相等，Laval噴管直管A201的內(nèi)徑為1 50mmmm。所述的Laval噴管收縮管202最小內(nèi)徑為1 50mm，所述的Laval噴管收縮管202收縮角0° < β i彡45°，最優(yōu)為7°。所述的 Laval噴管擴(kuò)張管A203最小內(nèi)徑為1 50mm，所述的Laval噴管擴(kuò)張管A203擴(kuò)張角0°<β2<30°，最優(yōu)為5°，所述的Laval噴管擴(kuò)張管Β204最小內(nèi)徑為1 50mm，所述的 Laval噴管擴(kuò)張管B204擴(kuò)張角0° <β3<10°，最優(yōu)為1°，所述的Laval噴管直管Β205 內(nèi)徑為1 50mm。所述的Laval噴管直管A201、Laval噴管收縮管202、Laval噴管擴(kuò)張管 A203、Laval噴管擴(kuò)張管B204和Laval噴管直管B205順次同軸連接。如圖5、圖6和圖7，所述的擴(kuò)壓分離器包括分離錐A301、分離器外殼302、多孔壁 303、分離錐B304和分離錐C305。所述的分離錐A301、分離錐B304均與分離器外殼302同軸，且分離錐A301、分離錐B304均置于分離器外殼302的內(nèi)部，分離器外殼302與Laval噴管直管B205同軸連接。所述的分離錐A301內(nèi)壁是收縮的，收縮角為0° <，最優(yōu)為1.8°。所述的分離錐Β304與分離錐Α301軸向連接。所述的多孔壁303與分離錐Β304 同軸并置于分離錐Β304內(nèi)部，并且所述多孔壁303的前端與分離錐Α301的尾部軸向連接。 所述的多孔壁303為中空管壁，其內(nèi)外壁面平行，多孔壁303從其與分離錐Α301的尾部連接的前端位置開(kāi)始，先以收縮角日5收縮，然后再以擴(kuò)張角日6擴(kuò)張，再以再度擴(kuò)張角日7擴(kuò)張，滿足β5= β4，0° < 1°最優(yōu)為0.5°，0° < β7彡10°最優(yōu)為3°，多孔壁303 的壁面具有若干排氣孔，排氣孔的孔徑D小于等于2mm，相鄰兩個(gè)排氣孔的中心間距L滿足 D < L < IOD0所述的分離錐C305也置于分離器外殼302的內(nèi)部，分離錐C305的一側(cè)端面與分離錐B304、多孔壁303均軸向連接，所述的分離錐C305內(nèi)壁是擴(kuò)張的，其擴(kuò)張角08滿足β8= β7。所述的分離錐Α301為空心錐，且其尖端形成一個(gè)分離環(huán)截面，該分離環(huán)截面置于Laval噴管直管B205的出口截面，將Laval噴管直管B205的出口截面分為外層截面和內(nèi)層截面兩部分，外層截面與分離器外殼302內(nèi)壁、分離錐A301外壁、分離錐B304外壁、 分離錐C305外壁之間形成分離器306，使外層截面成為分離器306入口端，分離器306的出口端與濕氣出口 308相連接；所述的內(nèi)層截面與分離錐A301內(nèi)壁、多孔壁303內(nèi)壁、分離錐 C305內(nèi)壁之間形成擴(kuò)壓器307，內(nèi)層截面成為擴(kuò)壓器307入口端，擴(kuò)壓器307出口端與輸氣管線相連接。所述的多孔壁303外壁和分離錐B304內(nèi)壁之間形成溢流腔。所述的擴(kuò)壓器 307入口端截面積與分離器307入口端截面積之比δ滿足1/4 < δ <4。氣體經(jīng)Laval 噴管直管B205的出口截面流入擴(kuò)壓分離器3，經(jīng)分離錐A301將氣體分成內(nèi)層干氣流和外層濕氣流，外層濕氣流從分離器306入口端流入，經(jīng)分離器306出口端從濕氣出口 308排出至濕氣處理系統(tǒng)，內(nèi)層干氣流從擴(kuò)壓器307入口端流入，經(jīng)擴(kuò)壓器307和溢流腔進(jìn)入輸氣管線。