高温气冷堆氦净化及氦辅助系统丝网气水分离器分离效率理论分析

高温气冷堆是第4代先进核能系统优选堆型之一，日本福岛核事故后，高温气冷堆因其固有安全性而受到更多、更广泛的关注。

氦净化及氦辅助系统是确保高温气冷堆安全运行的重要系统之一，为研究和验证高温气冷堆氦净化及氦辅助系统，并为进一步优化设计提供依据，清华大学核能与新能源技术研究院建立了全参数模拟试验回路。丝网气水分离器是氦净化及氦辅助系统的关键设备之一，用于分离含氚废水及事故除湿。丝网气水分离器的核心部件是网垫级，网垫级由多层丝网层叠而成，单层丝网由单根网丝交错编制而成。对于丝网气水分离器，目前通用的设计方法是通过Souders-Brown经验关系式获得极限操作气速[1]，但这种设计方法较粗糙，未考虑液滴粒径对分离效率的影响。

丝网分离液滴机理可分为惯性分离、拦截分离和扩散分离。Holmes等[2]指出惯性分离是其主要的分离过程。基于这一分离机理，Langmuir等[3]对单丝分离效率进行了理论分析，认为单丝分离效率是关于斯托克斯数的函数，并将其结果以谱图方式给出。但是，仅预测单丝分离效率对计算工业规模的丝网气水分离器的分离效率远远不够，还需补充网垫级模型。Carpenter等[4]和Brunazzi等[5]分别提出了具有一定适用范围的网垫级模型。基于以上研究只能计算丝网气水分离器针对特定液滴粒径的分离效率。欲计算工业规模丝网气水分离器的分离效率，还需明确丝网气水分离器进出口粒径分布。关于液滴粒径分布，McNulty等[6]的研究提供了试验数据，蒸汽被冷凝形成液滴，其粒径主要分布在5～20μm之间。Brunazzi等[5]对喷射条件下的液滴粒径分布进行了测定，获得液滴粒径分布曲线。但由于液滴产生机理不同，该分布对蒸汽被冷凝形成液滴情况不适用。因此，有必要通过试验的方法对氦气中饱和蒸汽冷凝形成液滴的分离问题进行研究，测定丝网气水分离器进出口粒径分布和水分总含量，并深入分析液滴分离机理，获得准确的分离效率计算方法。

本文基于理想流体流动模型，建立单丝的分离效率理论计算模型，结合Carpenter的网垫级模型[4]，编制计算程序，利用该程序对丝网气水分离器的分离效率进行分析。

1 HTR-PM氦净化系统工程验证试验回路

图1示出球床模块式高温气冷堆（HTRPM）氦净化系统工程验证试验回路流程示意图。系统正常运行时，由大型氦气试验回路主氦风机提供压头，驱动40kg／h的氦气流经氦净化系统。首先通过尘埃过滤器，去除掉95%以上的固态粉尘颗粒。此后，流经电加热器被加热到氧化铜床的工作温度250℃，所含杂质H2、CO被转化成H2O和CO2。从氧化铜床流出的氦气经管道过滤器过滤后，进入水／氦冷却器被进一步降温至接近10℃，随即流入丝网气水分离器，分离出的水排向丝网气水分离器底部的量筒。从丝网气水分离器流出的氦气进入分子筛床，吸附氦中的H2O和CO2。从分子筛床流出的氦气进入低温吸附器，被冷却到约－190℃，此时，氮、甲烷和惰性气体杂质被吸附。

图1 HTR-PM氦净化系统工程验证试验回路流程示意图
Fig.1 Scheme of flow chart of HTR-PM helium purification system engineering validation test loop

本系统设置了1台隔膜式压缩机，当系统进行设备性能试验时，可与主回路隔离，通过隔膜式压缩机来驱动运行。氧化铜床、分子筛床和低温吸附器在运行一段时间后，需通过氦净化再生系统进行再生。在HTR-PM氦净化系统工程验证试验回路上将进行分子筛床和低温吸附器的吸附性能试验及丝网气水分离器的性能试验等，进而验证HTR-PM氦净化系统功能完整性、系统净化性能、经济性及运行可靠性。

图2示出丝网气水分离器中核心部件网垫级照片，它由多层丝网层叠而成，各层丝网之间随机排列。图3示出一般编制形状的单层丝网，它由单根网丝交错编制而成，网丝直径约为200μm。

