李 華 尹俊連 張 寧 錢(qián) 淵 劉 衛(wèi)

不同背壓下旋流式氣液分離器工作特性

李 華1,2尹俊連3張 寧1,2錢(qián) 淵1,2劉 衛(wèi)1,2

1（中國(guó)科學(xué)院上海應(yīng)用物理研究所 嘉定園區(qū) 上海 201800）
2（中國(guó)科學(xué)院核輻射與核能技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 上海 201800）
3（上海交通大學(xué) 機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院 上海 200240）

以一種適用于熔鹽堆脫氣系統(tǒng)的旋流式氣液分離器為研究對(duì)象，利用流動(dòng)可視化技術(shù)，對(duì)分離器氣芯的形成進(jìn)行了深入研究。研究結(jié)果表明，分離器的分離效率與氣芯密切相關(guān)，分離器內(nèi)形成穩(wěn)定氣芯就可實(shí)現(xiàn)對(duì)流體中氣相的連續(xù)分離，分離器的背壓對(duì)氣芯的形成有重要影響。通過(guò)高速攝像技術(shù)記錄了氣芯的演變過(guò)程，氣芯的演變主要分為負(fù)壓、平衡、微正壓和穩(wěn)定四個(gè)階段，不同的旋流數(shù)S和雷諾數(shù)Re下均可經(jīng)過(guò)四個(gè)階段最終形成穩(wěn)定氣芯，只是對(duì)應(yīng)臨界背壓不同，分離器的經(jīng)濟(jì)性不同。利用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)模擬軟件Fluent模擬了背壓對(duì)氣芯形成過(guò)程的影響，計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)論基本一致，背壓越大，氣芯越穩(wěn)定，但分離器分流比越高，經(jīng)濟(jì)性越差，背壓超過(guò)一定值時(shí)，貫穿分離器的氣芯將逐漸被壓縮變短。

氣液分離器，氣芯，背壓，旋流

熔鹽堆作為第四代核反應(yīng)堆的候選堆型之一，可以安全高效地輸出能量用于發(fā)電或制氫等行業(yè)。堆內(nèi)的液態(tài)燃料避免了事故工況下堆芯熔化的嚴(yán)重后果，即使發(fā)生反應(yīng)堆破口事故，冷卻劑也會(huì)迅速凝固防止事故的進(jìn)一步發(fā)展。熔鹽堆相比于傳統(tǒng)壓水堆而言，可以在無(wú)水條件下運(yùn)行，更適合在內(nèi)陸建造，而且不需要高壓運(yùn)行，這極大降低了高壓運(yùn)行帶來(lái)的潛在危險(xiǎn)[1?2]。

熔鹽堆運(yùn)行過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量的氪、氙和氚等放射性氣體。氪和氙作為中子毒物會(huì)降低其反應(yīng)性，如果能夠脫除這些裂變氣體，將提高燃料的利用率。氚不僅會(huì)降低設(shè)備和管道的壽命，而且氚在金屬材料中具有強(qiáng)滲透性，進(jìn)入環(huán)境后還會(huì)對(duì)環(huán)境造成放射性污染[3?4]。反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)一旦發(fā)生破損，熔鹽中的氚、氪、氙等氣體將對(duì)環(huán)境造成放射性污染。由于熔鹽堆可以在低壓下運(yùn)行，所以能夠使用在線處理的方式將這些放射性氣體脫除。

