[发明专利]一种超声速冷凝器及超声速冷凝方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种超声速冷凝器及超声速冷凝方法。

背景技术

利用高压气体的压力能够膨胀制冷，使其中的部分组分冷凝成液体，然后进行气液分离，以实现混合气体中部分组分的分离，该技术可广泛应用于各种气体的分离场合。

现有的旋流分离器对气体中露点较低的成分冷凝成液滴的效率低，另外，气流旋转动能摩擦损失大。

发明内容

本发明的目的在于提供一种更好地保持气体在超声速时的旋转和气流流场、气体总能量的损失小、实现高效冷凝的超声速冷凝器及超声速冷凝方法。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种超声速冷凝器，包括同轴设置并依次连接的旋转腔、使气流加速的收缩腔、超声速冷凝腔、以及气液分流腔，还包括使引入的气体发生旋转的旋转机构、使气流恢复压力的扩压器、以及引入冷源的喷嘴；其中，

所述旋转腔远离所述收缩腔的一端设有供高压气体引入的入口，所述气液分流腔远离所述超声速冷凝腔的一端设有供气体排出的出口；

所述收缩腔的内腔横截面积沿气流方向逐渐缩小并在与所述超声速冷凝腔连接处形成喉道；

所述旋转机构设置在所述旋转腔内；

所述扩压器设置在所述气液分流腔内，其底面腔壁上设有供液体流出的分离口；

所述喷嘴的喷出口位于所述收缩腔内并与所述收缩腔同轴设置。

其中，所述喷嘴通过弯管穿过所述旋转腔的腔壁连通到所述旋转腔外。

其中，所述喷嘴的喷出口横截面积为所述喉道横截面积的5％-50％。

其中，所述扩压器与所述气液分流腔同轴设置，所述扩压器的内腔横截面积沿气流方向先逐渐缩小后逐渐扩大呈喇叭形；所述扩压器靠近所述超声速冷凝腔的一端延伸至所述气液分流腔与所述超声速冷凝腔的连接处、并与所述气液分流腔间隙配合，其远离所述超声速冷凝腔的一端与所述气液分流腔固定连接。

其中，所述旋转机构绕所述旋转腔的轴线转动设置于所述喷嘴上。

其中，所述超声速冷凝腔的内腔横截面积沿气流方向逐渐扩大。

其中，所述超声速冷凝腔还包括气液分离器，所述气液分离器上设有气液输入口、液体出口、以及气体出口；所述气液输入口与所述分离口连接，所述气体出口连接至所述喷嘴；所述气体出口高于所述液体出口。

相应地，本发明提供了一种超声速冷凝方法，将高压气体进行旋转并加速至超声速后，使部分气体冷凝液化分离出，使未液化的气体恢复压力，在高压气体加速阶段喷入温度低于所述高压气体的冷源，所述冷源的喷入流向与所述高压气体的流向相同并位于所述高压气体的旋转中心。

其中，所述冷源是温度低于所述高压气体的气体、液体、气液混合物、或作为凝结核的固体小颗粒。

其中，所述冷源的气流量是所述高压气体气流量的5％-50％。

本发明提供的超声速冷凝器，冷源可以通过喷嘴进入到收缩腔内的旋转气流的中心，这样冷源在超声速冷凝腔和收缩腔的高压气体主气流会充分的混合，为进入超声速冷凝腔内的主气流提供更多的冷量，使更多的气体被液化，大幅提高了目标气体的液化率。同时冷源的喷入可以保持气流在超声速冷凝腔的旋转，改善气流在在超声速冷凝腔的流场，从而减少气体总能量的损失，实现高效冷凝。

本发明提供的超声速冷凝方法，冷源在旋转气流的中心喷入，这样冷源与达到超声速后的主气流会充分的混合，同时为进入超声速的主气流提供更多的冷量，使更多的气体被液化，实现高效冷凝。冷源的喷入可以保持气流在超声速段的旋转，改善气流在超声速段的流场，从而减少气体总能量的损失。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施方式提供的超声速冷凝器的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述。

请阅图1，本发明实施方式提供的一种超声速冷凝器，包括同轴设置并依次连接的旋转腔1、使气流加速的收缩腔2、超声速冷凝腔3、以及气液分流腔4，还包括使引入的气体发生旋转的旋转机构6、使气流恢复压力的扩压器7、以及将引入冷源的喷嘴5。