CN114259801A - 一种渐开线式离心分水器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一渐开线式离心分水器，包括壳体和螺旋叶片，所述壳体中设有进气腔室和分离腔室，所述进气腔室轴向沿着前后方向，呈且进气腔室垂直于轴向的横截面为圆形，所述进气腔室侧壁从后向前平滑过渡；所述螺旋叶片设置在进气腔室中，所述分离腔室沿着前后方向延伸，且分离腔室后端口与进气腔室相连，所述分离腔室任意处垂直于前后方向的横截面的形状都为渐开线形状，且在渐开线起点0°位置和终点360°的位置之间形成挡壁，所述挡壁上开设有排水孔，所述壳体上具有设置在分离腔室前端的前端壁，所述前端壁上设有出气口。本发明的渐开线式离心分水器，气水分离效果好，能够解决分水不彻底、分水效率降低的问题，且结构简单，使用方便。

Description

一种渐开线式离心分水器

技术领域

本发明涉及分水器领域，具体涉及一种渐开线式离心分水器。

背景技术

燃料电池在运行过程中会不断生成液态水，在气流的作用下，液态水会随着管路在燃料电池系统内部流动。对阳极系统而言，过多的水会导致质子交换膜被水淹，堵塞氢氧反应通道；对阴极系统来说，如果气体中夹带大量液态水，在高速气流的作用下，用以回收能量的涡轮机会受到水滴的冲击腐蚀和动能冲击。因此，一个高效的分水器就十分必要。

目前常见的分水器为迷宫挡板式分水器和离心式分水器。迷宫挡板式分水器大都拥有迷宫流道，同时在气液流流经的通道上设置若干挡板，气体遇挡板会折弯绕过，而液体则会在撞击挡板后沉积下来并经流道排除。由于气体和液体同样要撞击挡板，这种分水器会带来很大的压损，对燃料电池而言，增加了空压机的负载，降低了系统有效的功率输出。离心式分水器利用气体和液体的密度差别，在螺旋扇叶的作用下，将密度较大的水滴甩至管壁，汇流后分离。实验结果表明，这种分水器在中低流速的时候有很好的表现，但是在气流速度较高的时候，会发生水滴始终沿分水器内腔壁旋转却并不沉降汇集的现象；同时在高速气流作用下，本已积聚在内腔底部的液态水会被冲散，重新分布于空气中，导致分水不彻底、分水效率降低。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明要解决的技术问题在于提供一种渐开线式离心分水器，提高气水分离效率。

为实现上述目的，本发明提供一种渐开线式离心分水器，包括壳体和螺旋叶片，所述壳体中设有进气腔室和分离腔室，所述进气腔室轴向沿着前后方向，呈且进气腔室垂直于轴向的横截面为圆形，所述进气腔室侧壁从后向前平滑过渡；所述螺旋叶片设置在进气腔室中，所述分离腔室沿着前后方向延伸，且分离腔室后端口与进气腔室相连，所述分离腔室任意处垂直于前后方向的横截面的形状都为渐开线形状，且在渐开线起点0°位置和终点360°的位置之间形成挡壁，所述挡壁上开设有排水孔，所述壳体上具有设置在分离腔室前端的前端壁，所述前端壁上设有出气口。

进一步地，所述进气腔室呈圆柱形或圆锥形。

进一步地，所述分离腔室从后向前横截面逐渐变大，且在挡壁的前侧处设有排水孔。

进一步地，所述分离腔室横截面的渐开线基圆的轴线与进气腔室轴线同轴。

进一步地，所述分离腔室的侧壁从后向前呈直线倾斜，

进一步地，所述分离腔室侧壁与渐开线基圆轴线之间的夹角α与螺旋叶片的螺旋角β满足α＝0.9β～1.1β。

进一步地，所述壳体包括设置在前端壁内侧且与出气口连接的出气管。

进一步地，所述出气管向外伸出于前端壁。

进一步地，所述壳体包括后端段、中间段和前端壁，所述后端段与中间段可拆卸连接，所述进气腔室后部分位于后端段中、前部分位于中间段中，所述分离腔室位于中间段中，所述前端壁可拆卸地固定连接在中间段前侧端，所述螺旋叶片安装在后端段中。

如上所述，本发明涉及的渐开线式离心分水器，具有以下有益效果：

通过设置螺旋叶片、以及具有进气腔室和分离腔室的壳体，使用时，将挡壁所在侧置于下侧位置，携带有水分的混合气流从进气腔室进入，会在螺旋叶片的作用下改变气流方向，从平流改为绕进气腔室轴心螺旋旋转，气流进入到分离腔室中，并且旋转方向是沿着分离腔室的渐开线型侧壁的延展方向，在离心力作用下将液滴甩至分离腔室侧壁上，由于分离腔室侧壁是渐开线形状，水滴沿着分离腔室侧壁转动时会汇集到挡壁处，液态水不会再因气流旋转作用被冲散，并从挡壁上的排水孔中排出，气体则从出气口出去，实现了气水分离。本发明的渐开线式离心分水器，气水分离效果好，能够解决分水不彻底、分水效率降低的问题，且结构简单，使用方便。

