（热能工程专业论文）多孔结构联箱中气液分离过程的数值模拟.pdf

摘要 摘要 节能减排，提高能源利用效率对缓解当下同益严峻的能源问题具有重要意 义，提高用能设备效率是有效实现节能减排的一条重要途径。彭晓峰提出一种强 化管内冷凝换热的新方法，即通过排除冷凝过程产生的冷凝液，提高工质平均干 度，实现换热系数的提升。 本文对分液冷凝器中气液分离过程的技术原理进行了研究。主要考察了分液 冷凝器联箱结构对气液分离特性和流量分配的控制作用。通过建立分液联箱中气 液两相稳定流动过程的理论模型，发现了液相工质在多孔隔板中流动的物理机 制；模拟研究了气液两相流在单支管分液联箱中的非稳态气液分离过程，揭示了 多孔隔板结构( 孔径和多孔组合方式) 和进口工况对气液分离特性的影响。最后 模拟计算了气液分离隔板对多支管联箱中气相的分配特性的影响。主要工作如 下： 1 考察了稳定流动过程中，气液两相在分液联箱中气液分离特性，发现多孔隔 板中液相受到隔板上下压力、重力、流动阻力和毛细作用力的作用，它们是 影响漏液量大小的主要因素，由此建立了联箱中液相工质流动的数学模型。 考察了一定入口条件( 流量g = 4 8 9 s 和干度x = 0 4 ) 时，多孔隔板上的孔数 与孔径对气液分离效果的影响，发现孔数在1 - - 9 ，孑l 径在0 5 4 m m 范围内 能实现气液分离。 2 考察了非稳态流动过程中，单支管联箱中分液隔板的结构对气液分离特性的 作用。在入1 3 流量为5 5 9 s ，入口干度为o 3 时，漏液量百分比和出口干度 随孔径的增大而增大。当孔径增大到4 m m 时，液膜被穿破导致气液分离失 效。研究发现，在多孔隔板流通面积相同情形下，孔径组合方式不同，气液 分离效果大相径庭，分液隔板上直径小的d , ：f l 数量越多，漏液量百分比更小。 在所比较的几种结构组合中，结构4 的出口干度及多孔隔板漏液量最大，是 一个优化的多孔隔板结构。 3 选取优化的多孔隔板结构进行变工况计算，发现入口流量一定时( 5 5 s ) ， 入口干度较小时，漏液量百分比和出口干度随着入口干度的增加出现增加， 在干度为o 2 5 时漏液量达到最大2 3 e , s 。但如果干度继续增加，液膜就会被 击穿，气液分离失效。该联箱在入口干度一定时( o 3 ) ，流量越小，漏液量 广东工业大学硕士学位论丈 百分比和出口干度越大，气液分离效果越好，但当流量小于2 5 9 s 或者大于 9 5 9 s 时，液膜都被破坏，组合方式4 的多孔隔板对气液分离不起作用。 4 对多支管联箱内流量分配特性的模拟结果显示：在入口流量( 3 o g s ) 和干 度( 0 3 ) 一定时，带液情形的出口气相分配均匀性较差，三根支管内的气体 流量分别偏离平均流量2 0 、1 3 和4 0 ；气液分离效果较好时，出口气相 的流量分别偏离平均流量4 3 、0 和7 7 。底部液膜穿破情形的出口气相分 配均匀性最好，三根支管内的气体流量分别偏离平均流量6 7 、1 0 和2 3 ： 由此可见，气液分离的效果与流量分配均匀性没有直接的关系，有待进一步 研究。 关键词：多孔隔板；气液分离：数值模拟；干度；漏液百分比；孔径 i i a b s t r a c t a b s t r a c t e n e r g yc o n s e r v a t i o na n de m i s s i o nr e d u c t i o n ，l i f t i n ge n e r g ye f f i c i e n ti sv e r yi m - p o r t a n tf o rf i v ee n e r g yp r o b l e m n o wb o o s t i n gt h ee q u i p m e n te f f i c i e n c yi sa ne f f e c - t i v em e t h o df o re n e r g yc o n s e r v a t i o na n de m i s s i o nr e d u c t i o n p e n gx i a of e n gr a i s e sa n e wm e t h o dt h a tc a nd r a i nt h ec o n d e n s e dl i q u i dd u r i n gc o n d e n s a t i o np r o c e s s w ec a n i m p r o v eh e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n tb yr a i s i n gt h em e a nq u a l i t yu s i n gt h i sm e t h o d i nt h i sp a p e rw ea n a l y z et h ep r i n c i p l eo fl i q u i dv