集成转换功能的气液分离器设计

1 前言

目前铝氧化银电池[1-3]在作为鱼雷的动力电池已被广泛应用。电池激活后水进入电池舱内部形成电解液，同时需迅速排出电池舱内的气体并防止气体进入离心泵导致电池激活失败，电池激活正常后需要电解液由外排状态转换到电池内部闭循环状态，同时在电池工作结束后能够实现电解液由闭循环切换到外循环状态，及时排除废气废液，安全地实现电池停止工作，因此需要一种具有液体流向换向功能的转换阀来实现电解液内外循环状态的切换。铝氧化银电池在工作过程中会产生气体，若不及时排出则会造成离心泵工作性能下降，存在引发电池本体温度升高甚至短路的风险，因此需要气液分离器将电解液中的气体分离并排除电池舱外。

气液分离器多用于石油、化工等行业的生产环节中[4-5]，通常采用重力沉降式或填料式的气液分离结构，具有结构简单成本低廉的优点，但其设备体积庞大且气液分离效率低，不适用于铝氧化银电池中。美国研究学者设计的铝氧化银电池采用离心式气液分离器并配合模式控制阀来实现气液分离及转换功能[6]，此种结构能够很好的满足铝氧化银电池系统对电解液气液分离及循环控制的需求，但其所占体积较大，且控制复杂。针对上述情况，本文设计了一种集成转换功能的气液分离器，在满足铝氧化银电池功能需求的同时，简化了铝氧化银电池系统结构，有效的压缩了铝氧化银电池系统体积和重量，有利于提高铝氧化银电池比能量，并满足了铝氧化银电池系统小型化、轻量化的需求，为铝氧化银电池系统设计提供了一种新的思路。

2 气液分离器的原理和分类

目前，气液分离器采用的分离方法有很多种，但综合起来分离原理只有两种：

(1)利用组分质量(重量)不同对混合物进行分离

气体与液体的密度不同，相同体积下气体的质量比液体的质量小。主要分离方法有重力沉降、折流分离、离心力分离、填料分离。

(2)利用组分粒子大小不同对混合物进行分离

液体的分子聚集状态与气体的分子聚集状态不同，气体分子距离较远，而液体分子距离要近得多，所以气体粒子比液体粒子小。主要分离方法有丝网分离、微孔过滤分离[7-8]。

重力沉降式气液分离器利用液体与气体的重量不同达到气液分离的目的，其设计简易，结构简单，压损小，但需要气体的流速很慢，设备体积大，而且分离效率很低。

折流分离也称挡板分离，利用气体与液体的密度不同，液体的密度高惯性大，气液混合液直接碰撞折流板后达到气液分离的目的。相比重力沉降式分离其分离效率高，设备体积较小，工作稳定，但其分离负荷范围窄，气体流速超过一定范围后分离效率会降低很多。

离心力分离是利用液体的密度大于气体的密度，当气液混合物一起旋转流动时液体受到的离心力大于气体，从而液体与间壁体壁面发生碰撞并附着在上面，在利用重力的作用达到气液分离的目的。其具有更高的分离效率、体积可以做得更小、工作稳定的特点，但如果气液混合物流速过慢，液体的离心力过小导致气液无法分离，如果流速过快，气体会把已经着壁的液体重新带走，使分离效率大大降低。

填料分离与折流分离原理相似，利用液体的惯性使其与填料发生碰撞从而达到气液分离的目的，相比折流分离，填料分离具有大的多的阻挡收集壁壁面面积，而且经过多次反复折流，液体非常容易着壁，所以其分离效率更高，常用于化工厂中，但其容易被混合在液体的杂质堵塞。

丝网分离是利用气体与液体微粒大小的不同，当气液混合物通过丝网时，微粒大的液体被拦截下来，微粒小的气体能够顺利通过，从而达到气液分离的目的。其分离效率比填料分离更高，但分离负荷范围更窄，更易发生堵塞，对丝网的目数及材料选择要求较高。

微孔过滤分离与丝网分离原理相同，其微孔直径一般在50μm以下，液体粒子直径若大于微孔直径则不能通过，且微孔过滤分离器的阻挡收集表面积在单位体积内极大，在单位体积内的折流次数和筛分次数比丝网过滤多很多，因此其分离效率极高，体积也较小，但其成本高，如果液气比较大时液阻现象非常容易发生，故其前端通常加装前置粗过滤装置，以降低发生堵塞的风险。

