李 華 尹俊連 張 寧 錢 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 淵1,2劉 衛(wèi)1,2

1（中國科學院上海應用物理研究所 嘉定園區(qū) 上海 201800）
2（中國科學院核輻射與核能技術重點實驗室 上海 201800）
3（上海交通大學 機械與動力工程學院 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象，利用流動可視化技術，對分離器氣芯的形成進行了深入研究。研究結果表明，分離器的分離效率與氣芯密切相關，分離器內形成穩(wěn)定氣芯就可實現對流體中氣相的連續(xù)分離，分離器的背壓對氣芯的形成有重要影響。通過高速攝像技術記錄了氣芯的演變過程，氣芯的演變主要分為負壓、平衡、微正壓和穩(wěn)定四個階段，不同的旋流數S和雷諾數Re下均可經過四個階段最終形成穩(wěn)定氣芯，只是對應臨界背壓不同，分離器的經濟性不同。利用計算流體動力學模擬軟件Fluent模擬了背壓對氣芯形成過程的影響，計算結果與實驗結論基本一致，背壓越大，氣芯越穩(wěn)定，但分離器分流比越高，經濟性越差，背壓超過一定值時，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)。堆內的液態(tài)燃料避免了事故工況下堆芯熔化的嚴重后果，即使發(fā)生反應堆破口事故，冷卻劑也會迅速凝固防止事故的進一步發(fā)展。熔鹽堆相比于傳統(tǒng)壓水堆而言，可以在無水條件下運行，更適合在內陸建造，而且不需要高壓運行，這極大降低了高壓運行帶來的潛在危險[1?2]。

熔鹽堆運行過程中會產生大量的氪、氙和氚等放射性氣體。氪和氙作為中子毒物會降低其反應性，如果能夠脫除這些裂變氣體，將提高燃料的利用率。氚不僅會降低設備和管道的壽命，而且氚在金屬材料中具有強滲透性，進入環(huán)境后還會對環(huán)境造成放射性污染[3?4]。反應堆冷卻劑系統(tǒng)一旦發(fā)生破損，熔鹽中的氚、氪、氙等氣體將對環(huán)境造成放射性污染。由于熔鹽堆可以在低壓下運行，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、法國、日本等國家對熔鹽中放射性氣體的脫除技術相繼開展了工程性質的研究工作，還未見相關文獻報道。美國曾研究噴淋法除氣技術，但出現了很多問題；繼而又提出了鼓泡-脫氣的技術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)的石油化工領域經常使用的旋流式分離器結構設計[6]，這種分離器已經在液固分離[7]、油氣水的多相分離等方面[8]開展了一些深入的研究。在分離器進出口處分別設置了旋流葉片和恢復葉片。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葉片的輪轂為中空設計，分別連接到了兩個出氣接口上。因此，氣芯中的氣體就可以連續(xù)地被排除，從而實現對于液體中氣體的連續(xù)分離。分離器中心氣芯的形成對分離效率具有決定性影響[9?10]。盡管針對分離器已經開展了一些實驗研究工作，但氣芯的形成機理還是值得進一步研究[11?12]。本文通過對分離器內不同的幾何參數、操作條件的實驗和數值研究發(fā)現，分離器的出口壓力即背壓，是氣芯形成的重要因素，進一步分析了分離器內的流動特性和氣芯形成原理，為我國熔鹽堆研究提供基礎數據和設計參考。

圖1 氣液分離器模型Fig.1 Separator model.

1 分離原理

為了詳細說明整個分離過程，在圖2中顯示了使用高速攝像機拍攝的靠近分離器入口處的旋流葉片和出口處的恢復葉片。氣泡進入分離器后，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動(圖2(a))，產生了聚集，經過旋流葉輪后形成氣芯。在分離之初，大氣泡受壓差影響較大，會先到達氣芯，接著較小的氣泡在更遠的位置被擠壓到氣芯內[12]。流體在向前流動后，泡狀流體轉變?yōu)橐毫骱蜌饬?，兩相間可以看到清晰的界面。部分氣體進入恢復葉片出氣口(圖2(b))，旋轉流受恢復葉片作用變?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) 恢復葉片Fig.2 Air core near the swirling vane (a) and recovery vane (b).

