[發明專利]一種基于多孔材料的微重力下螺旋式氣液分離器

有效

• 申請號: 201510073875.9
• 申請日: 2015-02-12
• 公開（公告）號: CN104667584A
• 公開（公告）日: 2015-06-03
• 發明（設計）人: 韓曉紅;王學會;方一波;喬曉剛;鹿丁;王勤;陳光明
• 申請（專利權）人: 浙江大學
• 主分類號: B01D19/00
• 分類號: B01D19/00;C02F1/20
• 代理公司: 杭州天勤知識產權代理有限公司 33224
• 代理人: 黃燕

技術領域

本發明涉及一種氣液分離器，具體涉及一種基于多孔材料的微重力下螺旋式氣液分離器。

背景技術

自上個世紀50年代以來，航天事業蓬勃發展，人類在太空中的活動越來越頻繁，航天工業的發展水平已經成為評價一國科研能力的一個重要指標，其中，微重力下的流體管理技術作為航天技術的重要組成部分，受到各國的普遍重視。微重力流體管理技術是指通過對微重力環境中的流體的輸運、儲存等過程進行控制，從而使某系統能夠運行并完成所需要的功能。從工程應用的角度出發，微重力下流體管理技術主要應用于空間飛行器的以下系統中：1)推進劑管理系統：航天器的芯級燃料一般采用高比沖的低溫LH₂，LO₂燃料，流體管理技術主要應用于低溫流體的儲存，運輸和加注過程中的流量控制過程。另外，航天器在軌運行時，低溫推進劑的增壓輸送過程，液面晃動的控制等過程也需要該技術；2)物質再生、環境控制與生命保障系統：該系統簡稱再生環控系統，該環節涉及到航天器內部H₂O，CO₂等的循環，工作環境的溫濕度調節，并直接關系到航天員的生命安全，因此是載人航天的關鍵技術之一。航天器作為一個微型的人造生態環境，內部的氣體溫度場和流場的分布、溫度和濕度的控制、航天器廢水等的處理與凈化、二氧化碳還原過程、航天服內部的液體的收集與排放等過程都涉及到微重力下的流體管理技術。3)電源及控制系統：燃料電池由于具有高能量密度，不存在過沖等優點，使得其在航天領域具有非常好的應用前景。微重力下水的電解兩相流動，傳熱與傳質的規律與地面明顯不同，在電極端實現氫氣和氧氣從水的分離技術也非常的復雜，水作為燃料電池最常見的產物，微重力下的水管理對燃料電池的性能具有重要的影響。4)航天器熱控制系統：隨著太空研究的逐步深入，所應用的高精端的電子設備的發熱量越來越大。由于氣液兩相流具有很高的傳熱系數，因此被廣泛的應用于微重力下電子器件的熱控制領域。對熱控制系統內部的工質進行高效的流量、溫度、組分等的控制是熱控制系統發揮效能的重要前提。

氣液分離技術作為流體管理的一個重要組成部分，受到國內外的廣泛關注，在常重力下常見的氣液分離手段有重力沉降分離法，折流分離法，離心分離法和填充分離法等。這些分離方法按照分離的原理可以分為以下兩大類：1)利用組分的密度差進行分離：氣相的密度值一般比同種工質的液相密度值要小很多，因此可以利用氣相與液相工質的密度差來實現氣體與液體的分離，這種分離方法最常用，也最簡單。比如重力沉降分離法，離心分離法等；2)利用混合流體中的聚集狀態不同進行分離：液體分子的聚集狀態與氣相分子的聚集狀態不同，因此可以利用其聚集狀態進行液體與氣體的分離，比如半透膜分離法，填充分離法，絲網分離法，微孔分離法等。通常而言，重力沉降分離法的分離性能相對較低，當系統所需要的氣液分離程度要求較高時，可以選擇折流分離法，離心分離法，甚至是絲網分離法和微孔分離法等。

以上所提到的氣液分離方法在常重力下能夠很好的實現氣液的分離，而在微重力環境下卻不能直接的利用，主要是因為微重力環境下的氣液流動與常重力下具有明顯不同的特征。在微重力環境下，由重力引起的浮力對氣泡的影響幾乎消失，一些表面力(如表面張力和熱毛細力等)的作用顯著增強，由此引起的潤濕、接觸角滯后、熱毛細對流等物理現象主導相變換熱的整個過程。但由于表面力的數量級很小，因此相變過程中產生的氣泡從加熱表面的脫離變得困難。一般而言，微重力下相變過程中產生氣泡的直徑為常重力同等條件下的數倍。對于微重力環境中的氣液兩相流流型也有同樣的規律，浮力的消失使得液相與氣相相互混合在一起，而不出現分層。因此在微重力環境下不能依靠重力的作用實現氣液分離，必須有針對性的設計其氣液分離器結構。