[实用新型]一种基于多孔材料的微重力下螺旋式气液分离器

说明书

技术领域

本实用新型涉及一种气液分离器，具体涉及一种基于多孔材料的微重力下螺旋式气液分离器。

背景技术

自上个世纪50年代以来，航天事业蓬勃发展，人类在太空中的活动越来越频繁，航天工业的发展水平已经成为评价一国科研能力的一个重要指标，其中，微重力下的流体管理技术作为航天技术的重要组成部分，受到各国的普遍重视。微重力流体管理技术是指通过对微重力环境中的流体的输运、储存等过程进行控制，从而使某系统能够运行并完成所需要的功能。从工程应用的角度出发，微重力下流体管理技术主要应用于空间飞行器的以下系统中：1)推进剂管理系统：航天器的芯级燃料一般采用高比冲的低温LH₂，LO₂燃料，流体管理技术主要应用于低温流体的储存，运输和加注过程中的流量控制过程。另外，航天器在轨运行时，低温推进剂的增压输送过程，液面晃动的控制等过程也需要该技术；2)物质再生、环境控制与生命保障系统：该系统简称再生环控系统，该环节涉及到航天器内部H₂O，CO₂等的循环，工作环境的温湿度调节，并直接关系到航天员的生命安全，因此是载人航天的关键技术之一。航天器作为一个微型的人造生态环境，内部的气体温度场和流场的分布、温度和湿度的控制、航天器废水等的处理与净化、二氧化碳还原过程、航天服内部的液体的收集与排放等过程都涉及到微重力下的流体管理技术。3)电源及控制系统：燃料电池由于具有高能量密度，不存在过冲等优点，使得其在航天领域具有非常好的应用前景。微重力下水的电解两相流动，传热与传质的规律与地面明显不同，在电极端实现氢气和氧气从水的分离技术也非常的复杂，水作为燃料电池最常见的产物，微重力下的水管理对燃料电池的性能具有重要的影响。4)航天器热控制系统：随着太空研究的逐步深入，所应用的高精端的电子设备的发热量越来越大。由于气液两相流具有很高的传热系数，因此被广泛的应用于微重力下电子器件的热控制领域。对热控制系统内部的工质进行高效的流量、温度、组分等的控制是热控制系统发挥效能的重要前提。

气液分离技术作为流体管理的一个重要组成部分，受到国内外的广泛关注，在常重力下常见的气液分离手段有重力沉降分离法，折流分离法，离心分离法和填充分离法等。这些分离方法按照分离的原理可以分为以下两大类：1)利用组分的密度差进行分离：气相的密度值一般比同种工质的液相密度值要小很多，因此可以利用气相与液相工质的密度差来实现气体与液体的分离，这种分离方法最常用，也最简单。比如重力沉降分离法，离心分离法等；2)利用混合流体中的聚集状态不同进行分离：液体分子的聚集状态与气相分子的聚集状态不同，因此可以利用其聚集状态进行液体与气体的分离，比如半透膜分离法，填充分离法，丝网分离法，微孔分离法等。通常而言，重力沉降分离法的分离性能相对较低，当系统所需要的气液分离程度要求较高时，可以选择折流分离法，离心分离法，甚至是丝网分离法和微孔分离法等。

以上所提到的气液分离方法在常重力下能够很好的实现气液的分离，而在微重力环境下却不能直接的利用，主要是因为微重力环境下的气液流动与常重力下具有明显不同的特征。在微重力环境下，由重力引起的浮力对气泡的影响几乎消失，一些表面力(如表面张力和热毛细力等)的作用显著增强，由此引起的润湿、接触角滞后、热毛细对流等物理现象主导相变换热的整个过程。但由于表面力的数量级很小，因此相变过程中产生的气泡从加热表面的脱离变得困难。一般而言，微重力下相变过程中产生气泡的直径为常重力同等条件下的数倍。对于微重力环境中的气液两相流流型也有同样的规律，浮力的消失使得液相与气相相互混合在一起，而不出现分层。因此在微重力环境下不能依靠重力的作用实现气液分离，必须有针对性的设计其气液分离器结构。