2 實驗方法

如圖3所示，實驗系統(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)包括氣體儲罐、氣體壓力傳感器、閥門、質量流量計和氣泡發(fā)生器。系統(tǒng)中主要設備性能參數見表1。氣泡發(fā)生器產生氬氣氣泡直徑控制在0.3-0.7 mm內，氣泡直徑由高速相機分層拍攝，經軟件計算得到，在這個范圍內的氣泡更利于放射性氣體在氣液兩相間擴散傳質[13]。通過調節(jié)氣體流量控制器，可在0-2 L·min?1內隨意調節(jié)鼓泡器入口氣體流量。液體入口流量QLin和出口流量QLout通過安裝在氣液分離器入口和出口的流量計測量。液體流量可以通過循環(huán)泵出口的節(jié)流閥進行調節(jié)。分離器的入口壓力Pin和出口壓力Pout也可以通過分離器前后的壓力變送器測量。為了便于觀測和測量氣芯，回路中的主管道和氣液分離器都是使用有機玻璃制作而成，回路水溫在20-30 oC內，水在回路中長時間閉路循環(huán)流動，因此認為水中溶解的氬氣始終處于飽和狀態(tài)，且水中溶解度對溫度變化不敏感，所以實驗中水溶解的氬氣含量對實驗結果忽略不計。

圖3 鼓泡脫氣水力實驗系統(tǒng)Fig.3 Schematic map of experiment system.

表1 主要設備一覽表Table 1 List of major equipments.

為研究葉片不同旋流數對分離器氣芯的影響，實驗中設計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[14]。文中的幾何旋流數S由式(1)[15]計算得到：

式中，Ψ為阻塞系數；Rn為旋流內徑；Rw為旋流外徑；α為葉片偏轉角度。定義旋流數所涉及的參數如圖4所示。

圖4 旋流數參數的定義Fig.4 Schematic of parameters used for definition of swirl number.

3 結果與討論

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

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

3.1 背壓的影響

在所有旋流數測定的過程中，氣芯的演變都會經歷如圖5所示的4個階段。當Re=119891、S=1.17、β=0.5%、背壓為0.018 MPa時，分離器氣芯內處于負壓狀態(tài)，氣體將從重力分離罐被吸入到分離器內。大量氣體進入液體中，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，這意味此時的氣液分離是失敗的。氣芯的這個行為被定義為負壓狀態(tài)P1。隨著背壓的增加，吸氣現象慢慢減弱直至消失，當背壓為0.026 MPa時，氣芯內外壓差為零，分離器內既無氣體吸入也無氣體排出，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。氣芯的這個行為被定義為平衡狀態(tài)P2。當背壓繼續(xù)增加到0.032 MPa時，氣芯的形狀隨之變化。在這個階段，氣芯內部變?yōu)檎龎海幸欢康臍怏w夾雜部分液體從分離器兩端的排氣孔流出。氣芯被進一步壓縮，在氣芯尾端的渦旋破碎基本消失，絕大部分氣體能夠通過出氣口排出。此時的氣芯被定義為微正壓狀態(tài)P3。當背壓增加到0.059 MPa，氣芯將演變至第四個階段，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葉輪出氣口的穩(wěn)定氣芯，氣芯剛性增強，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，無小氣泡逃逸，分離效率接近100%。至此氣芯的演變基本結束，在氣芯的演變過程中，背壓起到了重要的作用。此時氣芯被定義為穩(wěn)定狀態(tài)P4，在這個階段的壓力系數被定義為臨界背壓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，如圖6所示，是背壓與分離器的分離效率關系曲線。在低背壓的情況下，氣芯處于P1和P2狀態(tài)時，氣體的分離效率為0；當背壓大于P2的平衡壓力時，氣芯逐漸形成，分離效率迅速增加，處于P3狀態(tài)時，氣芯基本形成，分離效率達到96%，繼續(xù)增加背壓到Poutc時，氣芯穩(wěn)定，分離效率接近100%，分離器出口已觀測不到氣泡流出。

圖6 背壓與分離器效率之間的關系(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 旋流數的影響

旋流數是主要由葉片角度決定的無量綱參數，角度越大，旋流數越大，相同條件下，徑向壓力梯度越大。氣芯在P1和P2階段，對于S=0.77時，氣芯仍是由一些聚集的大氣泡串聯而成，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S為1.17、1.42和1.71時，氣泡受徑向壓力增加，氣芯出現旋流破碎現象位置提前，氣泡更小，氣芯未貫穿旋流葉輪和恢復葉輪的出氣孔，破碎后流出分離器。