美國(guó)、法國(guó)、日本等國(guó)家對(duì)熔鹽中放射性氣體的脫除技術(shù)相繼開(kāi)展了工程性質(zhì)的研究工作，還未見(jiàn)相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道。美國(guó)曾研究噴淋法除氣技術(shù)，但出現(xiàn)了很多問(wèn)題；繼而又提出了鼓泡-脫氣的技術(shù)以解決放射性裂變氣體的脫除[5]。系統(tǒng)中的氣泡分離器便采用了傳統(tǒng)的石油化工領(lǐng)域經(jīng)常使用的旋流式分離器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[6]，這種分離器已經(jīng)在液固分離[7]、油氣水的多相分離等方面[8]開(kāi)展了一些深入的研究。在分離器進(jìn)出口處分別設(shè)置了旋流葉片和恢復(fù)葉片。如圖1所示，由于旋流葉輪的作用，在分離器中心可形成一條穩(wěn)定的氣芯，并且由于旋流葉片和恢復(fù)葉片的輪轂為中空設(shè)計(jì)，分別連接到了兩個(gè)出氣接口上。因此，氣芯中的氣體就可以連續(xù)地被排除，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)于液體中氣體的連續(xù)分離。分離器中心氣芯的形成對(duì)分離效率具有決定性影響[9?10]。盡管針對(duì)分離器已經(jīng)開(kāi)展了一些實(shí)驗(yàn)研究工作，但氣芯的形成機(jī)理還是值得進(jìn)一步研究[11?12]。本文通過(guò)對(duì)分離器內(nèi)不同的幾何參數(shù)、操作條件的實(shí)驗(yàn)和數(shù)值研究發(fā)現(xiàn)，分離器的出口壓力即背壓，是氣芯形成的重要因素，進(jìn)一步分析了分離器內(nèi)的流動(dòng)特性和氣芯形成原理，為我國(guó)熔鹽堆研究提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和設(shè)計(jì)參考。

圖1 氣液分離器模型Fig.1 Separator model.

1 分離原理

為了詳細(xì)說(shuō)明整個(gè)分離過(guò)程，在圖2中顯示了使用高速攝像機(jī)拍攝的靠近分離器入口處的旋流葉片和出口處的恢復(fù)葉片。氣泡進(jìn)入分離器后，由于旋流葉片邊緣和出氣口處之間的壓力差使氣泡向軸心運(yùn)動(dòng)(圖2(a))，產(chǎn)生了聚集，經(jīng)過(guò)旋流葉輪后形成氣芯。在分離之初，大氣泡受壓差影響較大，會(huì)先到達(dá)氣芯，接著較小的氣泡在更遠(yuǎn)的位置被擠壓到氣芯內(nèi)[12]。流體在向前流動(dòng)后，泡狀流體轉(zhuǎn)變?yōu)橐毫骱蜌饬?，兩相間可以看到清晰的界面。部分氣體進(jìn)入恢復(fù)葉片出氣口(圖2(b))，旋轉(zhuǎn)流受恢復(fù)葉片作用變?yōu)槠叫辛骱?，流出分離器。

圖2 氣液分離器葉片的出入口(a) 旋流葉片，(b) 恢復(fù)葉片F(xiàn)ig.2 Air core near the swirling vane (a) and recovery vane (b).

2 實(shí)驗(yàn)方法

如圖3所示，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)是由氣泡生成系統(tǒng)、氣液分離器、流體輸送和控制部件組成。氣泡生成系統(tǒng)包括氣體儲(chǔ)罐、氣體壓力傳感器、閥門(mén)、質(zhì)量流量計(jì)和氣泡發(fā)生器。系統(tǒng)中主要設(shè)備性能參數(shù)見(jiàn)表1。氣泡發(fā)生器產(chǎn)生氬氣氣泡直徑控制在0.3-0.7 mm內(nèi)，氣泡直徑由高速相機(jī)分層拍攝，經(jīng)軟件計(jì)算得到，在這個(gè)范圍內(nèi)的氣泡更利于放射性氣體在氣液兩相間擴(kuò)散傳質(zhì)[13]。通過(guò)調(diào)節(jié)氣體流量控制器，可在0-2 L·min?1內(nèi)隨意調(diào)節(jié)鼓泡器入口氣體流量。液體入口流量QLin和出口流量QLout通過(guò)安裝在氣液分離器入口和出口的流量計(jì)測(cè)量。液體流量可以通過(guò)循環(huán)泵出口的節(jié)流閥進(jìn)行調(diào)節(jié)。分離器的入口壓力Pin和出口壓力Pout也可以通過(guò)分離器前后的壓力變送器測(cè)量。為了便于觀測(cè)和測(cè)量氣芯，回路中的主管道和氣液分離器都是使用有機(jī)玻璃制作而成，回路水溫在20-30 oC內(nèi)，水在回路中長(zhǎng)時(shí)間閉路循環(huán)流動(dòng)，因此認(rèn)為水中溶解的氬氣始終處于飽和狀態(tài)，且水中溶解度對(duì)溫度變化不敏感，所以實(shí)驗(yàn)中水溶解的氬氣含量對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果忽略不計(jì)。

圖3 鼓泡脫氣水力實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)Fig.3 Schematic map of experiment system.

