一种分配比可调的气液两相流均匀分配器

摘要

一种气液两相流可变比例取样器，属于流体分配领域，主要包括分流管、固定分配腔、转动分配腔、整流器以及差压表。分流管沿周向均匀布置有分流槽，两相流体通过设置在管壁的分流槽进行均匀分流，分别进入固定分配腔和转动分配腔。通过入口流型调整和阻力调节可保证各个分流口流动特性完全一致。通过调节转动分配腔上游的分流槽的长度，可实现分配比例0?100％范围调节。与现有气液两相流取样装置相比，本发明的优点是：体积小、结构紧凑；分配比可随意调节；取样流体与主流体具有相同的气液组成，不受入口气液相流速、流型等参数的影响。

说明书

技术领域

本发明属于流体分配领域，特别是涉及一种分配比可调的气液 两相流均匀分配器。

背景技术

气液两相流广泛存在于石油、化工、核能等许多工业领域。存 在气液两相流系统中，通常需要将气液两相流分成两股流体。T型 三通、Y型三通就是最常见的流体分配装置，然而当气液两相流通 过三通时，进入三通下游两支路的气液相比例常常与上游主管路内 的气液组成出现差异，这就是所谓的气液相分离现象。众多实验研 究表明，气液两相流的取样特性不仅取决于分配器结构，还与各分 配器上、下游流动参数密切相关。即使分配通道结构完全相同且安 装完全对称，如果各分配通道入口气液相分布不同或下游各支管路 阻力特性不一致也会发生相分离。随着进入下游两支路的流量差异 的增加，相分离现象更为严重,甚至会导致某一支路只有单相液体或 单相气体。

为实现均匀分配，王栋等人提出了一种取样管式取样装置(王 栋，林益，林宗虎.取样管型分流分相式气液两相流体流量计[J]. 工程热物理学报，2002,23(2)：235-237)。取样管位于主管内 部，取样口正对来流方向，取样管上游设置有混合器。气液两相流 体首先在混合器内进行加速、混合，随后进入取样口。其存在主要 问题是，取样口正对气液来流，容易造成取样口堵塞。此外，由于 难以满足等动能取样条件，分配比很难保持恒定。此外，理论分配 比例固定，不能根据上游来流工况的变化随时调整分配比例。

为了克服现有的技术缺陷，本发明提出了一种分配比可调的气 液两相流均匀分配器，主要包括分流管、固定分配腔、转动分配腔 以及差压表，上游来流通过本发明时内置螺旋叶片将分层流、波浪 流和不均匀环状流整流成均匀的环状流，随后利用安装在管壁的分 流槽中进行均匀分流。通过入口流型调整和阻力调节保证各个分流 槽的流动特性完全一致。分配比仅取决于转动分配腔上游分流槽的 长度与分流槽有效长度之比。与现有的两相流分配装置相比，本发 明不受上下游流动状态和流型的影响，具有体积小，结构紧凑，分 配比例可调等优势，能够适应较广的气液流量变化范围。

发明内容

本发明涉及一种分配比可调的气液两相流均匀分配器，主要包 括分流管、固定分配腔、转动分配腔以及差压表，分流管、固定分 配腔和转动分配腔均为筒状体，三者均保持同轴，分流管的管壁上 布置有若干个分流槽，分流槽的上游安装有整流器，分流管末端封 闭，固定分配腔的上端面安装在分流管的分流槽上游管壁上，下端 面保持敞口，固定分配腔的侧壁面上安装有侧支管，转动分配腔上 端面通过螺纹与分流管相连，转动分配腔的下端面上安装有直通 管；差压表的两个引压管分别和侧支管及直通管上的取压孔相连 通。

所述的分流管上的若干个分流槽为贯穿管壁的窄缝结构，尺寸 完全相同，均位于与分流管的中心轴线垂直的同一平面上，且沿分 流管的管周均匀布置，分流槽以及下游的外壁上均布置有外螺纹。

所述的固定分配腔的内径大于分流管的外径，其上端面的中心 孔与分流管的外径相等，通过上端面的中心孔嵌装在分流管的分流 槽的上游管壁上，固定分配腔的下端面保持敞口，固定分配腔的侧 壁面上安装有侧支管，侧支管上安装有阻力调节阀，阻力调节阀上 游布置有取压孔。

所述的转动分配腔的外径比固定分配腔的内径小1-2mm，转动 分配腔的上端面开有中心孔，中心孔内壁上布置有内螺纹，能与分 流管管壁上的外螺纹相互啮合，转动分配腔的外壁入口侧安装有密 封圈，出口侧布置有显示流量调节比例的刻度尺。