附图说明

图1为本发明的渐开线式离心分水器的结构示意图。

图2为本发明的渐开线式离心分水器的装配示意图。

图3为本发明中的分离腔室的横截面示意图。

元件标号说明

1 壳体

1a 进气腔室

1b 分离腔室

1c 挡壁

1d 排水孔

11 后端段

12 中间段

13 前端壁

2 螺旋叶片

3 出气管

具体实施方式

以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。

须知，本说明书附图所绘的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”等的用语，亦仅为便于叙述明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。

参见图1至图3，本发明提供了一种渐开线式离心分水器，包括壳体1和螺旋叶片2，壳体1中设有进气腔室1a和分离腔室1b，进气腔室1a轴向沿着前后方向，呈且进气腔室1a垂直于轴向的横截面为圆形，进气腔室1a侧壁从后向前平滑过渡；螺旋叶片2设置在进气腔室1a中，分离腔室1b沿着前后方向延伸，且分离腔室1b后端口与进气腔室1a相连，分离腔室1b任意处的垂直于前后方向的横截面的形状都为渐开线形状，且在渐开线起点0°位置和终点360°的位置之间形成挡壁1c，挡壁1c上开设有排水孔1d，壳体1上具有设置在分离腔室1b前端的前端壁13，前端壁13上设有出气口。

本发明涉及的渐开线式离心分水器，使用时，将挡壁1c所在侧置于下侧位置，参见图1，携带有水分的混合气流从进气腔室1a进入，会在螺旋叶片2的作用下改变气流方向，从平流改为绕进气腔室1a轴心螺旋旋转，也即同时具有周向转动和向前运动，通过控制螺旋叶片2的螺距间的截面积，可以控制气流的旋转速度；然后螺旋的气流进入到分离腔室1b中，并且旋转方向是沿着分离腔室1b的渐开线型侧壁的延展方向，旋转流动下的混合气流会在离心力作用下将液滴甩至分离腔室1b侧壁上，由于分离腔室1b侧壁是渐开线形状，参见图3，贴壁的水滴沿着分离腔室1b侧壁转动时会汇集到挡壁1c处，被挡壁1c所阻挡而不再进行旋转，液态水不会再因气流旋转作用被冲散，并从挡壁1c上的排水孔1d中排出，而气体则从分离腔室1b前端的前端壁13上的出气口出去，实现了气水分离。本发明的渐开线式离心分水器，气水分离效果好，能够解决分水不彻底、分水效率降低的问题，且结构简单。

在本实施例中，进气腔室1呈圆柱形，优选地，进气腔室1可以为圆锥形，且圆锥形后端小前端大，在螺旋叶片2工作时，会使部分液态水滴打到进气腔室1侧壁上，采用后小前大圆锥形的进气腔室1，可以使贴壁的液态水滴更容易流向前侧，最后被分离出去。

在本实施例中，参见图1和图2，作为优选设计，分离腔室1b从后向前横截面逐渐变大，也即分离腔室1b大致呈锥形，分离腔室1b侧壁从后向前平滑过渡，可以去曲线过渡，也可以是直线过渡，在挡壁1c的前侧处设有排水孔1d。在螺旋的混合气流进入到分离腔室1b中时，一方面，由于流量一定，分离腔室1b横截面积逐渐增大，会导致气流流速迅速下降，气流中夹带尚未被离心分离的小液滴其质量大于气体分子，因而具有更大的惯性，会继续延螺旋方向运动，更容易被甩至分离腔室1b内壁上，最后汇集到挡壁1c处；另一方面，液滴具有向前的运动，由于分离腔室1b内壁在挡壁1c处从后至前是向下倾斜的，因此液体在挡壁1c处会产生向前流动的现象，最终汇聚在挡壁1c最前侧位置处，而在最前侧位置处挡壁1c高度最大，对液体周转的阻挡效果更好，最终汇聚后的液态水从挡壁1c最前侧处的排水孔1d中排出。当然，在其他实施例中，分离腔室1b也可以是等截面的，此时可在挡壁1c上设置从后向前延伸的条形状的排水孔1d，也能够起到分离水滴的作用，只是效果小于锥形的分离腔室1b。优选地，分离腔室1b横截面的渐开线基圆的轴线与进气腔室1a轴线同轴，混合气流的运动更稳定顺畅，分离效果更好。

