本發(fā)明涉及一種水錘緩解裝置，屬于熱工水力回路系統(tǒng)設備的領域。具體涉及一種安裝于容器接管位置的、可以對該處由于汽液兩相不連續(xù)沖擊導致的水錘現象進行緩解的設備。

背景技術：

熱工水力回路系統(tǒng)中存在大量的交界面，管道到容器的接管為一種較常見的交界面形式。如圖1所示，當水平接管中出現不連續(xù)的氣（汽）液兩相流動時，在接管處就會產生以下現象：聚集的氣相（氣團）從接管位置進入容器，由于氣（汽）液密度差，氣團離開接管位置將迅速向上運動，而氣團原空間位置被氣團推離壁面的液體同時也將迅速回彈并撞擊壁面，形成水錘現象。氣（汽）液相越不連續(xù)，氣團聚集越大，水錘能量越大。水錘現象會造成較大的噪聲震動和機械沖擊，對設備造成破壞。在低壓沸騰的工業(yè)環(huán)境和試驗裝置中，水錘現象比較常見，除接管位置外，彎頭、三通、變徑、閥門等流動方向截面突變的場合也是容易發(fā)生水錘現象的常見位置，原理類似。

通常工業(yè)上對于水錘現象的遏制，一般采取加大管道中的流速的方式，使得氣（汽）相得以分散不凝集成較大的氣團；或在管道中設置均流裝置，使氣（汽）液兩相攪混，將氣團碎裂成均勻分布的小氣泡，從而有效的減少水錘的破壞。但對于某些特定場合，如自然循環(huán)回路系統(tǒng)，其系統(tǒng)流量較小且不可調節(jié)，另外均流裝置因為流動阻力過大不得采用，此時水錘現象難以消除，為保護設備，必須采用其他的措施加以緩解。

針對上述問題，本發(fā)明提供了一種新的水錘現象緩解裝置，從而解決上述的問題。

技術實現要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種水錘緩解裝置，其安裝于管道與容器的接口位置，當管道內介質為蒸汽-水兩相混合物時，通過冷凝、碎化和汽水分離作用，減少交界面上的蒸汽聚集，對水錘現象進行緩解，并且具有相對較小的流動阻力。為了實現上述目的，本發(fā)明的技術方案如下：

一種設置在管道和容器連接位置的汽液兩相水錘現象緩解裝置，所述裝置包括從管道端部延伸到容器內部的接管，所述接管連接彎頭一個端部，所述彎頭的另一端部向上延伸并連接消音筒，所述消音筒上端封堵，在側面開孔，所述冷凝腔體設置在消音筒外部，所述冷凝腔體下端蓋連接消音筒外壁，所述下端蓋為孔板，所述的緩解裝置整體浸泡在容器的水環(huán)境中。

作為優(yōu)選，所述的冷凝腔體的上端蓋設置排汽孔。

作為優(yōu)選，所述冷凝腔體和消音筒為相同中心線的圓筒結構。

作為優(yōu)選，消音筒側面的開孔的總面積大于管道流通面積的1.2倍。

作為優(yōu)選，消音筒沿著高度方向延伸，將消音筒側面單位長度的開孔面積S設置為高度H的函數，即S＝F（H），F’(H)<0，其中F’(H)是F（H）的一次導數。

作為優(yōu)選，F"(H)<0，其中F"(H)是F（H）的二次導數。

作為優(yōu)選，所述消音筒的上端蓋和冷凝腔的上端蓋之間的距離為冷凝腔體高度的1/8-1/10，所述冷凝腔體的下端蓋與消音筒側面的最下側的孔的中心點的距離為冷凝腔體高度的1/6-1/5。

作為優(yōu)選，所述排汽孔連接排汽管道，所述排汽管道上設置排汽閥。

作為優(yōu)選，所述的管道上設置閥門，所述的冷凝腔體內設置水位傳感器，所述的閥門、排汽閥門和水位傳感器與控制器進行數據連接，所述控制器根據檢測的水位自動控制排汽閥門進行排汽。

作為優(yōu)選，如果檢測的水位低于第一數值，則控制器控制排汽閥門自動打開，同時減小閥門的開度；如果測量的水位高于第二定數值，則控制器控制排汽閥門自動打開，同時增加閥門的開度。

與現有技術相比較，本發(fā)明的具有如下的優(yōu)點：

1）蒸汽-水兩相混合物從水平管道進入消聲筒，通過消聲筒側面的孔洞進入冷凝腔體，大的蒸汽汽團經過孔洞的節(jié)流作用，將被分解成小的汽泡，以鼓泡的形式進入冷凝腔體的水中，由于大汽團的碎化作用，加之冷凝腔體內的水質量較小，第一個交界面——消聲筒側孔洞位置的水錘沖擊被有效削弱；