图2 网垫级
Fig.2 Mesh pad

进行丝网气水分离器性能试验时，试验段如图4所示。当气体通过丝网气水分离器入口，自下而上通过网垫级时，由于惯性作用，与丝网的表面碰撞，液滴随即在细丝表面聚集而扩张，不断变大的液滴由于重量产生的重力超过气速向上的剪切力和液体表面张力的合力时，液滴就下落而被分离。通过配备立体显微镜头的高速CCD摄像仪，对进出口取样段进行拍照，利用计算机对采集到的图像进行分析处理，获得液滴粒径分布。另外，通过水分析仪实时监测丝网气水分离器进出口水分浓度，计算分离效率。根据这些试验数据，分析液滴在丝网中的惯性碰撞分离机理，并验证理论计算模型。

图3 单层丝网
Fig.3 Single layer pad

图4 丝网气水分离器性能试验示意图
Fig.4 Scheme of wire mesh mist eliminator performance test

2 丝网气水分离器效率计算模型

根据牛顿定律，物体运动的微分方程为：

式中：M 为物体质量，kg；v为颗粒速度，m／s；T为时间，s；F为物体的受力，N。

对于在气流中运动的球状液滴，首先受到斯托克斯力，该力服从斯托克斯定律：

式中：RP为液滴半径，m；U 为气流速度，m／s；μ为气体的动力黏度，Pa·s。

液滴受到本身重力及气流对其产生的浮力，由于液滴密度远大于气体密度，可忽略浮力。假设气流垂直于网丝轴线，将斯托克斯定律带入牛顿公式，并考虑液滴的重力，液滴的速度方程为：

由式（3）、（4）进一步可得液滴运动轨迹方程为：

式中：ux、uy与vx、vy分别为气流与液滴分速度除以气流参照速度U得到的无量纲速度，x表示竖直方向，y表示水平方向；g为重力加速度；t为无量纲时间；St为斯托克斯数，即颗粒的停止距离与障碍体定性尺寸之比。

t和St定义如下：

式中：ρP为液滴密度，kg／m3；Rf为网丝半径，m。

本文研究中，液滴直径较网丝直径小1个数量级，且网丝长度相对液滴直径至少大5～6个数量级。因此为简化分析，引入理想流体绕流圆柱的速度场方程[7]：

他居然点上了一支烟。烟雾升腾中，他写了一条短信：竹，不管多晚，我都会回来。等我。发送后，他关闭了手机。手机入袋，他舒了一口气。转念间，又摸出手机，开启。摁了几个键以后再次关闭。随即，开门下车。医院的大门前是五级台阶，他两步迈上台阶。在三楼妇产科的玻璃门前，他拦住了一名女医生。确切地说，是那名医生拦住了他。没看见牌子吗？不能吸烟！

将式（9）、（10）代入式（5）、（6），得到1个二元二阶非线性微分方程组，方程未知数为液滴运动轨迹的x和y坐标：

对式（12）进行同样处理。降阶后的方程结合初值条件和边界条件，即可利用龙格－库塔方法对微分方程组进行离散求解。

以网丝中心为圆心，以Rf＋RP为半径作圆，如果液滴运动轨迹与此圆相交即表示粒子与网丝发生碰撞被捕集。通过改变起始点，找出1条与该圆接触的最靠外的轨迹线，与之对应的是能与网丝相撞、被捕集的液滴的临界起始位置。记录此轨迹线起始点的y坐标，记为ymax，则得：

式中，E1为惯性碰撞单丝效率，即撞击网丝的粒子数与流经网丝在上游投影面的粒子数量之比。

获得单丝效率后，结合Carpenter的网垫级模型，即可求解丝网气水分离器的整体效率：

式中：l为所有丝网中丝的总长，m；N为气流经过的丝网层数；A为气流通过丝网气水分离器的截面积，m2。

3 结果与分析

3.1 模型验证

利用VB.NET语言编制获得计算程序SEP-WMME，利用该程序对丝网气水分离器的效率进行计算与分析。

Brunazzi建立了一试验回路对丝网气水分离器进行了研究[5]，采用马尔文粒度仪对丝网气水分离器进出口不同粒径的液滴含量进行测量，获得了分离效率的试验数据。其中具有代表性的A组网垫级参数列于表1。

表1 Brunazzi试验回路中网垫级参数
Table 1 Parameters of mesh pad in Brunazzi’s experimental loop

