一種基于多孔材料的微重力下螺旋式氣液分離器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本實(shí)用新型涉及一種氣液分離器，具體涉及一種基于多孔材料的微重力下螺旋式 氣液分離器。
【背景技術(shù)】
[0002] 自上個(gè)世紀(jì)50年代以來，航天事業(yè)蓬勃發(fā)展，人類在太空中的活動(dòng)越來越頻繁， 航天工業(yè)的發(fā)展水平已經(jīng)成為評價(jià)一國科研能力的一個(gè)重要指標(biāo)，其中，微重力下的流體 管理技術(shù)作為航天技術(shù)的重要組成部分，受到各國的普遍重視。微重力流體管理技術(shù)是指 通過對微重力環(huán)境中的流體的輸運(yùn)、儲存等過程進(jìn)行控制，從而使某系統(tǒng)能夠運(yùn)行并完成 所需要的功能。從工程應(yīng)用的角度出發(fā)，微重力下流體管理技術(shù)主要應(yīng)用于空間飛行器的 以下系統(tǒng)中：1)推進(jìn)劑管理系統(tǒng)：航天器的芯級燃料一般采用高比沖的低溫LH 2, LO2燃料， 流體管理技術(shù)主要應(yīng)用于低溫流體的儲存，運(yùn)輸和加注過程中的流量控制過程。另外，航 天器在軌運(yùn)行時(shí)，低溫推進(jìn)劑的增壓輸送過程，液面晃動(dòng)的控制等過程也需要該技術(shù)；2) 物質(zhì)再生、環(huán)境控制與生命保障系統(tǒng)：該系統(tǒng)簡稱再生環(huán)控系統(tǒng)，該環(huán)節(jié)涉及到航天器內(nèi)部 H20,0)2等的循環(huán)，工作環(huán)境的溫濕度調(diào)節(jié)，并直接關(guān)系到航天員的生命安全，因此是載人航 天的關(guān)鍵技術(shù)之一。航天器作為一個(gè)微型的人造生態(tài)環(huán)境，內(nèi)部的氣體溫度場和流場的分 布、溫度和濕度的控制、航天器廢水等的處理與凈化、二氧化碳還原過程、航天服內(nèi)部的液 體的收集與排放等過程都涉及到微重力下的流體管理技術(shù)。3)電源及控制系統(tǒng)：燃料電池 由于具有高能量密度，不存在過沖等優(yōu)點(diǎn)，使得其在航天領(lǐng)域具有非常好的應(yīng)用前景。微重 力下水的電解兩相流動(dòng)，傳熱與傳質(zhì)的規(guī)律與地面明顯不同，在電極端實(shí)現(xiàn)氫氣和氧氣從 水的分離技術(shù)也非常的復(fù)雜，水作為燃料電池最常見的產(chǎn)物，微重力下的水管理對燃料電 池的性能具有重要的影響。4)航天器熱控制系統(tǒng)：隨著太空研宄的逐步深入，所應(yīng)用的高 精端的電子設(shè)備的發(fā)熱量越來越大。由于氣液兩相流具有很高的傳熱系數(shù)，因此被廣泛的 應(yīng)用于微重力下電子器件的熱控制領(lǐng)域。對熱控制系統(tǒng)內(nèi)部的工質(zhì)進(jìn)行高效的流量、溫度、 組分等的控制是熱控制系統(tǒng)發(fā)揮效能的重要前提。
[0003] 氣液分離技術(shù)作為流體管理的一個(gè)重要組成部分，受到國內(nèi)外的廣泛關(guān)注，在常 重力下常見的氣液分離手段有重力沉降分離法，折流分離法，離心分離法和填充分離法等。 這些分離方法按照分離的原理可以分為以下兩大類：1)利用組分的密度差進(jìn)行分離：氣相 的密度值一般比同種工質(zhì)的液相密度值要小很多，因此可以利用氣相與液相工質(zhì)的密度差 來實(shí)現(xiàn)氣體與液體的分離，這種分離方法最常用，也最簡單。比如重力沉降分離法，離心分 離法等；2)利用混合流體中的聚集狀態(tài)不同進(jìn)行分離：液體分子的聚集狀態(tài)與氣相分子的 聚集狀態(tài)不同，因此可以利用其聚集狀態(tài)進(jìn)行液體與氣體的分離，比如半透膜分離法，填充 分離法，絲網(wǎng)分離法，微孔分離法等。通常而言，重力沉降分離法的分離性能相對較低，當(dāng)系 統(tǒng)所需要的氣液分離程度要求較高時(shí)，可以選擇折流分離法，離心分離法，甚至是絲網(wǎng)分離 法和微孔分離法等。