2）進入冷凝腔體的蒸汽-水兩相混合物在密度差作用下進行了汽水分離，蒸汽位于冷凝腔體上部，水位于下部。水通過冷凝腔體下部的孔洞離開裝置進入容器，由于是單一的液相，第二個交界面——冷凝腔體下孔洞位置不存在水錘現象；

3）由于冷凝腔體整體浸泡于容器水空間中，利用冷凝腔殼體的導熱作用和外部大空間水介質的冷卻作用，位于冷凝腔內上部的、經過汽水分離的蒸汽空間可以得到冷凝，減少蒸汽的聚集。冷凝水經壁面流入冷凝腔內下部的水空間，最終經冷凝腔體下孔洞流出裝置。冷凝腔殼體采用銅材質可以提高殼體的導熱能力；

4）冷凝腔頂部設置一個排汽口，可以排出多余的蒸汽，防止冷凝腔內蒸汽過量。在設備投入前排出冷凝腔中的空汽，使冷凝腔充滿水。

5）通過設置排汽閥門和閥門及其水位檢測裝置，從而自動控制排汽和水的輸送，從而避免水錘現象嚴重，緩解水錘現象。

6）消音筒外側設置端部為尖狀的桿，可以在汽液兩相流的流動中，一方面可以破壞層流底層，增加傳熱面積進行強化傳熱，而且因為是桿，流動阻力小，也不會增加殼程的流動阻力，而且通過設置尖端部，能夠刺破汽泡，實現擴大汽液界面以及汽相邊界層并增強擾動，進一步促進汽體的冷凝和向上排放。

7）通過設置金屬桿沿著流體流動方向以及高度方向上的規(guī)律變化，進一步的提高了換熱效果。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的水錘現象發(fā)生的示意圖；

圖2是本發(fā)明的緩解裝置的整體結構示意圖；

圖3是消音筒側面設置金屬桿的側面示意圖；

圖4是消音筒側面設置金屬桿的另一實施例側面示意圖。

圖中：1-接管；2-連接法蘭；3-彎頭；4-消音筒；4-1孔；5-冷凝腔下端蓋；6-冷凝腔體；7-排汽管；8-排汽閥；9控制器，10金屬桿，11水位傳感器。

具體實施方式

下面結合附圖對本發(fā)明的具體實施方式做詳細的說明。

本文中，如果沒有特殊說明，涉及公式的，“/”表示除法，“×”、“*”表示乘法。

圖1公開了一種設置在管道和容器連接位置的汽液兩相水錘現象緩解裝置，如圖1所示，所述裝置包括從管道端部延伸到容器內部的接管1，所述接管1連接彎頭3一個端部，所述彎頭3的另一端部向上延伸并連接消音筒4，所述消音筒4上端封堵，在側面開孔，冷凝腔體6設置在消音筒4外部，所述冷凝腔體6下端蓋5連接消音筒4外壁，所述下端蓋5為孔板，所述的緩解裝置整體浸泡在容器的水環(huán)境中。

本發(fā)明采取上述結構后，蒸汽-水兩相混合物從水平管道進入消聲筒，通過消聲筒側面的孔洞進入冷凝腔體，大的蒸汽汽團經過孔洞的節(jié)流作用，將被分解成小的汽泡，以鼓泡的形式進入冷凝腔體的水中，由于大汽團的碎化作用，加之冷凝腔體內的水質量較小，第一個交界面——消聲筒側孔洞位置的水錘沖擊被有效削弱；

進入冷凝腔體的蒸汽-水兩相混合物在密度差作用下進行了汽水分離，蒸汽位于冷凝腔體上部，水位于下部。水通過冷凝腔體下部的孔洞離開裝置進入容器，由于是單一的液相，第二個交界面——冷凝腔體下孔洞位置不存在水錘現象；

由于冷凝腔體整體浸泡于容器水空間中，利用冷凝腔殼體的導熱作用和外部大空間水介質的冷卻作用，位于冷凝腔內上部的、經過汽水分離的蒸汽空間可以得到冷凝，減少蒸汽的聚集。冷凝水經壁面流入冷凝腔內下部的水空間，最終經冷凝腔體下孔洞流出裝置。冷凝腔殼體采用銅材質可以提高殼體的導熱能力；

作為優(yōu)選，所述冷凝腔體6和消音筒4為相同中心線的圓筒結構。它們在橫截面上具有相同的圓心。通過如此設置，能夠使得流體和蒸汽分布更加均勻，避免局部出現蒸汽過多，產生汽錘現象嚴重。

