專利名稱：一種雙喉道自起動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市場中占據(jù)著越來越大的份額。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，形成具有強腐蝕性的酸，從而加速管線的腐蝕。因此，天然氣在進入輸氣管線之前，必須進行脫水工藝處理。目前國內(nèi)天然氣集輸系統(tǒng)采用的脫水技術(shù)主要有長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、分離器和壓縮機的功能集中到一個管道中，具有結(jié)構(gòu)簡單緊湊，無轉(zhuǎn)動部件，可靠性高，無化學(xué)處理系統(tǒng)，低投資和維護費用等優(yōu)點。對于這一天然氣處理技術(shù)的研究，國外主要有荷蘭Twister BV公司和俄羅斯ENGO旗下的 Translang公司。國內(nèi)持續(xù)研究單位主要有北京航空航天大學(xué)、中國石油大學(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)上不斷取得進步。一種低流動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。通過削尖所述中心錐和法蘭內(nèi)孔支撐架的左端部的方式來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，該裝置包含多個超音速分離管和一個水合物分離器，其實質(zhì)在于將多個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開環(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。其雖然將含濕分離流引入旋流器入口進行循環(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)，流動損失大?！N錐心式超音速冷凝旋流分離器，該裝置實質(zhì)為帶中心錐的Laval噴管，在噴管內(nèi)置一中心錐，通過改變中心錐不同截面的直徑來控制噴管收縮段、喉道和擴張段的流通面積，而噴管的內(nèi)型面則是簡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，并對含濕氣體進行二次沉降分離，兩次分離的“干氣”匯合進入外輸管線，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進入烴回收裝置，實現(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)化縮短了噴管總長度。該專利稱所涉及的激波系避免了強激波誘導(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問題，沒有給出相應(yīng)的解決辦法。起動問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或者兩個以上喉部流動。雙喉道管流管路中存在兩個喉部，拉瓦爾噴管的喉部和擴壓器喉部。假如流動為理想的等熵過程，從氣源出來的高壓氣體經(jīng)過拉瓦爾噴管加速成超聲速氣流，在擴壓器的喉部處等熵減速到聲速，在這種理想狀態(tài)下管道中沒有激波存在，流動損失最小。但在實際上，要實現(xiàn)上述無損失的等熵流動是不可能的，這是因為噴管和起源接通時，雖然噴管中的氣流總壓可以很快的增大，但總是一個由小到大的過程。那么噴管內(nèi)經(jīng)歷的是一個有激波的流動過程。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)計的擴壓器喉道面積將不能使通過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張段內(nèi)，激波損失很大。這就要求擴壓器喉部的面積需要放大，使擴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，激波存在于擴壓器的擴張段內(nèi)， 這就完成了起動。為了減小總壓損失，在起動以后，應(yīng)使激波向擴壓器喉部靠近。理論上， 激波處于喉部時，損失最小，但實際上，在工作時是使激波保持在擴壓器喉部稍下游處。這是因為激波位于擴壓器喉部是不穩(wěn)定的。對于喉部面積固定的擴壓器，起動以后，擴壓器喉部馬赫數(shù)大于1，所以即使靠近喉部，仍有激波損失。

發(fā)明內(nèi)容
針對現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，本發(fā)明提出一種雙喉道自起動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、雙喉道管流不起動等技術(shù)問題。本發(fā)明提出的雙喉道自起動超音速旋流分離器在擴壓器收縮段和擴壓器擴張段采用多孔壁結(jié)構(gòu)，當(dāng)不起動時激波位于Laval噴管內(nèi)，擴壓器收縮段壓力高于擴壓器擴張段壓力，氣流從擴壓器收縮段多孔壁流入從擴壓器擴張段流出，這樣就增大了擴壓器喉部的流通能力，從而達到起動，當(dāng)起動以后，擴壓器收縮段壓力和擴壓器擴張段壓力相差很小，使通過多孔壁的流量減小，這又減小了實現(xiàn)了擴壓器喉部的流通能力，使擴壓器喉部處馬赫數(shù)減小，總壓損失減小，這就實現(xiàn)了雙喉道管流的自起動，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超音速旋流分離器，包括旋流器、Laval噴管和擴壓分尚器。