a p o rs e p a r a t i o ni nl i q u i ds e p a r a t i o nc o n d e n s e r m a i n l yr e s e a r c ht h ec o n t r o le f f e c t so fm a n i f o l d so nl i q u i dv a p o rs e p a - r a t i o nc h a r a c t e ra n dm a s sf l o wd i s t r i b u t i o n w ed i s c o v e rt h el i q u i df l o wp h y s i c a lm e - c h a n i s mi np o r o u sp l a t eb ye s t a b l i s h i n gt h es t e a d yt w op h a s ef l o wm a t h e m a t i c a lm o d e 1 s i m u l a t et h eu n s t e a d yl i q u i dv a p o rs e p a r a t i o n , a n dr e v e a lt h ee f f e c t so fp o r o u s p l a t es t r u c t u r ea n di n l e tc o n d i t i o no nl i q u i dv a p o rs e p a r a t i o n a tl a s t ，s i m u l a t et h ee f - f e c t so f p o r o u sp l a t eo ng a sd i s t r i b u t i o n t h em a i n w o r k sa sf o l l o w s ： 1 a n a l y z et h es t e a d yf l o wp r o c e s sa n dl i q u i dv a p o rs e p a r a t i o nf e a t u r e ，w ed i s - c o v e rt h a tp r e s s u r e ，g r a v i t yf r i c t i o ns t r e s sa n dc a p i l l a r yf u n c t i o nd e t e r m i n e t h el e a k a g eq u a n t k w ee s t a b l i s ht h el i q u i df l o wm a t h e m a t i c a lm o d e li n m a n i f o l d s w r ed i s c o v e rt h a tt h eh o l en u m b e ri sa b o u t1 - 9a n dd i a m e t e ri s a b o u to 5 4 m mc a nr e a l i z et h el i q u i dv a p o rs e p a r a t i o nw h e ni n l e tn l a s sf l o w i s4 8 9 sa n dq u a l i t yi s0 4 2 i n v e s t i g a t et h ee f f e c to fp o r o u sp l a t es t r u c t u r eo nl i q u i dv a p o rs e p a r a t i o n i n u n s t e a d yf l o wp r o c e s s t h er e s u l t ss h o wt h a tl e a k a g ep e r c e n t a g ea n do u t l e t q u a l i t yi n c r e a s e da sh o l ed i a m e t e ri n c r e a s e dw h e nt h ei n l e tr n a s sf l o wi s 5 5 9 s ，a n dq u a l i t yi s0 3 h o w e v e r , t h el i q u i df i l mi sd a m a g e dr e s u l ti nt h e s e p a r a t i o nf a i l u r ew h e n t h eh o l eb e c o m e s4 m m u n d e rt h es a m ec i r c u l a t i o n r a t e ，d i f f e r e n tc o m b i n a t i o nc a nr e s u l ti nd i f f e r e n ts e p a r a t i