所述的整流器由螺旋叶片和中心轴组成，螺旋叶片的外边缘与 分流管的内壁紧密贴合。

侧支管和直通管上均安装有阻力调节阀，阻力调节阀的上游分 别安装有取压孔。

直通管的外壁上安装有转动手柄。

分流管的入口以及侧支管和直通管的出口均安装有连接法兰。

与现有技术相比，本发明具有如下的效果：

(1)分配比仅取决于分流槽被固定分配腔和转动分配腔分隔的 两分流槽长度之比，分配比例可以根据现场的需要实现0- 100％范围调节。

(2)在整流器的作用下，可以将波浪流，分层流以及不均匀环 状流整成液膜厚度均匀的环状流，有效的消除了两相流流 型波动对测量的影响。

(3)通过调节阻力调节阀可改善分流槽的阻力特性，实现各个 分流槽的流动特性完全相同。

(4)进入侧支管的分流体与主管路具有完全一致的气液相组 成，消除了常规两相流分配装置的相分离问题.

(5)具有结构简单，易于维护生产、运行成本低、操作方便等 优点。

附图说明：

图1为本发明的组成示意图；

图2为本发明A-A截面示意图；

图3为分流管结构示意图；

图4为固定分配腔结构示意图；

图5为转动分配腔结构示意图

图6为整流器结构示意图；

图7为整流器整流示意图；

图8为本发明的工作原理图。

具体实施方式：

如图1、图2所示，本发明主要包括分流管1、固定分配腔2、 转动分配腔3以及差压表4，分流管1、固定分配腔2和转动分配腔 3均为筒状体，三者均保持同轴，分流管1的管壁上布置有若干个 分流槽5，分流槽5的上游安装有整流器6，分流管1末端封闭，固 定分配腔2的上端面安装在分流管1的分流槽5的上游管壁上，下 端面保持敞口，固定分配腔2的侧壁面上安装有侧支管7，转动分 配腔3上端面通过螺纹与分流管1相连，转动分配腔3的下端面上 安装有直通管8；差压表4的两个引压管分别和侧支管7及直通管8 相连通。

如图3所示，分流管1上的若干个分流槽5为贯穿管壁的窄缝 结构，尺寸完全相同，均位于与分流管1的中心轴线垂直的同一平 面上，沿分流管1的管周均匀布置，分流槽4以及下游的外壁上均 布置有外螺纹10。

如图4所示，固定分配腔2为筒状结构，其内径大于分流管1 的外径，其上端面的中心孔内径与分流管1的外径相等，通过上端 面的中心孔嵌装在分流管1的分流槽5的上游管壁上，固定分配腔 2的下端面保持敞口，固定分配腔2的侧壁面上安装有侧支管7，侧 支管7上安装有阻力调节阀16，阻力调节阀上游布置有取压孔18。

如图5所示，转动分配腔3的外径比固定分配腔1的内径小1- 2mm，转动分配腔3的上端面开有中心孔，中心孔内壁上布置有内螺 纹11，能与分流管1管壁上的外螺纹10相互啮合，转动分配腔3 的外壁入口侧安装有密封圈12，出口侧布置有显示流量调节比例的 刻度尺13，直通管8上安装有阻力调节阀16，直通管8的外壁上安 装有转动手柄17，转动手柄17位于阻力调节阀16的上游，转动手 柄17上游布置有取压孔18。

如图6所示，整流器6由螺旋叶片14和中心轴15组成，螺旋 叶片14的外边缘与分流管1的内壁紧密贴合。

如图1所示，差压表4的两个引压管分别和侧支管7和直通管8 上的引压孔18相连通，分流管1的入口以及侧支管7和直通管8的 出口均安装有连接法兰9。

本发明的工作原理说明如下：

如图1所示，整流器6布置在分流管的内部，整流器6的中心轴 15上装有螺旋叶片14，螺旋叶片14的外缘和分流管1的内壁保持 紧密贴合。当气液两相流通过螺旋叶片14时，被迫沿着螺旋叶片 14和分流管1的内壁及中心轴15所形成的螺旋流道流动，从而发 生旋转，由于气相的密度远远小于液相的密度，液相在旋转产生的 离心力的作用下被甩向分流管的内壁，形成液膜贴着管壁流动，而 气体则在管道中心流动。对于无旋流装置的水平管道，在重力作用 下，气液在管截面分布呈现明显的不对称性，底部液相较多，而气 相主要集中在分流管的上部。当存在整流器6时，如图7所示，通 过整流器后，分层流、波浪流、半环状流、不对称环状流等流型都 调整为图8所示的液膜19沿管周厚度一致的均匀环状流型。