表1 主要設(shè)備一覽表Table 1 List of major equipments.

為研究葉片不同旋流數(shù)對(duì)分離器氣芯的影響，實(shí)驗(yàn)中設(shè)計(jì)加工了多組旋流葉輪，葉片不同的出口角度具有不同旋流數(shù)[14]。文中的幾何旋流數(shù)S由式(1)[15]計(jì)算得到：

式中，Ψ為阻塞系數(shù)；Rn為旋流內(nèi)徑；Rw為旋流外徑；α為葉片偏轉(zhuǎn)角度。定義旋流數(shù)所涉及的參數(shù)如圖4所示。

圖4 旋流數(shù)參數(shù)的定義Fig.4 Schematic of parameters used for definition of swirl number.

3 結(jié)果與討論

為了考察幾何參數(shù)的影響，在5組不同的雷諾數(shù)Re和0.1%?0.5%的氣體含量β下，分別測(cè)試了具有不同S的5組葉片的性能，測(cè)試工況見(jiàn)表2。

表2 不同測(cè)試條件Re、S和βTable 2 Test conditions with different Re, S and β.

3.1 背壓的影響

在所有旋流數(shù)測(cè)定的過(guò)程中，氣芯的演變都會(huì)經(jīng)歷如圖5所示的4個(gè)階段。當(dāng)Re=119891、S=1.17、β=0.5%、背壓為0.018 MPa時(shí)，分離器氣芯內(nèi)處于負(fù)壓狀態(tài)，氣體將從重力分離罐被吸入到分離器內(nèi)。大量氣體進(jìn)入液體中，形成的氣腔具有較大的半徑和不穩(wěn)定的氣線，尾部發(fā)生渦旋破碎，這意味此時(shí)的氣液分離是失敗的。氣芯的這個(gè)行為被定義為負(fù)壓狀態(tài)P1。隨著背壓的增加，吸氣現(xiàn)象慢慢減弱直至消失，當(dāng)背壓為0.026 MPa時(shí)，氣芯內(nèi)外壓差為零，分離器內(nèi)既無(wú)氣體吸入也無(wú)氣體排出，處于平衡狀態(tài)。相較于P1，氣芯被旋流壓縮，氣腔半徑逐漸變小。氣芯的這個(gè)行為被定義為平衡狀態(tài)P2。當(dāng)背壓繼續(xù)增加到0.032 MPa時(shí)，氣芯的形狀隨之變化。在這個(gè)階段，氣芯內(nèi)部變?yōu)檎龎?，有一定量的氣體夾雜部分液體從分離器兩端的排氣孔流出。氣芯被進(jìn)一步壓縮，在氣芯尾端的渦旋破碎基本消失，絕大部分氣體能夠通過(guò)出氣口排出。此時(shí)的氣芯被定義為微正壓狀態(tài)P3。當(dāng)背壓增加到0.059 MPa，氣芯將演變至第四個(gè)階段，氣泡完全匯聚為穩(wěn)定的氣流，形成一條直的貫穿旋流葉輪和恢復(fù)葉輪出氣口的穩(wěn)定氣芯，氣芯剛性增強(qiáng)，分離器中分為氣液兩相，可以看到明顯的氣液界面，渦旋破碎完全消失，無(wú)小氣泡逃逸，分離效率接近100%。至此氣芯的演變基本結(jié)束，在氣芯的演變過(guò)程中，背壓起到了重要的作用。此時(shí)氣芯被定義為穩(wěn)定狀態(tài)P4，在這個(gè)階段的壓力系數(shù)被定義為臨界背壓Poutc。

圖5 在不同條件下的氣芯變化Fig.5 Air core evolution with different condition.