o ne f f e c t a m o n g t h ec o m b i n a t i o n ，c o m b i n a t i o n4s h o w st h eb i g g e s to u t l e tq u a l i t ya n dl e a k a g e t h i ss t r u c t u r ei st h eb e s ts t r u c t u r ea m o n gt h e m 3 b a s e do na b o v e ，w ef o c u so nt h ec o m b i n a t i o n4a n di n v e s t i g a t et h ee f f e c t so f c o n d i t i o no np o r o u sp l a t el i q u i dv a p o rs e p a r a t i o n t h er e s u l t ss h o wt h a tl e a - i i i 广东工业大学硕士学位论文 k a g ep e r c e n t a g ea n do u t l e tq u a l i t yi n c r e a s e da si n l e tq u a l i t yi n c r e a s e dw h e n t h ei n l e tm a s sf l o wi s5 5 9 su n d e rt h el o wi n l e tq u a l i t y t h eb i g g e s tl e a k a g e i s2 3 9 sa tt h ei n l e tq u a l i t y0 2 5 h o w e v e r , t h el i q u i dv a p o rs e p a r a t i o ni s f a i l u r eu n d e rt h ei n l e tq u a l i t y0 5 t h el e a k a g ep e r c e n t a g ea n do u t l e tq u a l i t y b e c o m eb i g g e rs h o w i n gt h eb e t t e rs e p a r a t i o ne f f e c ta si n l e tm a s sf l o wd e - c r e i t s ew h e nt h ei n l e tq u a l i t yi s0 3 h o w e v e r , t h el i q u i df i l md a m a g e dw h e n t h em a s sf l o wl e s st h a n5 2 9 so rl a r g e rt h a n9 5 9 s 4 s i m u l a t et h ed i s t r i b u t i o nc h a r a c t e ri nm a n i f o l d s t h er e s u l t ss h o wt h a tf o r b r i n g i n gt h el i q u i dc a s e ，t h eg a sm a s sf l o wi ne v e r yb r a n c hd e v i a t et h em e a n m a s sf l o wi s2 0 ，13 a n d4 0 f o rt h eb e s tl i q u i dv a p o rs e p a r a t i o nc a s e ， t h eg a sm a s sf l o wi ne v e r yb r a n c hi s4 3 ，0a n d7 7 f o rt h el i q u i df i l m d a m a g e dc a s e ，t h eg a sm a s sf l o wi ne v e r yb r a n c hd e v i a t et h em e a nm a s s f l o wi s6 7 ，10 a n d2 3 t h u si tc a nb es e e nt h a tt h el i q u i dv a p o rs e p a - r a t i o na n dm a s sf l o wu n i f o r m i t yd o n th a v ed i r e c tr e l a t i o n s h i p ，s on e e d s m o v es t u d y k e yw o r d s ：p o r o u sp l a t e ；l i q u i dv a p o rs e p a r a t i o n ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ；q