[0004] 以上所提到的氣液分離方法在常重力下能夠很好的實(shí)現(xiàn)氣液的分離，而在微重力 環(huán)境下卻不能直接的利用，主要是因?yàn)槲⒅亓Νh(huán)境下的氣液流動(dòng)與常重力下具有明顯不同 的特征。在微重力環(huán)境下，由重力引起的浮力對氣泡的影響幾乎消失，一些表面力（如表面 張力和熱毛細(xì)力等）的作用顯著增強(qiáng)，由此引起的潤濕、接觸角滯后、熱毛細(xì)對流等物理現(xiàn) 象主導(dǎo)相變換熱的整個(gè)過程。但由于表面力的數(shù)量級很小，因此相變過程中產(chǎn)生的氣泡從 加熱表面的脫離變得困難。一般而言，微重力下相變過程中產(chǎn)生氣泡的直徑為常重力同等 條件下的數(shù)倍。對于微重力環(huán)境中的氣液兩相流流型也有同樣的規(guī)律，浮力的消失使得液 相與氣相相互混合在一起，而不出現(xiàn)分層。因此在微重力環(huán)境下不能依靠重力的作用實(shí)現(xiàn) 氣液分離，必須有針對性的設(shè)計(jì)其氣液分離器結(jié)構(gòu)。
[0005] 目前，微重力下的氣液分離方法有靜態(tài)分離法和動(dòng)態(tài)分離法兩種方法，靜態(tài)分離 法主要是通過毛細(xì)作用、膜分離作用等實(shí)現(xiàn)微重力下的氣液分離方法?；诿?xì)作用分離 方法的設(shè)計(jì)思想是利用液相對一些特殊材料的潤濕特性不同進(jìn)行氣液的分離過程。以水的 氣液分離過程為例，主要利用吸水材料的吸水特性、憎水材料的憎水特性進(jìn)行氣液分離，在 氣液分離器中該種材料設(shè)計(jì)成多孔通道，液相的工質(zhì)在親水材料里面的潤濕較好，會在其 表面逐步鋪展形成液膜，因此多孔的親水材料作為液相工質(zhì)的"通道"從混合流中分離，其 驅(qū)動(dòng)力來自于多孔親水材料所形成的毛細(xì)力。同理，由憎水材料制成的多孔材料形成了氣 相工質(zhì)的"通道"，在液相"通道"和氣相"通道"的作用下，從而實(shí)現(xiàn)氣液的分離。對于基于 毛細(xì)作用分離原理設(shè)計(jì)的氣液分離器，多孔材料的空隙大小，親水材料的選擇對于分離器 的分離性能影響較大。由此可見，靜態(tài)分離法具有耗能少，無運(yùn)動(dòng)部件，易維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)。但 是其單位時(shí)間內(nèi)的分離量少，分離速度慢，且親水材料等易污染，工作時(shí)擊穿壓力受到參數(shù) 的選擇限制，因此一般應(yīng)用于溫濕度控制的分系統(tǒng)，二氧化碳的回收處理組件等。動(dòng)態(tài)分離 法主要是利用離心力等實(shí)現(xiàn)氣液混合流中的氣體和液體的相分離，由于氣體和液體的密度 大小差異，當(dāng)混合流體以一定的旋轉(zhuǎn)角速度做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，氣泡會更多的聚集在半徑較小 的區(qū)域內(nèi)，而液相的工質(zhì)則聚集在半徑較大的區(qū)域內(nèi)，從而形成中心"氣柱"和外部"液環(huán)" 的結(jié)構(gòu)，然后通過專門的氣液分離管道將液體工質(zhì)和氣相工質(zhì)分別從筒體的外部和內(nèi)部進(jìn) 行分離。目前微重力下的動(dòng)態(tài)氣液分離方法有畢托管式氣液分離器和轉(zhuǎn)筒式氣液分離器。 動(dòng)態(tài)分離法分離量大，分離速度快，耐污染性強(qiáng)，對其的控制可以通過電路等實(shí)現(xiàn)。