气液两相流通过整流器6后继续向分流管1下游流动，由于分流 管1末端封闭，流体只能通过分流槽5进行分流。由于分流槽5被 转动分配腔3布置有内螺纹11前端面挡板分隔成上游分流槽20和 下游分流槽21两部分。其中，上游分流槽20与固定分配腔2相连 通，下游分流槽21与转动分配腔3相连通。

气液两相来流全部通过布置在分流管1管壁上的分流槽5进行分 流。一部分流体通过上游分流槽20进入固定分配腔2，最后进入侧 支管7，另一部分通过下游分流槽21进入转动分配腔3，最后进入 直通管8。

进入上游分流槽20和下游分流槽21的气液相组成取决于上游分 流槽20和下游分流槽21的前后压力差以及入口处气液相分布。在 整流器6的作用下，各个分流槽5入口处气液分布也完全相同。由 于各个分流槽5处于同一截面上，其入口压力相等。通过侧支管7 和直通管8上的阻力调节阀16和改变侧支管7和直通管8阻力特 性，进而改变固定分配腔2和转动分配腔3的压力。若差压表4指 示的压差不为零，则表明固定腔2和转动分配腔3的压力不相等， 需改变阻力调节阀16开度。可以边调节开度，边观察差压表4读 数，直至差压表4指示为零。差压表4读数为零，则表明固定分配 腔2和转动分配腔3的压力相等，即上游分流槽20和下游分流槽 21出口压力相等，从而上游分流槽20和下游分流槽21具有相同的 差压。综上，在整流器6和阻力调节阀16的共同作用下进入上游分 流槽20和下游分流槽21的气液相组成相同，消除了传统分配器在 分配过程中的相分离问题。

由于进入上游分流槽20和下游分流槽21的气液相组成以及差压 相同，因此进入上游分流槽20和下游分流槽21的气液相流量只取 决于二者流通面积的大小。流通面积为分流槽5宽度与相应长度的 乘积。由于上游分流槽20和下游分流槽21宽度一致，因此可以通 过调节二者的长度来改变分配比例。

如图1所示，分流槽5的有效长度为分流槽5的总长度减去转动 分配腔3入口端面壁板的厚度。若分流槽5总长度为L，部分分流 槽被转动分配腔3入口端面壁板所占据，若壁板厚度为δ，则分流 槽5的有效长度L_e＝L-δ。

若上流分流槽20的长度为L_up，下游分流槽21的长度为 L_down，则分流槽5的有效长度又可表示为：

Le＝L_up+L_down

若气液两相流来流总质量流量为M，则进入上游分流槽20的流 量为：

$M_{up}=\frac{L_{up}}{Le}M$

进入下游分流槽21的流量为：

$M_{down}=\frac{L_{down}}{Le}M$

定义分配比为进入侧支管7的流量占上游气液混合物质量流量的 比例，则分配比K可用下式计算：

$K=\frac{L_{up}}{Le}$

可见分配比只取决于上游分流槽20的长度占分流槽5有效长度 的比值，通过改变取上游分流槽20的长度，可以实现所期望的分配 比。

转动分配腔3通过前端面内螺纹11和分流管1壁上的外螺纹10 相互啮合，通过转动直通管8上的转动手柄17，转动分配腔3可沿 分流管1前进或后退，进而改变上游分流槽20和下游分流槽21的 长度，进而可以改变分配比。转动分配腔3入口端面移动到分流槽 5的最上游时，上游分流槽20的长度为零，气液两相来流完全进入 转动分配腔3，分配比为零。当转动分配腔3入口端面移动到分流 槽5的最下游时，上游分流槽21的长度为分流槽5的有效长度 Le，气液两相来流完全进入固定分配腔2，分配比为100％。

综上，气液两相流通过本发明时，分配比只取决于上游分流槽 20占分流槽5有效长度的比值，通过操作转动手柄17，可以改变转 动分配腔3上游分流槽5的长度，通过转动分配腔3出口侧布置的 显示分配比的刻度尺13来显示当前气液分配比例，进而实现气液分 配比0-100％范围内调节。

本发明不受管道气液相流型、压力分布等因素的影响，结构简 单，基本无需维护，具有广泛的适用性。