當貫穿分離器葉輪的氣芯形成后，旋流數不同，氣芯的形狀也會有所不同。當S=0.77時，分離器中心可觀測到明顯直線型氣芯，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而成；當S增加時，氣芯中氣泡的數量逐漸減少，氣泡匯聚成氣線；增加到1.71時，已形成貫穿兩出氣口的氣芯，可看到明顯的氣液相界面，但在高旋流數下，氣芯容易發(fā)生波浪型抖動，在恢復葉輪附近，由于氣線抖動，偶爾會有部分氣泡逃逸出氣芯，從分離器出口隨液體流出。不同旋流數下，分離器內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，旋流數越大，所需的背壓值越小。

在0.1%?0.5%內，含氣量β對氣芯的演變過程幾乎沒有影響，含氣量越高，需要的分離時間越長。分離器兩個葉輪間保持足夠的距離，即可實現氣芯的完全分離。

3.3 雷諾數的影響

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

臨界壓力Poutc和Re的對比圖見圖7。分析臨界壓力Poutc數據表明，當S=0.77時，Poutc值隨著Re增加。在一個特定的Re下，形成穩(wěn)定的氣芯需要一定的徑向壓力來限制相界面。高旋流數可以產生較大的徑向壓力梯度，出口背壓也可以幫助產生徑向壓力梯度。因此，高旋流數條件下，對形成穩(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時所需的臨界背壓Poutc最小。為保持較大的旋流數則需要旋流葉片具有較大的偏轉角度α，但這將增大分離器運行時的設備壓降。

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.

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

式中，λ表示分離器的經濟性，也能反應重力分離罐的分離負荷水平；QLin表示分離器進口液體流量；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。從分離器經濟性而言，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荷越小。

圖8 S=0.77、不同Re時臨界背壓與分流比的關系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 生成六面體網格(圖9)，總體單元數為3×106。管壁附近、攪渾葉片和恢復葉片的壁面附近進行了局部加密，可以保證在操作流量范圍內壁面的網格雷諾數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，影響到脫氣系統(tǒng)在整個一回路系統(tǒng)中的安裝位置，由于左、右支管的出口壓力為大氣壓，考察的對象實質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氣液分離流動的影響，計算了背壓增加過程中的兩相流動，計算工況含氣量為0.2%，氣泡平均直徑為0.5 mm，進口總體積流量為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部空氣芯分布。當背壓比較小的時候，外界的氣體會從左側支管中流入分離器，也就是會發(fā)生倒吸現象，這是因為背壓的減小會引起左側支管進口處的壓力降低，而當壓力低于大氣壓時，會發(fā)生回流，從而進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，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，內部逐漸轉為正壓狀態(tài)，其直徑變小，貫穿于兩端的葉輪出氣孔，實現氣體的完全脫除，以上計算結果與實驗結果基本一致。計算中發(fā)現，當背壓1 MPa以上時，空氣芯長度會逐漸減小，受玻璃實驗管道的耐壓限制，這個高壓的計算結果并未在實驗中得到驗證，因此，控制分離器出口背壓是脫氣操作的關鍵。

圖10 背壓對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 結語

本文通過實驗和數值計算研究了用于低含氣量流體的氣液分離器。與傳統(tǒng)的水力旋流器類似，分離器利用旋流過程中產生的向心力，驅動氣泡向分離器中心軸線方向運動，形成氣芯。氣芯的形成與分離器背壓密切相關。實驗中使用高速相機記錄了氣芯在不同背壓下的演變過程。所有氣芯的演變過程基本都可被分為P1-P4的4個階段。通過數值分析研究了背壓對氣芯形狀的影響，氣芯的形成過程的實驗結果與計算結果基本一致，但高壓下氣芯變短的計算結果未能實現。

不同的S和Re下，均可以通過調節(jié)背壓使氣芯達到穩(wěn)定狀態(tài)。S會影響分離器的氣芯形狀；S越大，穩(wěn)定時所需的臨界背壓越小。Re增加，臨界背壓增大；背壓增大，導致分離器分流比增大，經濟性下降。綜合考慮分離效率和經濟性，分離器應在背壓略大于臨界背壓的條件下運行。

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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

中國科學院戰(zhàn)略性先導科技專項(No.XDA02000000)資助

李華，男，1980年出生，2009年于大連理工大學獲博士學位，研究領域為反應堆中的氣路技術與氣態(tài)裂變產物的分離

劉衛(wèi)，E-mail: liuwei@sinap.ac.cn

2014-09-16，

2014-11-04