图5示出分离效率计算结果与试验结果的比较，可看出，计算结果与试验结果吻合较好。丝网气水分离器对5μm以上的液滴有较好的分离效率，分离效率随液滴粒径的增大而快速提高。因丝网气水分离器采用惯性碰撞原理进行分离，液滴惯性越大，当气流流经丝网而发生偏转时，被甩击到丝网上的可能性越大。液滴粒径达到10μm时，分离效率将达90%左右。此后，再进一步增大液滴粒径，分离效率缓慢提高，并逐步接近100%。从图5可看出，计算的分离效率略低于试验值，其原因是计算采用的操作气速是指去除网垫级后的空床速度，而实际上携带液滴的气流流经丝网的速度要略大于计算中的操作气速。

图5 分离效率计算结果与试验结果的比较
Fig.5 Comparison between calculated and experimental separation efficiency

3.2 操作气速对分离效率的影响

本文选取HTR-PM氦净化系统工程验证试验回路氦净化再生系统气水分离器，利用SEP-WMME程序对其进行研究分析，相关结构参数与运行参数列于表2。

表2 氦净化再生系统丝网气水分离器参数
Table 2 Parameters of wire mesh mist eliminator in regeneration system

对不同液滴粒径，操作气速对分离效率的影响示于图6。由图6可看出，对于3μm的液滴，气速达到3.0m／s以上才能获得90%左右的分离效率，所以操作气速不宜过低。

通常利用Souders-Brown经验关系式获得极限操作气速：

图6 操作气速对分离效率的影响
Fig.6 Effects of operation velocity on separation efficiency

式中：ρL为液滴密度，kg／m3；ρG为气体密度，kg／m3；K为网垫级常数，取决于网垫级的高度和工作介质的物理性质[8]，一般产品供应商会通过试验的方法提供具体数值。

根据式（16），丝网气水分离器设计操作气速计算方法如下：

式中：ug为操作气速；uf为液泛速度。

根据Souders-Brown经验关系式及表2数据，计算得到的操作气速范围为3.65～5.83m／s，由此可看出，本文模型计算结果与经验计算结果较吻合。操作气速选择过高一方面带来较大压力损失，另一方面，继续提高气速，气流对丝网上被截留下来的液滴产生剪切力，阻碍液相流体向下排出，使液体在网垫级中不断累积，分离效率下降。进一步提高气速，液膜被撕裂，将产生二次携带液滴，分离效率急剧下降，发生液泛现象。本文的计算模型中未包含液泛模型，这方面的研究还需在后续工作中进一步改进。

3.3 丝网厚度对分离效率的影响

影响丝网气水分离器分离效率的另一参数是丝网厚度，即丝网的层数。分离效率与丝网层数的关系示于图7。由图7可看出，层数越多，分离效率越高。这是因为穿透第1层的液滴将可能与下一层丝网碰撞而分离。但层数达到一定程度，效率的增加变得很缓慢。再进一步增加层数，压力损失将会增大。

图7 层数对分离效率的影响
Fig.7 Effects of number of layers on separation efficiency

3.4 丝径对分离效率的影响

除丝网层数，丝网直径对分离效率也有很大影响，图8示出不同液滴粒径时分离效率与丝径的关系。同一粒径时，丝径越小，分离效率越高，尤其对于粒径小的液滴。其原因是丝径越小，气流经过丝网时，发生偏转的曲率半径越小，液滴被甩击到丝网上的可能性越大。但对于大于5μm的液滴，这种影响并不明显，其惯性作用占主要因素。因此，应尽可能选择丝径小的丝网来分离粒径小的液滴，提高分离效率。

图8 丝径对分离效率的影响
Fig.8 Effects of wire diameter on separation efficiency

4 结论

本文基于理想流体流动模型，结合Carpenter的网垫级模型，建立丝网气水分离器的分离效率计算模型。基于该模型编制了SEP-WMME计算程序，利用该程序对HTR-PM氦净化系统工程验证试验回路氦净化再生系统的丝网气水分离器进行了分析研究，得到如下结论。

1）基于本文的分离效率计算模型，计算结果与试验结果吻合较好，该模型可用于丝网气水分离器的分离效率计算。

2）对于氦净化再生系的丝网气水分离器，操作气速不宜过低，当气速达到3.0m／s以上时，才能获得较理想的分离效率。

3）分离效率随丝网的层数增加而提高，达到一定程度，效率提高不再明显，需考虑压力损失，选择合适的层数。

4）丝径越小，分离效率越高，应尽可能选择丝径小的丝网。