所述的分離器306通道的壁面呈線性平行；分離器306通道壁面的擴(kuò)張角為 5° 60°，所述擴(kuò)壓器307通道壁面為先收縮后擴(kuò)張的壁面，所述擴(kuò)壓器307通道的收縮角為β4，滿足0° < 5°，最優(yōu)為1.8°。擴(kuò)張角β6滿足0° < β6彡1°最優(yōu)為 0.5°，再度擴(kuò)張角β7滿足0° <，最優(yōu)為3°。本發(fā)明提出的一種雙喉道自起動(dòng)超音速旋流分離器的分離方法，具體包括以下幾個(gè)步驟步驟一、含濕氣體經(jīng)旋流器1進(jìn)入Laval噴管2，氣體隨著Laval噴管收縮管202 半徑的減小，以及Laval噴管擴(kuò)張管A203和噴管擴(kuò)張管B204的擴(kuò)張，速度逐漸增大，含濕氣體離心加速度逐漸增大，絕熱膨脹到超聲速，同時(shí)含濕氣體內(nèi)能減小，動(dòng)能增加，形成低溫低壓，當(dāng)溫度降低至使氣體過(guò)飽和時(shí)，含濕氣體中的可凝結(jié)物就被冷凝出來(lái)，強(qiáng)大離心力使其集聚在Laval噴管2的內(nèi)壁和/或近壁區(qū)。
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步驟二、經(jīng)Laval噴管2處理后的含濕氣體在Laval噴管2的出口處超音速，并且被分離錐A301分流，內(nèi)層干氣體流入擴(kuò)壓器307，在擴(kuò)壓器307的收縮段內(nèi)超音速氣流減速增壓，在擴(kuò)壓器307的喉道處速度達(dá)到1馬赫到1. 2馬赫之間，小部分氣流由多孔壁303 排氣孔進(jìn)入溢流腔中，再由多孔壁303的排氣孔進(jìn)入擴(kuò)壓器307擴(kuò)張段，氣流由擴(kuò)壓器307 喉道進(jìn)入擴(kuò)壓器307擴(kuò)張段進(jìn)一步減速增壓，最后干氣進(jìn)入輸氣管線，外層濕氣流在分離器306內(nèi)減速增壓，從濕氣出口 308流入濕氣處理系統(tǒng)。經(jīng)以上步驟脫水、脫重?zé)N處理后的氣體達(dá)到了降低露點(diǎn)和分離重?zé)N的目的。
權(quán)利要求
1.一種雙喉道自起動(dòng)超音速旋流分離器，其特征在于包括旋流器、Laval噴管和擴(kuò)壓分離器；所述的旋流器包括旋流器封頭、葉片、螺帽、旋流器內(nèi)殼、旋流器外殼和旋流器尾錐；所述的旋流器內(nèi)殼與旋流器外殼同軸，并置于旋流器內(nèi)部；葉片置于旋流器外殼和旋流器內(nèi)殼之間；旋流器尾錐與旋流器內(nèi)殼同軸，通過(guò)螺帽與旋流器內(nèi)殼的一端軸向連接，旋流器封頭與旋流器內(nèi)殼同軸，并通過(guò)螺紋與旋流器內(nèi)殼的另一端軸向連接；所述的Laval噴管包括順次軸向連接的Laval噴管直管A、Laval噴管收縮管、Laval 噴管擴(kuò)張管A、Laval噴管擴(kuò)張管B和Laval噴管直管B ；所述的Laval噴管直管A與旋流器外殼同軸軸向連接，并使旋流器尾錐的錐體位于Laval噴管直管A的內(nèi)部；所述的Laval 噴管直管A、Laval噴管收縮管、Laval噴管擴(kuò)張管A、Laval噴管擴(kuò)張管B和Laval噴管直管B順次同軸連接；所述的擴(kuò)壓分離器包括分離錐A、分離器外殼、多孔壁、分離錐B和分離錐C ；所述的分離錐A、分離錐B均與分離器外殼同軸，且分離錐A、分離錐B均置于分離器外殼的內(nèi)部，分離器外殼與Laval噴管直管B同軸連接；所述的分離錐A內(nèi)壁是收縮的，收縮角為β 4 ；所述的分離錐B與分離錐A軸向連接，所述的多孔壁與分離錐Β304同軸并置于分離錐B內(nèi)部，并且所述多孔壁的前端與分離錐A的尾部軸向連接，所述的多孔壁為中空管壁，其內(nèi)外壁面平行，多孔壁從其與分離錐A的尾部連接的前端位置開(kāi)始，先以收縮角β 5收縮，然后再以擴(kuò)張角日6擴(kuò)張，再以再度擴(kuò)張角日7擴(kuò)張，多孔壁的壁面具有若干排氣孔，所述的分離錐C也置于分離器外殼的內(nèi)部，分離錐C的一側(cè)端面與分離錐B、多孔壁均軸向連接，所述的分離錐C內(nèi)壁是擴(kuò)張的，分離錐C的擴(kuò)張角為β 8 ；所述的分離錐A為空心錐，且其尖端形成一個(gè)分離環(huán)截面，該分離環(huán)截面置于Laval噴管直管B的出口截面，將Laval噴管直管B 的出口截面分為外層截面和內(nèi)層截面兩部分，外層截面與分離器外殼內(nèi)壁、分離錐A外壁、 分離錐B外壁、分離錐C外壁之間形成分離器，使外層截面成為分離器入口端，分離器的出口端與濕氣出口相連接；所述的內(nèi)層截面與分離錐A內(nèi)壁、多孔壁內(nèi)壁、分離錐C內(nèi)壁之間形成擴(kuò)壓器，內(nèi)層截面成為擴(kuò)壓器入口端，擴(kuò)壓器出口端與輸氣管線相連接；所述的多孔壁外壁和分離錐B內(nèi)壁之間形成溢流腔；氣體經(jīng)Laval噴管直管B的出口截面流入擴(kuò)壓分離器，經(jīng)分離錐A將氣體分成內(nèi)層干氣流和外層濕氣流，外層濕氣流從分離器入口端流入，經(jīng)分離器出口端從濕氣出口排出至濕氣處理系統(tǒng)，內(nèi)層干氣流從擴(kuò)壓器入口端流入，經(jīng)擴(kuò)壓器和溢流腔進(jìn)入輸氣管線。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種雙喉道自起動(dòng)超音速旋流分離器，其特征在于所述的旋流器外殼內(nèi)壁與旋流器內(nèi)殼外壁之間的間距為1 50mm。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種雙喉道自起動(dòng)超音速旋流分離器，其特征在于所述的 Laval噴管直管A的內(nèi)徑為1 50mmmm，Laval噴管直管A內(nèi)徑與旋流器外殼內(nèi)徑相等；所述的Laval噴管直管B內(nèi)徑為1 50mm。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種雙喉道自起動(dòng)超音速旋流分離器，其特征在于所述的Laval噴管收縮管的最小內(nèi)徑為1 50mm，Laval噴管收縮管的收縮角β工滿足0° < β ！ ^ 45°。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種雙喉道自起動(dòng)超音速旋流分離器，其特征在于所述的 Laval噴管擴(kuò)張管A的最小內(nèi)徑為1 50mm，Laval噴管擴(kuò)張管A的擴(kuò)張角β 2滿足0°< β 2≤30° ；所述的Laval噴管擴(kuò)張管B的最小內(nèi)徑為1 50mm，所述的Laval噴管擴(kuò)張管B的擴(kuò)張角β 3滿足0° < β 3≤10°。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種雙喉道自起動(dòng)超音速旋流分離器，其特征在于分離錐A 的收縮角β 4滿足0° < β4≤5° ；分離錐C的擴(kuò)張角β 8滿足β 8 = β 7。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種雙喉道自起動(dòng)超音速旋流分離器，其特征在于所述的多孔壁的收縮角β5滿足β5= β4，擴(kuò)張角β6滿足0° <β6≤1°，再度擴(kuò)張角β7滿足 0° < β7≤10°。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種雙喉道自起動(dòng)超音速旋流分離器，其特征在于所述的排氣孔的孔徑D小于等于2mm，相鄰兩個(gè)排氣孔的中心間距L滿足D < L < IOD0