在本实施例中，参见图1，优选地，分离腔室1b的侧壁从后向前呈直线倾斜，分离腔室1b侧壁与渐开线基圆轴线之间具有夹角α，能够更好得使液态水底在分离腔室1b侧壁上向前运动。优选地，夹角α与螺旋叶片2的螺旋角β之间关系满足α＝0.9β～1.1β，能够有效地减少分水器内的压力损失，并减少空压机的压力，提升系统能效。

在本实施例中，参见图1，作为优选设计，壳体1包括设置在前端壁13内侧且与出气口连接的出气管3，气流经由出气管3排出，出气管3优选与进气腔室1a同轴设置，出气管3相内伸出的长度可根据实际需要设置，以此，在分离腔室1b前侧处的液态水会被出气管3阻挡，不会在气流作用下从被携带着从出气口出去，进一步确保气水分离效果。优选地，出气管3向外伸出于前端壁13，方便气体排出，也方便与外部管路连接。

在本实施例中，参见图1，作为优选设计，壳体1主要分为三个部段，包括后端段11、中间段12和前端壁13，后端段11与中间段12可拆卸连接，进气腔室1a后部分位于后端段11中、前部分位于中间段12中，分离腔室1b位于中间段12中，前端壁13可拆卸地固定连接在中间段12前侧端，具体可采用螺栓固定连接，出气管3固定在前端壁13中，螺旋叶片2安装在后端段11中，采用这种分段式结构，方便安装和拆卸维修。

本发明的渐开线式离心分水器，可以用于多种场合的汽水分离，特别是能够用于燃料电池系统阴阳极气路中的分水效果，采用离心分离的方式，利用锥形的分离腔室1b的渐开线形状的侧壁，使水滴能够有效地分离和汇聚，提高气水分离效果，可以在不显著增加额外流阻的情况下，保证分水效果；在不增加空压机额外负载的情况下，能够保证燃料电池阳极系统的正常运转，保证燃料电池阴极能量回收装置的安全正常使用。

综上所述，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具有高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (9)

1.一种渐开线式离心分水器，其特征在于：包括壳体(1)和螺旋叶片(2)，所述壳体(1)中设有进气腔室(1a)和分离腔室(1b)，所述进气腔室(1a)轴向沿着前后方向，呈且进气腔室(1a)垂直于轴向的横截面为圆形，所述进气腔室(1a)侧壁从后向前平滑过渡；所述螺旋叶片(2)设置在进气腔室(1a)中，所述分离腔室(1b)沿着前后方向延伸，且分离腔室(1b)后端口与进气腔室(1a)相连，所述分离腔室(1b)任意处垂直于前后方向的横截面的形状都为渐开线形状，且在渐开线起点0°位置和终点360°的位置之间形成挡壁(1c)，所述挡壁(1c)上开设有排水孔(1d)，所述壳体(1)上具有设置在分离腔室(1b)前端的前端壁(13)，所述前端壁(13)上设有出气口。

2.根据权利要求1所述的渐开线式离心分水器，其特征在于：所述进气腔室(1a)呈圆柱形或圆锥形。

3.根据权利要求1所述的渐开线式离心分水器，其特征在于：所述分离腔室(1b)从后向前横截面逐渐变大，且在挡壁(1c)的前侧处设有排水孔(1d)。

4.根据权利要求3所述的渐开线式离心分水器，其特征在于：所述分离腔室(1b)横截面的渐开线基圆的轴线与进气腔室(1a)轴线同轴。

5.根据权利要求4所述的渐开线式离心分水器，其特征在于：所述分离腔室(1b)的侧壁从后向前呈直线倾斜。

6.根据权利要求5所述的渐开线式离心分水器，其特征在于：所述分离腔室(1b)侧壁与渐开线基圆轴线之间的夹角α与螺旋叶片(2)的螺旋角β满足α＝0.9β～1.1β。

7.根据权利要求1所述的渐开线式离心分水器，其特征在于：所述壳体(1)包括设置在前端壁(13)内侧且与出气口连接的出气管(3)。

8.根据权利要求7所述的渐开线式离心分水器，其特征在于：所述出气管(3)向外伸出于前端壁(13)。

9.根据权利要求1所述的渐开线式离心分水器，其特征在于：所述壳体(1)包括后端段(11)、中间段(12)和前端壁(13)，所述后端段(11)与中间段(12)可拆卸连接，所述进气腔室(1a)后部分位于后端段(11)中、前部分位于中间段(12)中，所述分离腔室(1b)位于中间段(12)中，所述前端壁(13)可拆卸地固定连接在中间段(12)前侧端，所述螺旋叶片(2)安装在后端段(11)中。

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