u a l i t y ；l e a - k a g ep e r c e n t a g e ；h o l ed i a m e t e r i v c o n t e n t s a b s t r a c t ( c h i n e s e ) a b s t r a c t ( e n g l i s h ) c o n t e n t s ( c h i n e s e ) c o n t e n t s ( e n g l i s h ) c o n t e n t s i i i c h a p t e r li n t r o d u c t i o n v l 1 1 1r e s e a r c hp u r p o s ea n ds i g n i f i c a n t 1 1 1 1e n e r g ys a v i n gb a c k g r o u d 1 1 1 2 t h ec o n d e n s e ra p p l i c a t i o ni nt h e r m a ls y s t e m 1 1 1 3 t h em e t h o da n da p p l i c a t i o no fc o n d e n s i n gh e a tt r a n s f e re n h a n c e m e n t 1 1 1 4 t h ei n t r o d u c t i o no fl i q u i ds e p a r a t i o nc o n d e n s i n gh e a tt r a n s f e re n h a n c m e n t 3 1 2 t h ed e v e l o p m e n to fl i q u i dv a p o rs e p a r a t i o n 5 1 2 1t h ed e v e l o p m e n to fg r a v i t a t i o n a lf i e l df l o wf r a c t i o n a t i o n 5 1 2 2t h ed e v e l o p m e n to fl i q u i dv a p o rs e p a r a t i o nb yc a p i l l a r yf u n c t i o n 7 1 3t h ed e v e l o p m e n to f p a r a l l e lf l o wd i s t r i b u t i o n 9 1 4r e s e r a c hc o n t e n t sa n dt o p i cs o u r c e 1i c h a p t e rt w ot h ep r i c i p l eo fl i q u i dv a p o rs e p a r a t i o n 1 3 2 1t h ew o r k i n gp r i n c i p l ea n ds t r u c t u r eo fl i q u i ds e p a r a t i o nc o n d e n s e r 。13 2 2t h e p r i n c i p l eo fl i q u i dv a p o rs e p a r a t i o n 。1 4 2 3t h ea n a l y s i so fl i q u i df l o wm a t h e m a t i c a lm o d e li np o r o u sp l a t e 。15 2 3 1p r e s s u r em o d e l 1 6 2 3 2c a p i l l a r yp r e s s u r ep 。17 2 3 3f r i c t i o ns t r e s s f 1 7 2 3 4r e s u l t sa n da n a l y s i s 18 2 4c h a p t e rc o n c l u s i o n 19 c h a p t e rt h r e et h en u m e r i c a ls i m u l a r i o no fl i q u i d v a p o r s e p a rp 汀i o ni no n eb r a n c hm a n i f o l d 2 0 3 1m o d e la n dn u m e r i c a lm e t h o d 2 0 3 1 1v o fm o d e l 2 0 v i t 广东工业大学硕士学位论丈 ：；1 2p h y s i c a lm o d e l a n dh y p o t h e s i s e s 2 2 ： 1 3m a t h e m a t i c a lm o d e la n db o u n d a r yc o n d i t i o