但是離 心力場的產(chǎn)生主要是利用由電機(jī)帶動(dòng)的轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)，所以分離器中存在運(yùn)動(dòng)部件， 工作時(shí)需要配合驅(qū)動(dòng)部件，需要消耗額外功率，還需要實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子與分離器筒體之間的動(dòng)態(tài) 密封。另外，為了控制液相的波動(dòng)和穩(wěn)定性，還需要布置有專門的檢測設(shè)備等，因此一般應(yīng) 用于航天器中的廢水、衛(wèi)生水的處理系統(tǒng)等。靜態(tài)分離方法和動(dòng)態(tài)分離方法具有各自的優(yōu) 勢和應(yīng)用場合，也具有各自的劣勢。
[0006] 經(jīng)調(diào)查，已有專利文獻(xiàn)利用螺旋流動(dòng)產(chǎn)生得離心力場實(shí)現(xiàn)氣相與液相的分離。專 利文獻(xiàn)CN203737048U提出了一種工業(yè)用氣液分離器，氣相與液相的分離通過布置在分離 器筒體內(nèi)部的螺旋折流板實(shí)現(xiàn)，并在出氣口布置絲網(wǎng)進(jìn)一步的實(shí)現(xiàn)氣液的分離。該文獻(xiàn)在 一定程度上提高了分離速度，但是整體分離效果比較差；同時(shí)該專利文獻(xiàn)并不適用于微重 力下的氣液分離過程。專利文獻(xiàn)CN104043293A提出了一種螺旋管式氣液分離器，分離器 筒體內(nèi)部布置有螺旋管道和折流板，并在螺旋管的內(nèi)側(cè)和折流板上均開有小孔，該孔用來 實(shí)現(xiàn)液相工質(zhì)從管道內(nèi)部的分離，該專利文獻(xiàn)在氣液分離過程同樣只是利用了離心力的作 用，而沒有毛細(xì)力的作用，同樣的存在整體分離效率效果比較差的技術(shù)問題，而且該專利文 獻(xiàn)也不適用于微重力下的氣液分離過程。專利文獻(xiàn)CN2396866Y提出了一種微重力下的旋 轉(zhuǎn)式兩相分離裝置，該裝置利用調(diào)速電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)氣液的相分離，同時(shí)利 用布置與壁面處的內(nèi)柵片產(chǎn)生的毛細(xì)作用實(shí)現(xiàn)液相的收集。由于該專利文獻(xiàn)中的氣液相分 離過程并沒有利用重力的作用，因此能夠很好的應(yīng)用于微重力下的氣液分離過程，但由于 專利引入了電機(jī)等驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，使得裝置需要額外的機(jī)械裝置，且存在轉(zhuǎn)子與筒體之間的密 封問題，再加上壁面內(nèi)柵片的毛細(xì)力不足，該分離器的分離量也受到限制。 【實(shí)用新型內(nèi)容】
[0007] 為克服現(xiàn)有技術(shù)中靜態(tài)分離器分離量小，驅(qū)動(dòng)力不足和動(dòng)態(tài)分離器的運(yùn)動(dòng)部件的 耗能等技術(shù)問題，本實(shí)用新型提供了一種基于多孔材料的微重力下螺旋式氣液分離器，該 氣液分離器能夠在微重力環(huán)境中順利的實(shí)現(xiàn)氣相與液相的分離，同時(shí)分離量大，且無運(yùn)動(dòng) 部件能耗。
[0008] 為解決上述技術(shù)問題，本實(shí)用新型提供的技術(shù)方案分別如下：
[0009] -種基于多孔材料的微重力下螺旋式氣液分離器，包括殼體，該殼體上設(shè)有混合 流體進(jìn)口、氣相工質(zhì)出口和液相工質(zhì)出口，所述殼體內(nèi)設(shè)有：
[0010] 位于所述殼體軸心處的憎液相多孔材料柱；
[0011] 位于所述殼體內(nèi)壁的親液相多孔材料層；
[0012] 設(shè)于所述憎液相多孔材料柱與親液相多孔材料層之間的、