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種雙喉道自起動(dòng)超音速旋流分離器，其特征在于所述的擴(kuò)壓器入口端截面積與分離器入口端截面積之比δ滿足1/4 < δ <4。
10.一種雙喉道自起動(dòng)超音速旋流分離器的分離方法，其特征在于具體包括以下幾個(gè)步驟步驟一、含濕氣體經(jīng)旋流器進(jìn)入Laval噴管，氣體隨著Laval噴管收縮管半徑的減小， 以及Laval噴管擴(kuò)張管A和噴管擴(kuò)張管B的擴(kuò)張，速度逐漸增大，含濕氣體離心加速度逐漸增大，絕熱膨脹到超聲速，同時(shí)含濕氣體內(nèi)能減小，動(dòng)能增加，形成低溫低壓，當(dāng)溫度降低至使氣體過(guò)飽和時(shí)，含濕氣體中的可凝結(jié)物就被冷凝出來(lái)，強(qiáng)大離心力使其集聚在Laval噴管的內(nèi)壁和/或近壁區(qū)；步驟二、經(jīng)Laval噴管處理后的含濕氣體在Laval噴管的出口處超音速，并且被分離錐 A分流，內(nèi)層干氣體流入擴(kuò)壓器，在擴(kuò)壓器的收縮段內(nèi)超音速氣流減速增壓，在擴(kuò)壓器的喉道處速度達(dá)到1馬赫到1. 2馬赫之間，小部分氣流由多孔壁排氣孔進(jìn)入溢流腔中，再由多孔壁的排氣孔進(jìn)入擴(kuò)壓器擴(kuò)張段，氣流由擴(kuò)壓器喉道進(jìn)入擴(kuò)壓器擴(kuò)張段進(jìn)一步減速增壓，最后干氣進(jìn)入輸氣管線，外層濕氣流在分離器內(nèi)減速增壓，從濕氣出口流入濕氣處理系統(tǒng)。
全文摘要
本發(fā)明提出一種雙喉道自起動(dòng)超音速旋流分離器及其分離方法，該雙喉道自起動(dòng)超音速旋流分離器包括旋流器、Laval噴管和擴(kuò)壓分離器，其中擴(kuò)壓分離器包括分離錐A、分離器外殼、多孔壁、分離錐B和分離錐C，多孔壁的壁面具有若干排氣孔，多孔壁外壁和分離錐B內(nèi)壁之間形成溢流腔。本發(fā)明在擴(kuò)壓器收縮段和擴(kuò)壓器擴(kuò)張段采用多孔壁結(jié)構(gòu)，起到了對(duì)擴(kuò)壓器喉道流通面積的氣動(dòng)調(diào)節(jié)作用，當(dāng)上游壓力有波動(dòng)的時(shí)候可以實(shí)現(xiàn)自調(diào)節(jié)。且本發(fā)明中來(lái)自Laval噴管的超聲速氣流在擴(kuò)壓器的收縮段先壓縮減速，并以稍大于聲速的速度通過(guò)擴(kuò)壓器喉道，然后在擴(kuò)壓器擴(kuò)張段以遠(yuǎn)低于Laval噴管馬赫數(shù)的條件形成正激波，因此具有激波損失小的優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)B01D5/00GK102274805SQ20111019537
公開(kāi)日2011年12月14日 申請(qǐng)日期2011年7月12日 優(yōu)先權(quán)日2011年7月12日
發(fā)明者吳盟, 段然, 王健, 聶俊杰, 蔣登宇, 韓景, 額日其太 申請(qǐng)人:北京航空航天大學(xué)