[发明专利]超声涡管离心气液分离器

说明书

技术领域：属于膨胀制冷高速离心气液分离设备。

背景技术：涡流管制冷，供热是法国人兰克1933年提出的，到1947年才得到应用，由于制冷效率低，经济性差故应用很不普遍。1984年美国专利号4458494《在离心气液分离器内阻止液体蒸发》使涡流管成为更加有用的装置，它有助于许多新工艺的应用，它和国外大多数开创性发明一样，保留了一部分关键“技术秘密”，或者如美国《世界石油》86年第7期所述，“有许多问题留待开发中解决”。

涡流管高速离心气液分离器，可使膨胀致冷和相分离合为一体，被称为极大重力法(Maxigee)的涡流管气液分离新技术。它利用混合气体压力能，在弯道形截面积渐缩喷嘴出口，气流速度W达到声速a，马赫数M＝W/a＝1，马赫数M＝1的气流，以一定半径与切向式喷嘴气液分离区的外缘圆周相切，马赫数M＝1的声速气流在气液分离区的内壁，产生了高速度旋转，在喷口处可达超声速，马赫数M≌1.2，声速气流产生的离心加速度，离心力可达地球引力的几百万倍，在极大的离心力区域，气液分离作用更接近于靠比重而不是相分离，即离心分离效应比相分离效应大几倍，在极大的离心力区域里，露点与在地球重力的情况不同，更接近要分离液体的沸点，涡管内的气液分离恰好在气液界面进行，涡管在浅冷温度下分离的效果与在深冷温度-80～-90℃低温相分离的透平膨胀机相当。

工艺流程数据，进口压力3.87～7.0MPa；出口压力0.8～1.0MPa，压比1：4.8～1：7；但压比大于1：2.5后，离心加速度和离心力不再增加，即最大马赫数M≌1.2；当冷流出口引出45～55％冷流时，冷流出口温度最低，这就是说本来很低的制冷效率，仅有1/2的制冷量。因此提出还有待做更多的试验来找出离心加速度，离心力、分离效率之间的关系，因此有必要变更涡流管结构设计相关数据，通过实验了解涡流管内复杂的空气动力学现象。

为了避免激波熵增和激波后气流速度变的更低，只能采用弯道形截面积渐缩声速喷嘴结构，采用了航天领域所熟悉的切向式喷嘴结构气液分离区，马赫数M＝1的声速气流沿切线方向进入旋转室，自由涡流的旋转质量愈向中心角速度愈大，于涡流室沿半径方向形成了不同角速度的气流层，由于气流层之间摩擦，内层的角速度要降低，而外层的角速度要提高，因而内层气流层便将一部分动能传递给外层，涡流室中心部分的气体温度变低，外层温度变高，当气液分离区喷口直径等于0.6D涡管直径时，制冷效率最高，当喷口直径小于0.6D涡管直径时，冷流出口和热流出口温度同时上升，制冷效率下降。因此不能采用减小喷口直径的方法来提高离心加速度，离心力和制冷效率。

美国专利号4458494对气液分离之目的和效果进行了详细的描述，对于该发明最主要的核心技术特征反而没有充分公开，其原因是申请专利时，没有详细分析和实验，也可能是有意无意的保留最主要的核心技术秘密。该发明采用液体火箭切向式喷嘴气液分离区结构，它的狭窄环槽液体出口设置在切向式喷嘴离心气液分离区喷口之外。液体质点从喷口出来后，就失去了壁面反作用力的向心力，于是沿着直线轨迹飞散，形成雾化锥，液体应当穿过狭窄槽进入环形槽液体出口，虽然离心切向式喷嘴具有较大的雾化锥角(70°～120°)但是雾化锥角取决于旋转速度W，液体旋转速度从15米/秒增加至40米/秒，速度W增加25米/秒，雾化锥角减少50°，液体旋转速度愈大，雾化锥角愈小，气体声速a以200米/秒计，则雾化锥角近似零度，狭窄环形槽液体出口的两个边相等，一部或大部分液体被高速旋转气流携带至下游5～10涡管直径处湍流温度高的区域蒸发掉，达不到《在离心气液分离器内阻止液体蒸发》之目的，不能实现“完美的分离、不能有液体被气体带走、不能有气体混入液体”的效果。

发明内容：本专利涉及涡流管高速离心气液分离区改造，在气液分离区进口区域提供的普朗特__迈耶简单膨胀波和集中膨胀波，将现有技术气流速度马赫数M≌1.2提高到与工艺流程压比相对应的马赫数M≥1.69，达到大幅度提高离心加速度。离心力和制冷效率之目的，从而达到适应原料气组分、压力和膨胀比的能力都很强的效果，可在较宽的原料气组分、压力和膨胀比的范围内，保障气液离心分离所需足够低的温度；提供的普朗特__迈耶等熵压缩流动分离结构，可使液体增压复热除去液体中的气体；设置在气液分离区喷口以内的狭窄环槽液体出口，不受气流速度W影响，保障回收全部合格液体，从而实现完美的分离，保障液体不被高速旋转气体带至下游湍流热区蒸发掉。

附图说明：图1是离心气液分离区高速旋转气流流动轨迹示意图。