n s 2 2 ：；1 4n u m e r i c a ls i m u l a t i o nm e t h o d 2 4 3 2t h er e s u l t sa n da n a l y s i so f n u m e r i c a ls i m u l a t i o n 2 4 3 2 1m o d e lv a l i d a t i o na n dg r i di n d e p e n d e n t 2 4 3 2 2s t a n d a r do f l i q u i dv a p o rs e p a r a t i o n 2 6 3 2 3t h ei n f l u e n c eo f h o l ed i a m e t e rt ol i q u i dv a p o rs e p a r a t i o n 2 7 3 2 4t h ei n f l u e n c eo f h o l ec o m b i n a t i o nt ol i q u i dv a p o r s e p a r a t i o n 3 4 3 2 5t h ei n f l u e n c eo f i n l e tq u a l i t yt ol i q u i dv a p o rs e p a r a t i o n 4 1 3 2 6t h ei n f l u e n c eo fi n l e tm a s sf l o wt ol i q u i dv a p o rs e p a r a t i o n 4 9 3 3c h a p t e rc o n c l u s i o n 5 6 c h a p t e rf o u rt h en u m e r i c a ls i m u l a t i o no fl i q u i dv a p o rs e p a r a t i o n a n dd i s t r i b u t i o ni nm a n i f o l d s 4 1m o d e la n dn u m e r i c a lm e t h o d 5 7 4 1 1p h y s i c a lm o d e la n dh y p o t h e s i s e s 5 7 4 1 2m a t h e m a t i c a lm o d e la n db o u n d a r yc o n d i t i o n s 5 7 4 2t h er e s u l t sa n da n a l y s i so fn u m e r i c a ls i m u l a t i o n 5 9 4 2 1g r i di n d e p e n d e n t 5 9 4 2 2s t a n d a r do fd i s t r i b u t i o n 6 0 4 2 3t h ei n f l u e n c eo f p o r o u sp l a t et ol i q u i dv a p o rs e p a r a t i o na n dd i s t r i b u t i o n 6 0 4 3c h a p t e rc o n c l u s i o n 6 7 c o n c l u s i o na n dl o o k i n g 。 r e f e i 冱n e c s p u b l i c a r i o nd u r i n gt h es t u d yf o rm a s t e rd e g r e e s 仉叮e me _ n to fo 对g i n a l i t y a c k n 0 兄e d g e m e n t s v i i i 7 0 7 6 7 7 7 8 第一章绪论 第一章绪论 1 1 研究目的及意义 1 1 1 节能的背景 近年来，由于能源消耗巨大，环境压力日益增强，节能减排和发展新能源已 成为全世界的共识。我国是能源资源严重短缺的国家，石油、天然气人均剩余可 采储量仅有世界平均水平的7 7 和7 1 ，储存量比较丰富的煤炭也只有世界平 均水平的5 8 6 。另一方面，能源利用率低，我国能源利用效率只有3 3 ，比国 际先进水平低1 0 个百分点左右；2 0 0 3 年单位国内生产总值能耗是世界平均水平的 3 1 倒1 1 。面对如此严峻形势，国家对节能减排提出了更高的要求和目标。这些目 标对强化换热技术提出了更高的要求。 1 1 2 冷凝器在热力系统中的作用 在能源利用中，提高用能设备的能源利用效率是实现节能的有效途径之一， 对用能设备进行强化换热和节能技术的研究是从质的角度开发节能降耗技术，减 少能源的消耗，缓解能源短缺问题的重要措施。换热器是化工、石油、能源、动 力、冶金等工业部门中应用相当广泛的用能设备。