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噴管擴張管A、Laval噴管擴張管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噴管擴張管A最小內(nèi)徑為1 50mm，所述的Laval噴管擴張管A擴張角0° <β2<30°，最優(yōu)為5°，所述的Laval噴管擴張管B最小內(nèi)徑為1 50mm，所述的Laval噴管擴張管B擴張角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噴管擴張管A、Laval 噴管擴張管B和Laval噴管直管B順次同軸連接。所述的擴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始，先以收縮角05收縮，然后再以擴張角日6擴張，再以再度擴張角β7擴張，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)壁是擴張的，其擴張角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)壁之間形成擴壓器，內(nèi)層截面成為擴壓器入口端，擴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)層干氣流從擴壓器入口端流入，經(jīng)擴壓器和溢流腔進入輸氣管線。
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張角為5° 60°， 所述擴壓器通道壁面為先收縮后擴張的壁面，所述擴壓器通道的收縮角為β4，滿足0° < 5°，最優(yōu)為1.8°。擴張角β6滿足0° < β6彡1°最優(yōu)為0.5°，再度擴張角 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超音速旋流分離器的分離方法，具體包括以下幾個步驟步驟一、含濕氣體經(jīng)旋流器進入Laval噴管，氣體隨著Laval噴管收縮管半徑的減小，以及Laval噴管擴張管A和噴管擴張管B的擴張，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，同時含濕氣體內(nèi)能減小，動能增加，形成低溫低壓，當(dāng)溫度降低至使氣體過飽和時，含濕氣體中的可凝結(jié)物就被冷凝出來，強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)層干氣體流入擴壓器，在擴壓器的收縮段內(nèi)超音速氣流減速增壓，在擴壓器的喉道處速度達到1馬赫到1. 2馬赫之間，小部分氣流由多孔壁排氣孔進入溢流腔中，再由多孔壁的排氣孔進入擴壓器擴張段，氣流由擴壓器喉道進入擴壓器擴張段進一步減速增壓，最后干氣進入輸氣管線，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)點在于1、本發(fā)明提出一種雙喉道自起動超音速旋流分離器及其分離方法，來自Laval噴管的超聲速氣流在擴壓器的收縮段先壓縮減速，并以稍大于聲速的速度通過擴壓器喉道， 然后在擴壓器擴張段以遠低于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。2、本發(fā)明提出一種雙喉道自起動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。3、本發(fā)明提出一種雙喉道自起動超音速旋流分離器及其分離方法，從擴壓器喉道下游向上游傳播的擾動到了聲速截面后就不能再進一步向上游傳播，其上游管道個截面馬赫數(shù)就不再隨擴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。4、本發(fā)明提出一種雙喉道自起動超音速旋流分離器及其分離方法，在擴壓器收縮段和擴壓器擴張段采用多孔壁結(jié)構(gòu)，起到了對擴壓器喉道流通面積的氣動調(diào)節(jié)作用，當(dāng)上游壓力有波動的時候可以實現(xiàn)自調(diào)節(jié)。因此系統(tǒng)具有自適應(yīng)的優(yōu)點。


圖1 本發(fā)明提出的雙喉道自起動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超音速旋流分離器的擴壓分離器結(jié)構(gòu)示意圖。圖中
1-旋流器；2-Laval 噴管；3-擴壓分離器；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噴管擴張管A ；303-多孔壁■’104-旋流器內(nèi)殼■’204-Laval噴管擴張管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-擴壓器■’308-濕氣出口 ；
具體實施例方式下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明進行進一步詳細說明。如圖1，本發(fā)明提出一種雙喉道自起動超音速旋流分離器，包括旋流器l、Laval噴管2和擴壓分離器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噴管擴張管A203、Laval噴管擴張管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噴管擴張管A203最小內(nèi)徑為1 50mm，所述的Laval噴管擴張管A203擴張角0°<β2<30°，最優(yōu)為5°，所述的Laval噴管擴張管Β204最小內(nèi)徑為1 50mm，所述的 Laval噴管擴張管B204擴張角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噴管擴張管 A203、Laval噴管擴張管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始，先以收縮角日5收縮，然后再以擴張角日6擴張，再以再度擴張角日7擴張，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)壁是擴張的，其擴張角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)壁之間形成擴壓器307，內(nèi)層截面成為擴壓器307入口端，擴壓器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)層干氣流從擴壓器307入口端流入，經(jīng)擴壓器307和溢流腔進入輸氣管線。