3 气液分离功能设计

铝氧化银电池在使用过程中其位置形态是经常发生变化的，且铝氧化银电池系统空间有限，气液分离器所占体积和重量越小越好，因此不适合采用重力沉降式及折流式的气液分离器。同时，随着铝氧化银电池正负极与电解液发生的化学反应，电解液中会产生一些胶体物质及固体银颗粒，并且部分隔膜脱落会混入到电解液中，因此电解液中的这些杂质会堵塞填料分离器的填料，丝网分离方法亦不适用。铝氧化银电池电解液循环流量通常较大，且在气液混合电解液中气体所占比例较小，因此微孔过滤分离的方法不适用。离心式气液分离器可以不受电池的使用形态影响，气液混合液的离心力可以控制，气液分离效率较高，且所需体积可以控制的很小，并能够适应较大流量范围及较大液气比范围，因此设计气液分离器的结构方案为离心式气液分离器，其结构示意图如图1所示。

图1 气液分离器结构示意图

气液分离器由整流罩、间壁体、排气管、反射盘和集液体组成。其中整流罩将进入气液分离器的气液混合液进行整流，使其进入气液分离器后做旋转运动，产生离心力，将气体与液体分离。液体离心力大，附着在间壁体上，利用重力的作用液体顺着间壁体旋流而下进入集液体，集液体与间壁体连接段设计为锥体，有利于集液并提高气液分离效率[9]。经气液分离器分离的气体积聚在气液分离器中心部位，由于出液口压力大于排气口压力，气体能够通过排气管排出。由于气腔在分离器中形态不稳，且气腔会一直延伸至集液体底部，造成部分已经分离的气体进入出液口，因此为稳定气腔形态并防止气体进入出液口，在出液口上方设计安装反射盘，使气腔保持在出液口上方，且气腔体积可以变得更大而不进入出液口，使气液分离器适用于分离气液混合比的范围更大的气液混合液。

为使气液分离器能够控制气液混合液的离心力，并适应较大流量范围的使用工况，设计整流罩具有入口大小可调的结构，如图2所示，通过螺钉来调节入射口宽度，在相同流量条件下，入射口宽度越小，气液混合液进入气液分离器的速度越大，离心力也就越大。

图2 整流罩结构示意图

4 转换功能设计

根据铝氧化银电池激活阶段及停止工作阶段的需求，设计气液分离器集成转换功能，实现气液混合液的流动换向功能。具体结构如图3所示。

图3 集成转换功能的气液分离器结构示意图

其中包括1气液分离器主体、2排气管、3弹簧挡圈、4定位套筒、5反射盘、6卡环、7转换阀芯、8分离器底盖、9弹簧和10轴用挡圈。

转换阀芯与排气管及分离器底盖之间由密封圈密封，形成转换压力驱动腔，分离器主体与分离器底盖之间有密封圈，并由卡环锁紧连接。分离器底盖设有转换压驱动口，与转换压力驱动腔相通。当转换压驱动口无驱动压力时，反射盘连同转换阀芯在弹簧力的作用下位于初始位置，反射盘与分离器主体的集液体上端锥面配合，气液分离器的进液口与出液口被反射盘阻断，铝氧化银电池激活时电池舱内的气体经气液分离器进口进入气液分离器后直接由排气管排出，不会进入集液体进而通过出液口进入泵；当铝氧化银电池系统注液完全后，转换压驱动口接通驱动压力，转换阀芯受驱动压力作用，推动反射盘压缩弹簧，直至反射盘被推动到与定位套筒相接触，反射盘与气液分离器集液体上端的圆锥面有一定间隙，气液分离器进液口与出液口相通，由进液口进入的气液混合液经气液分离器分离后，气体部分由排气管排出，液体部分经出液口排出回流到泵，实现电解液的循环使用。铝氧化银电池完成工作后，转换压驱动口压力泄掉，反射盘在弹簧力作用下回复至初始位置，气液分离器状态与铝氧化银电池激活阶段状态相同，铝氧化银电池的废气废液通过排气管一同排出铝氧化银电池舱外，实现铝氧化银电池的安全停止工作。

通过控制定位套筒的长度可以控制分离器主体圆锥面与反射盘之间的间隙大小，来调节气液分离器的压损。转换阀芯动作所需要的压力大小由弹簧的刚度及压缩量决定，而压缩量可由轴用挡圈在排气管上的安装位置决定。

5 结论

设计了一种铝氧化银电池系统用的气液分离器。通过分析不同结构的气液分离器的工作原理及优缺点，并结合铝氧化银电池工作特性，设计采用离心式气液分离原理的气液分离器，并设计了入射口宽度可调的结构，来控制进入气液分离器的气液混合液的离心力。同时针对铝氧化银电池系统小型化、轻量化的需求，设计气液分离器具有转换功能，通过控制反射盘的位置来实现气液混合液的流动换向的功能。该结构的气液分离器具有体积小，重量轻，分离效率高的特点，并具有转换阀的功能，能够有效的压缩铝氧化银电池系统体积并降低重量。因此该气液分离器具有很大的应用前景。