氣芯形狀與氣體的分離效率密切相關(guān)，如圖6所示，是背壓與分離器的分離效率關(guān)系曲線。在低背壓的情況下，氣芯處于P1和P2狀態(tài)時(shí)，氣體的分離效率為0；當(dāng)背壓大于P2的平衡壓力時(shí)，氣芯逐漸形成，分離效率迅速增加，處于P3狀態(tài)時(shí)，氣芯基本形成，分離效率達(dá)到96%，繼續(xù)增加背壓到Poutc時(shí)，氣芯穩(wěn)定，分離效率接近100%，分離器出口已觀測(cè)不到氣泡流出。

圖6 背壓與分離器效率之間的關(guān)系(Re=119891, S=1.17, β=0.5%)Fig.6 Relations back pressure with separation efficiency (Re=119891, S=1.17, β=0.5%).

3.2 旋流數(shù)的影響

旋流數(shù)是主要由葉片角度決定的無(wú)量綱參數(shù)，角度越大，旋流數(shù)越大，相同條件下，徑向壓力梯度越大。氣芯在P1和P2階段，對(duì)于S=0.77時(shí)，氣芯仍是由一些聚集的大氣泡串聯(lián)而成，氣芯尾端發(fā)生旋流破碎。在氣芯尾部氣泡逃逸出氣芯，而隨液體流出。當(dāng)S為1.17、1.42和1.71時(shí)，氣泡受徑向壓力增加，氣芯出現(xiàn)旋流破碎現(xiàn)象位置提前，氣泡更小，氣芯未貫穿旋流葉輪和恢復(fù)葉輪的出氣孔，破碎后流出分離器。

當(dāng)貫穿分離器葉輪的氣芯形成后，旋流數(shù)不同，氣芯的形狀也會(huì)有所不同。當(dāng)S=0.77時(shí)，分離器中心可觀測(cè)到明顯直線型氣芯，但氣芯的中后半部分受徑向壓力小，部分氣泡仍未破碎，它們是由許多氣泡串聯(lián)而成；當(dāng)S增加時(shí)，氣芯中氣泡的數(shù)量逐漸減少，氣泡匯聚成氣線；增加到1.71時(shí)，已形成貫穿兩出氣口的氣芯，可看到明顯的氣液相界面，但在高旋流數(shù)下，氣芯容易發(fā)生波浪型抖動(dòng)，在恢復(fù)葉輪附近，由于氣線抖動(dòng)，偶爾會(huì)有部分氣泡逃逸出氣芯，從分離器出口隨液體流出。不同旋流數(shù)下，分離器內(nèi)的氣芯都可以演變到P4階段，但是所需要的最小背壓值差別較大，旋流數(shù)越大，所需的背壓值越小。

在0.1%?0.5%內(nèi)，含氣量β對(duì)氣芯的演變過(guò)程幾乎沒(méi)有影響，含氣量越高，需要的分離時(shí)間越長(zhǎng)。分離器兩個(gè)葉輪間保持足夠的距離，即可實(shí)現(xiàn)氣芯的完全分離。

3.3 雷諾數(shù)的影響

通過(guò)調(diào)節(jié)循環(huán)泵出口的節(jié)流閥，可以改變液體流量，雷諾數(shù)Re發(fā)生變化。當(dāng)S=1.17時(shí)，隨著Re的變化，通過(guò)調(diào)節(jié)分離器背壓，氣芯仍然體現(xiàn)了如圖5所示的4個(gè)演變過(guò)程。當(dāng)Re=35262時(shí)，氣芯演變過(guò)程中尾部的絮狀微氣泡較多；當(dāng)Re=77576和Re=119891時(shí)，穩(wěn)定態(tài)氣芯P4呈現(xiàn)為一條直線，剛性明顯加強(qiáng)，背壓也由于Re的變化發(fā)生變化。