所述的分離器306通道的壁面呈線性平行；分離器306通道壁面的擴張角為 5° 60°，所述擴壓器307通道壁面為先收縮后擴張的壁面，所述擴壓器307通道的收縮角為β4，滿足0° < 5°，最優(yōu)為1.8°。擴張角β6滿足0° < β6彡1°最優(yōu)為 0.5°，再度擴張角β7滿足0° <，最優(yōu)為3°。本發(fā)明提出的一種雙喉道自起動超音速旋流分離器的分離方法，具體包括以下幾個步驟步驟一、含濕氣體經(jīng)旋流器1進入Laval噴管2，氣體隨著Laval噴管收縮管202 半徑的減小，以及Laval噴管擴張管A203和噴管擴張管B204的擴張，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，同時含濕氣體內(nèi)能減小，動能增加，形成低溫低壓，當(dāng)溫度降低至使氣體過飽和時，含濕氣體中的可凝結(jié)物就被冷凝出來，強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)層干氣體流入擴壓器307，在擴壓器307的收縮段內(nèi)超音速氣流減速增壓，在擴壓器307的喉道處速度達到1馬赫到1. 2馬赫之間，小部分氣流由多孔壁303 排氣孔進入溢流腔中，再由多孔壁303的排氣孔進入擴壓器307擴張段，氣流由擴壓器307 喉道進入擴壓器307擴張段進一步減速增壓，最后干氣進入輸氣管線，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處理后的氣體達到了降低露點和分離重?zé)N的目的。
權(quán)利要求
1.一種雙喉道自起動超音速旋流分離器，其特征在于包括旋流器、Laval噴管和擴壓分離器；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 噴管擴張管A、Laval噴管擴張管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噴管擴張管A、Laval噴管擴張管B和Laval噴管直管B順次同軸連接；所述的擴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始，先以收縮角β 5收縮，然后再以擴張角日6擴張，再以再度擴張角日7擴張，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)壁是擴張的，分離錐C的擴張角為β 8 ；所述的分離錐A為空心錐，且其尖端形成一個分離環(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)壁之間形成擴壓器，內(nèi)層截面成為擴壓器入口端，擴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)層干氣流從擴壓器入口端流入，經(jīng)擴壓器和溢流腔進入輸氣管線。
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超音速旋流分離器，其特征在于所述的 Laval噴管擴張管A的最小內(nèi)徑為1 50mm，Laval噴管擴張管A的擴張角β 2滿足0°< β 2≤30° ；所述的Laval噴管擴張管B的最小內(nèi)徑為1 50mm，所述的Laval噴管擴張管B的擴張角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，擴張角β6滿足0° <β6≤1°，再度擴張角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超音速旋流分離器，其特征在于所述的擴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步驟步驟一、含濕氣體經(jīng)旋流器進入Laval噴管，氣體隨著Laval噴管收縮管半徑的減小， 以及Laval噴管擴張管A和噴管擴張管B的擴張，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，同時含濕氣體內(nèi)能減小，動能增加，形成低溫低壓，當(dāng)溫度降低至使氣體過飽和時，含濕氣體中的可凝結(jié)物就被冷凝出來，強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)層干氣體流入擴壓器，在擴壓器的收縮段內(nèi)超音速氣流減速增壓，在擴壓器的喉道處速度達到1馬赫到1. 2馬赫之間，小部分氣流由多孔壁排氣孔進入溢流腔中，再由多孔壁的排氣孔進入擴壓器擴張段，氣流由擴壓器喉道進入擴壓器擴張段進一步減速增壓，最后干氣進入輸氣管線，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超音速旋流分離器及其分離方法，該雙喉道自起動超音速旋流分離器包括旋流器、Laval噴管和擴壓分離器，其中擴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)明在擴壓器收縮段和擴壓器擴張段采用多孔壁結(jié)構(gòu)，起到了對擴壓器喉道流通面積的氣動調(diào)節(jié)作用，當(dāng)上游壓力有波動的時候可以實現(xiàn)自調(diào)節(jié)。且本發(fā)明中來自Laval噴管的超聲速氣流在擴壓器的收縮段先壓縮減速，并以稍大于聲速的速度通過擴壓器喉道，然后在擴壓器擴張段以遠低于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。
文檔編號B01D5/00GK102274805SQ20111019537
公開日2011年12月14日 申請日期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 申請人:北京航空航天大學(xué)