据统计，在化学工业中，所用 换热器的投资大约占设备总投资的3 0 左右；在炼油厂中，换热器占全部工艺设 备的4 0 左右；在热电厂换热器的投资约占整个电厂总投资的7 0 左右【2 1 。 1 1 3 冷凝传热强化的方法及应用 强化换热的基本途径有三个，提高传热系数、扩展传热面积、加大传热温差。 由于扩展换热面积和加大换热温差常常受到一定条件的限制，因此提高换热系数 成为强化传热技术研究的焦点【3 羽。 传统管内冷凝式换热器，在管内从进口过热或饱和蒸汽一直冷凝至出口的饱 和或过冷流体。在单一管内凝结换热过程中，一定进口长度内可保持很高凝结换 热系数，随着冷凝的进行壁面凝结液逐步增加，随后成膜阻碍了蒸汽与壁面的接 触，是凝结换热主要热阻；随后逐步形成复杂两相流，冷凝效果恶化同时，也带 来了流动失稳或产生震荡，明显增大流动阻力，影响系统运行稳定性和调控等； 外管壁温度下降，导致管外肋片利用率或传热能力下降。空冷冷凝器需以加大换 热面积来满足换热量要求，体积、重量较大，制作和运行成本高。 广东5 - _ i k 大学硕士学位论文 凝结换热的形式多样，实际应用和运行非常复杂，许多因素，诸如冷凝液膜 的流动状态，蒸汽及冷却剂的流动方向，蒸汽流速等都将对换热产生很大的影响。 工业上遇到的凝结方式通常是膜状凝结，当冷凝面为凝结液膜覆盖时，传热热阻 主要取决于液膜的厚度。因此，强化凝结换热的主要措施就是疏导凝结液的排泄， 减薄液膜的厚度，这一般都是通过改变冷凝换热表面的形状来实现。常见的强化 换热管结构有：内螺纹管、人字型槽管等。s p e t h k o o l l 7 母1 等实验研究了各种类型 螺旋波纹管在不同雷诺数，不同普朗特数下的换热特性，发现不同结构的换热管 对冷凝液都起到了扰动的效果，这些强化换热结构在一定程度上都起到了强化换 热的效果。但是这些强化换热管基本都会增大流动的阻力【1 0 1 。凝结传热的另外 一种方式是珠状凝结，由于珠状凝结是在换热表面形成一个个液滴而不是液膜， 因此相对与膜状凝结有明显的优势。伦宁、孙红杰等【1 1 】对具有研究珠状凝结性能 的表面改性钢管的成分分析和换热特性。黄渭堂、刘锋、照日格图等人1 1 2 】对波 槽管管外珠状凝结换热进行了探索性研究，由于其比较难实现，人们的研究，尤 其是应用在强化换热器上的研究还比较少。 对于管外冷凝的情况，如果冷凝管是竖直放置的，凝结液在重力作用下向下 排泄，沿途液膜不断增厚，使管子下部的凝结换热恶化，而对竖直安放这方面的 问题就更严重得多。1 9 5 4 年德国人最早采用测向波浪形状表面来强化竖直壁上的 凝结换热，以后发展起来的纵向圆肋或金属挂线、矩形肋、各种纵槽或螺纹槽都 是这一技术的演变，其基本原理是在表面张力的作用下，凝结液膜流向肋槽的谷 底，使波峰和凸出部分的液膜变薄，沟槽处的冷凝液将沿着通过沟槽排除。这种 措施的主要影响因素在于管长、排液方式和凝结的热负荷。冷凝管水平放置时， 冷凝液主要集中在管子底部，强化水平管的凝结换热除增大凝结面积外，增大凝 结液的滴落效果也是一项有效的措施，目前已有的方法主要有：在水平管外加装 低翅片或螺旋翅片，开螺旋槽等。对于管内凝结，由于受汽液两相流的影响，问 题要复杂得多。目前，水平管内凝结换热强化主要借助于内翅表面、内槽表面、 粗糙表面以及机械插入物来实现。内翅管或者内槽管一方面能够较好的及时排泄 凝结液，同时管内底部的凝结液膜容易受到上部的翅片或槽道的扰动作用，使汽 液界面产生波纹，这对凝结换热的强化是有用利的。下图是几种强化换热管的 结构。 第一章绪论 低翅管 锯翅管斜翅管 图1 1 凝结强化管 f i g 1 1c o n d e n s a t es t r e n g t h e nt u b e 以上介绍过的强化换热的方法都有共同的技术瓶颈，那就是在强化换热的同 时，流体的流动阻力也大大的增加。因此，如何在增强换热的同时，又保证流动 阻力的稳定，一直是研究的热点。 1 1 4 分液冷凝强化换热方法简介 针对上述描述中强化换热的同时流动阻力增加的问题，本文提出了分液冷凝 强化换热的思想，能在强化换热的同时还能保证压降的稳定。传统空冷式汽液相 变换热器多采用蛇形管流程，依靠空气在管外对流换热，工质流体在管内冷凝或 蒸发。管内凝结换热中，随着冷凝的进行，壁面凝结液逐步增加，随后成膜阻碍 蒸汽与壁面的接触，是凝结换热的主要热阻所在1 3 】。凝结过程中液膜逐渐增厚， 在以后相当长的管内是液体逐步增多的复杂两相流，热阻逐渐增加，冷凝效果严 重变差；同时随着蒸汽的凝结，蒸汽量逐渐降低，管内蒸汽流速明显下降，凝结 效果急剧退化，换热系数减少，换热过程如图1 2 所示。可见冷凝液的增加对冷凝 相变换热有削弱作用，是导致换热器换热能力减弱的因素之一。因此如何有效的 分离凝结液是提高换热器换热能力的有效措施之一。 图1 2 冷凝换热过程简图 f i g 1 2as c h e m eo f c o n d e n s a t i o nh e a tt r a n s f e r 基于此，通过采用全新的强化技术思路和设计理念，提出分段冷凝、中间排 液的技术原理，清华大学彭晓峰6 3 彤1 提出，采用气液分离器巧妙地将冷凝过程产 生的冷凝液排出管内流程，将少液膜热阻，使气相工质能充分与换热管接触换热。 