臨界壓力Poutc和Re的對(duì)比圖見(jiàn)圖7。分析臨界壓力Poutc數(shù)據(jù)表明，當(dāng)S=0.77時(shí)，Poutc值隨著Re增加。在一個(gè)特定的Re下，形成穩(wěn)定的氣芯需要一定的徑向壓力來(lái)限制相界面。高旋流數(shù)可以產(chǎn)生較大的徑向壓力梯度，出口背壓也可以幫助產(chǎn)生徑向壓力梯度。因此，高旋流數(shù)條件下，對(duì)形成穩(wěn)定氣芯所需的臨界背壓Poutc的要求較小。如圖7所示，S=1.71時(shí)所需的臨界背壓Poutc最小。為保持較大的旋流數(shù)則需要旋流葉片具有較大的偏轉(zhuǎn)角度α，但這將增大分離器運(yùn)行時(shí)的設(shè)備壓降。

圖7 在不同Re和S條件下臨界背壓的變化Fig.7 Variation of back pressure under different Re and S.

在氣芯的形成過(guò)程中，另一個(gè)衡量分離器能力的參數(shù)是液體分流比λ，它的定義如式(2)所示：

式中，λ表示分離器的經(jīng)濟(jì)性，也能反應(yīng)重力分離罐的分離負(fù)荷水平；QLin表示分離器進(jìn)口液體流量；QLout表示分離器出口液體流量。圖8中，S=0.77，表示不同Re分流比隨背壓變化情況，分流比隨著背壓而增加。從分離器經(jīng)濟(jì)性而言，在保證氣體分離效率的前提下，背壓越小重力分離罐分離負(fù)荷越小。

圖8 S=0.77、不同Re時(shí)臨界背壓與分流比的關(guān)系Fig.8 Liquid entrainment ratio variation with the critical back pressure under different Re when S=0.77.

3.4 背壓影響的數(shù)值模擬

采用商用軟件UG生成三維幾何模型，采用ICEM CFD 生成六面體網(wǎng)格(圖9)，總體單元數(shù)為3×106。管壁附近、攪渾葉片和恢復(fù)葉片的壁面附近進(jìn)行了局部加密，可以保證在操作流量范圍內(nèi)壁面的網(wǎng)格雷諾數(shù)y+滿足湍流模型的需要[16-17]。

圖9 旋葉式氣泡分離器幾何模型(a)和旋流葉片的網(wǎng)格劃分圖(b)Fig.9 Geometry the of vane-type bubble separator (a) and mesh of the vane-type (b).

主管的出口背壓是影響分離器的重要參數(shù)，影響到脫氣系統(tǒng)在整個(gè)一回路系統(tǒng)中的安裝位置，由于左、右支管的出口壓力為大氣壓，考察的對(duì)象實(shí)質(zhì)為主管出口壓力與支管出口壓力之差，為了考核出口背壓對(duì)氣液分離流動(dòng)的影響，計(jì)算了背壓增加過(guò)程中的兩相流動(dòng)，計(jì)算工況含氣量為0.2%，氣泡平均直徑為0.5 mm，進(jìn)口總體積流量為17 m3·h?1，入口流速為2.87 m·s?1。

圖10為不同背壓條件下分離器內(nèi)部空氣芯分布。當(dāng)背壓比較小的時(shí)候，外界的氣體會(huì)從左側(cè)支管中流入分離器，也就是會(huì)發(fā)生倒吸現(xiàn)象，這是因?yàn)楸硥旱臏p小會(huì)引起左側(cè)支管進(jìn)口處的壓力降低，而當(dāng)壓力低于大氣壓時(shí)，會(huì)發(fā)生回流，從而進(jìn)入分離器的氣體在中心位置形成直徑較大的氣體柱，在流至出口處時(shí)，氣芯發(fā)生旋流破碎后，流出分離器；隨著背壓的增大，氣芯變直，內(nèi)部逐漸轉(zhuǎn)為正壓狀態(tài)，其直徑變小，貫穿于兩端的葉輪出氣孔，實(shí)現(xiàn)氣體的完全脫除，以上計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本一致。計(jì)算中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)背壓1 MPa以上時(shí)，空氣芯長(zhǎng)度會(huì)逐漸減小，受玻璃實(shí)驗(yàn)管道的耐壓限制，這個(gè)高壓的計(jì)算結(jié)果并未在實(shí)驗(yàn)中得到驗(yàn)證，因此，控制分離器出口背壓是脫氣操作的關(guān)鍵。

圖10 背壓對(duì)空氣芯形狀的影響規(guī)律Fig.10 Flow field distribution along the axis of the vane-type bubble separator.