使换热过程如图1 3 所示 广东工业大学硕士学位论文 图1 3 分液冷凝换热过程 f i g 1 3as c h e m eo fl i q u i ds e p a r a t i o nc o n d e n s a t i o nh e a tt r a n s f e r 无疑管内将会一直保持很高的凝结换热系数，流体也会保持比较小的流阻。分液 冷凝机理就是根据这一理论，通过排气阻液体技术使流体在换热器内流动换热时 不断地将冷凝液排走，一直保持管内高效换热的。 运用上述思想设计如下分液冷凝器如图1 4 所示。冷凝段为平行流结构，管 程分为多个流程，从压缩机出来的过热蒸汽从左侧进入换热器，由于左侧联箱的 第一个隔板不开孔，气体全部进入平行换热管进行冷凝换热，变成两相流进入右 侧联箱，在右侧联箱中由于隔板上有孔，受重力作用，密度大的液相会从小孔中 流到下一截联箱中，按图中竖直箭头方向流动。孔径的大小将起到调节液相流速 的作用，来不及排出的液态工质将在隔板表面形成一定厚度的液膜，阻止汽相工 质穿过。汽相工质转弯进入下一流程的水平换热管中，按图中水平箭头方向流动。 这样就实现了保持换热管中制冷剂的高干度，从而达到提高换热能力的效果。过 冷区采用蛇形管，实现工质一定的过冷度。在整个过程中换热管内制冷剂的流量 分配对换热效果也有着重要影响。 图1 - 4 分液冷凝器结构 f i g 1 4s t r u c t u r eo fl i q u i ds e p a r a t i o nc o n d e n s e r 综上所述分液冷凝技术与传统的强化换热方式有明显的优势，整体改善了冷 凝器性能。分液冷凝器中气液分离和流量分配对换热器的性能有着重要影响，因 4 司圆 第一章绪论 此针对分液冷凝器中气液分离过程和流量分配特性的研究意义是不言而喻的。 1 2 气液分离研究进展 目前工程上主要运用的分离方法包括重力分离、惯性分离、离心分离、过滤 式分离、膜分离和毛细分离等大量学者对气液分离进行了实验和数值模拟方面的 研究 1 4 - 1 9 】。 重力分离：重力沉降是应用最为普通的分离机理，主要用来分离较大的液滴， 依靠其自身重力作用达到分离的目的。 惯性分离：任何运动的物体都具有保持其运动方向的特性。当流体流向发生 改变时，质量密度大的液滴具有比较大的惯性，就会保持原来的运动方向，与器 壁碰撞，使液滴从气流中分离出来，如曲择叶片式分离器。但是，要除去更小的 液滴，需要更多次改变流向，且效果不是很明显。 离心分离：离心分离是利用两相密度的不同，使高速旋转的非均相体系产生 不同的离心力，从而实现分离的一种方法。由于离心设备可以达到非常高的转速， 产生高达几百倍重力的离心力，因此离心设备可以较为彻底地实现气液分离。 过滤式分离：利用液体碰撞、粘附、凝聚的原理，在分离器壁面上形成水膜 流下进行气液分离。其中分离机理复杂，主要有拦截和扩散作用。拦截分离：一 定直径的液滴随气流运动到拦截物表面或侧面附近，与拦截物相碰撞而被捕集； 扩散分离：这种分离方法使用于分离特别小的液滴，一般液滴直径小于l 微米， 此类颗粒主要受布朗运动的影响，如纤维丝。 膜分离：是利用一张特殊制造的、具有选择透过性能的薄膜，在外力推动下 对液相或气相混合物内的不同成分进行分离、提纯、浓缩的先进加工技术。 毛细分离：液体水会在亲水材料表面铺展，用亲水材料做成多孔结构，此多孔 结构就像由很多毛细管组成一样，将成为液体水的专用通道同理憎水材料做成的 多孔结构将成为气体的专用通道这样利用材料的亲水憎水特性实现气液分离。 1 2 1 重力气液分离研究进展 重力场流分离技术( g r a v i t a t i o n a lf i e l df l o wf r a c t i o n a t i o n ，g f f f ) 是2 0 世纪 6 0 年代由j c g i d d i n g s 博士提出的。这种分离技术具有低成本、高效率、应用广 等诸多优点，因此受到广泛关注【2 0 1 。目前重力场分离技术在很多领域取得了突 破性进展：在物理化学领域；在生命科学领域；在流体力学理论研究方面；在物 广东工业大学硕士学位论丈 质元素的生成领域；在加工制造业中；在分析化学领域；在医学领域几乎都运用 到重力场分离技术。 关于重力场分离特点的研究及应用都很广泛。l a m b r o sf a r m a k i se ta l l 2 1 1 应用 重力场分离技术中的空间洗提模式研究了酵母菌在小麦淀粉粒作为媒介情况下 的生长率。d m e l u c c i 和m g u a r d i g l i p 2 】利用重力场分离技术对p s 颗粒和 h r p ( h o r s e r a d i s hp e r o x i d a s e ) 模型进行了模拟免疫测定，并指出利用重力分离技术 能够快速、低价地测出混合样本中自由和被束缚酶的质量比，这说明重力场分离 技术在生物免疫测定领域的应用价值。h y o n s o oa h n 等【2 3 1 对在微重力情况下离心 力对气液分离现象的影响进行了实验研究，发现入口管越小，入口液相速度越大， 气泡越大的情况下气液分离效果越好。在高的液相速度下入口管径和气泡大小对 分离影响不大。r c h a n t i w a s l 2 4 】对矿物混合物在重力场分离特点进行了实验研究， 发现直径为5 微米和1 0 微米的s i 0 2 颗粒能较容易的从混合物中分离出来。实验过 程中应用紫外探测器检测了s i 0 2 颗粒的分离时间。 液滴在重力场中的运动特性是重力分离机理研究的重要方面，揭示了液滴的 运动规律，就可以从原理上分析重力场分离的特点。吴匾，蔡杰，李铁1 2 5 1 等对 洗涤冷却室气液分离空间内液滴重力分离过程进行了数值模拟研究。在 e u l e r - l a g r a n g e 三维坐标系下，建立了液滴重力分离模型。考察了气液分离空间 高度、气流速度以及液滴初始速度对液滴分离效率的影响。发现液滴在飞溅进入 气液分离空间后由于重力、拽力作用作减速运动，越小尺寸液滴的减速越明显； 在相同液滴初速度以及相同气液分离空间高度下，气相流速对分离效率影响较 大，随着气流速度的降低，液滴的分离效率增大；当气液分离空间高度的达到 0 4 5 m 时，液滴的分离效率趋于稳定；随着液滴初始速度的提高，获得最大液滴 分离效率所需的气液分离空间高度增加。王亦飞等【2 6 l 对洗涤冷却室内的带液问 题进行了实验研究，通过搭建实验台测定了洗涤冷却室内不同操作条件下气体的 带液量。x i eh a i y a n , y u a nz h u l i n t 27 噪用三维数值模拟方法讨论了德士古气化炉激 冷室内合成气穿越液池过程中带水问题的内在机理，利用v o f 模型模拟了合成 气穿越液池过程并分析其流动特性，对上气流速度，上升管和下降管之间的问隙 以及液膜流速对带液量的影响进行了考察，发现在液膜流速为1 5 m s 时，气流的 带液量随着两管间隙的增加而减少；在间隙为0 1 2 m ，液膜流速为1 5 m s 时，带 液量随着气流速度的增大而增大；在两管间隙为0 1 2 m 和气流速度为3 m s 时， 6 第一章绪论 随着液膜流速的增大液相分离量先减小后增大。把液滴从气相空间中分离出来是 利用重力场分离的重要应用方面，d o n g b e iy u ee ta 1 【2 8 】运用重力分离模型对浸没 燃烧蒸发器内液滴在气相空间内的运动特性及分离特性进行了研究，详细讨论了 重力分离空间高度，气相流速对分离效率的影响，发现所有的液滴进入气流后流 动速度都减小了，在的得到最大分离效率之后增大分离空间的高度对分离效率的 影响不大，在相同分离高度的情况下分离效率随着气相流速的增大而减小，不同 气流速度下的最大分离效率是一样的。 重力分离在石油勘探领域应用也很广泛，杨勤等1 2 9 】运用c f d 数值模拟方法， 采用多相流模型中欧拉欧拉的p a r t i c a l 模型对重力式气液分离器的内部流场进行 了模拟分析，发现所采用多相流欧拉欧拉模型和边界条件得出的模拟结果能比较 好的与实验结果吻合较好。模拟结果显示流量为1 5 l s 时，除气效率是最高的。 液相粘度较大时，除气效率相对较低。随着气泡直径的增大除气效率明显提高。 混合物密度对除气效率影响不是很大。刘孝光，徐建，冯进【3 0 】从多相流最一般 的描述方法出发，对钻井液重力式气液分离器内的气气侵钻井液进行了合理的简 化，从微观角度对重力分离器内部混合液的气泡运动机理进行了探讨。发现影响 气液分离性能的结构因素主要为斜板安装角度，混合液因素主要为气泡直径及钻 井液的粘度，处理量及气液两相的密度差对分离器性能影响比较小。 综上所述把重力式分离技术运用到联箱结构中的研究还比较少。 1 2 2 毛细作用气液分离研究进展 毛细作用源于微观分子间力的作用，而又表现为宏观肉眼可见的现象，因此 它跨越的尺度很大。传统的毛细理论多是基于宏观唯象学的研究。如热力学理论， 能量理论，流体力学理论。出于毛细作用本身涉及气，液，固三种相，同时又以 表面，界面作用为主。因此对界面分子间作用力原理，表面张力的了解对表面流 动机理的探究显得尤为重要。毛细的概念源于毛细血管。阿拉伯科学家、生理学 家i b n a l n a r i s ( 伊本纳菲斯) ( 1 2 1 3 1 2 8 8 年) 于1 3 世纪首次提出静脉通过毛细 循环来获得肺动脉中的养分。尽管毛细的概念在1 3 世纪初就已提出，但直到1 8 世纪人们才开始理论地研究毛细作用。在众多学者对毛细现象进行了理论研究过 程中，其中影响最大的莫过于t h o m a sy o u n g 他的一系列研究成果，对表面科学， 毛细运动都有着深远的影响