4 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)實(shí)驗(yàn)和數(shù)值計(jì)算研究了用于低含氣量流體的氣液分離器。與傳統(tǒng)的水力旋流器類(lèi)似，分離器利用旋流過(guò)程中產(chǎn)生的向心力，驅(qū)動(dòng)氣泡向分離器中心軸線方向運(yùn)動(dòng)，形成氣芯。氣芯的形成與分離器背壓密切相關(guān)。實(shí)驗(yàn)中使用高速相機(jī)記錄了氣芯在不同背壓下的演變過(guò)程。所有氣芯的演變過(guò)程基本都可被分為P1-P4的4個(gè)階段。通過(guò)數(shù)值分析研究了背壓對(duì)氣芯形狀的影響，氣芯的形成過(guò)程的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與計(jì)算結(jié)果基本一致，但高壓下氣芯變短的計(jì)算結(jié)果未能實(shí)現(xiàn)。

不同的S和Re下，均可以通過(guò)調(diào)節(jié)背壓使氣芯達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。S會(huì)影響分離器的氣芯形狀；S越大，穩(wěn)定時(shí)所需的臨界背壓越小。Re增加，臨界背壓增大；背壓增大，導(dǎo)致分離器分流比增大，經(jīng)濟(jì)性下降。綜合考慮分離效率和經(jīng)濟(jì)性，分離器應(yīng)在背壓略大于臨界背壓的條件下運(yùn)行。

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CLC TL99

Performance of a gas-liquid separator under different back pressure

LI Hua1,2YIN Junlian3ZHANG Ning1,2QIAN Yuan1,2LIU Wei1,2
1(Shanghai Institute of Applied Physics, Chinese Academy of Sciences, Jiading Campus, Shanghai 201800, China)
2(Key Lab of Nuclear Radiation and Nuclear Energy Technology, Chinese Academy of Sciences, Shanghai 201800, China)
3(School of Mechanical Engineering, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China)

Background: One advantage of liquid fluoride thorium reactor is that it can separate almost all of fission products including its own transuranic products due to the on-line removing. The removing process can be defined as bubble generation-mass transfer-gas separation. Purpose: A gas-liquid separator is a core component in the removing system. In this paper, a kind of gas-liquid separator adopted to remove the fission gases for Thorium Molten Salt Reactor (TMSR) is studied. The air core formation, which is heavily depending on the back pressure, plays a significant role for separation efficiency. Methods: To illustrate the effect of back pressure on the evolution process of the air core, the air core behavior variation with the back pressure under different swirling numbers (S) and Reynolds numbers (Re) were recorded by visualization technique. Results: The flow pattern indicates that the air core evolution can be defined as four stages with respective characteristics. However, the air core can shape under different swirling numbers and Reynolds numbers differ a lot. Conclusion: It is proven that there is a critical back pressure which contributes an economic and high efficient separation. Thus, the critical back pressures were summarized for all the swirling numbers and Reynolds numbers involved, which can provide a guideline for the application of the separator.

Gas-liquid separator, Air core, Back pressure, Swirling flow

TL99

10.11889/j.0253-3219.2015.hjs.38.010603

中國(guó)科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專(zhuān)項(xiàng)(No.XDA02000000)資助

李華，男，1980年出生，2009年于大連理工大學(xué)獲博士學(xué)位，研究領(lǐng)域?yàn)榉磻?yīng)堆中的氣路技術(shù)與氣態(tài)裂變產(chǎn)物的分離

劉衛(wèi)，E-mail: liuwei@sinap.ac.cn

2014-09-16，

2014-11-04