作為優(yōu)選，消音筒4側面的開孔的總面積大于管道流通面積的1.2倍。優(yōu)選消音筒4側面的開孔的總面積是管道流通面積的1.4-1.6倍。上述數據是經過大量實驗獲得，因為產生汽體，從而導致汽液兩相流體積增加，因此相應的開孔面積也要增加。但是開孔面接不能過大，如果過大，則起不到相應的碎化大汽泡的作用，因此經過大量的實驗選擇了最佳的尺寸關系。

作為優(yōu)選，消音筒沿著高度方向延伸，將消音筒側面單位長度的開孔面積S設置為高度H的函數，即S＝F（H），F’(H)<0，其中F’(H)是F（H）的一次導數。上述的結果也是通過實驗驗證，經過實驗發(fā)現，通過如此設置，能夠在相同的開孔總面積下，進一步緩解水錘現象，能夠減少20－25％左右的水錘現象。通過事后進行分析，初步判斷是因為上部的消音筒的上端蓋的阻擋，上部水錘現象相對少一些，而且因為流體從下部向上走，下部流體流量相對大一些，水錘現象相對多一些，因此通過上述設置，能夠進一步緩解水錘現象。

作為優(yōu)選，F"(H)>0，其中F"(H)是F（H）的二次導數。

通過上述的二次導數的設置，通過實驗發(fā)現，能夠進一步緩解水錘現象，大約降低10％左右的水錘現象。

作為優(yōu)選，所述消音筒4的上端蓋和冷凝腔6的上端蓋之間的距離h1至少是冷凝腔體6高度的1/10,優(yōu)選為冷凝腔體6高度的1/10-1/8，所述冷凝腔體6的下端蓋與消音筒4側面的最下側的孔的中心點的距離h2至少為冷凝腔體6高度的1/6，優(yōu)選為冷凝腔體6高度的1/6-1/5。

h1不能過低，過低則會導致上部空間太少，蒸汽一多就會導致消音筒側面的上端的孔就會浸泡在汽體中，會產生嚴重的產生水錘現象，h1過高，則導致冷凝腔體6的占用空間過大，費用過高。

同樣，h2不能過小，過小的話，則從消音筒下端孔出來的水可能會直接帶著水蒸汽從冷凝腔下孔板進入容器，而且會導致水錘現象，過高，則導致冷凝腔體6的占用空間過大，費用過高。

上述的尺寸是通過大量實驗得到的，滿足了緩解水錘現象的需要及其空間和成本的要求。

作為優(yōu)選，如圖1所示，所述的冷凝腔體的上端蓋設置排汽孔。進一步有選，所述排汽孔連接排汽管道7，所述排汽管道7上設置排汽閥8。通過設置排汽閥8，能夠及時排出冷凝腔體上部沒有冷凝的水蒸汽。

作為優(yōu)選，所述的管道上設置閥門，用于控制進入緩解裝置中的水的流量，所述的冷凝腔體6內設置水位傳感器11，所述的閥門、排汽閥門8和水位傳感器與控制器9進行數據連接，所述控制器9根據檢測的水位自動控制排汽閥門進行排汽。

雖然附圖作為示意圖的僅僅顯示了一個。但是作為優(yōu)選，水位傳感器11為多個，可以設置在冷凝器墻體6內的不同高度，分別測量不同高度的水位。

作為優(yōu)選，如果檢測的水位低于第一數值，則控制器控制排汽閥門8自動打開，進一步有選，可以同時減小閥門的開度；如果測量的水位高于第二定數值，則控制器控制排汽閥門8自動打開，進一步優(yōu)選同時增加閥門的開度。

通過上述的自動控制，可以根據水位的高低來只能判斷冷凝腔體內的水蒸汽含量的多少，如果多，則自動排汽，優(yōu)選同時減少進水量，避免產生水錘現象，如果水蒸汽含量少，則可以增加進水量，同時減少排汽，避免水損失。

作為優(yōu)選， 當測量的水位低于第一水位時，控制器8控制蒸汽閥8以第一開度進行排汽；當測量的水位低于比第一水位低的第二水位時，控制器8控制蒸汽閥8以高于第一開度的第二開度進行排汽；當測量的水位低于比第二水位低的第三水位時，控制器8控制蒸汽閥8以高于第二開度的第三開度進行排汽；當測量的水位低于比第三水位低的第四水位時，控制器8控制蒸汽閥8以高于第三開度的第四開度進行供水；當測量的水位低于比第四水位低的第五水位時，控制器8控制蒸汽閥8以高于第四開度的第五開度進行供水。

作為優(yōu)選，第一水位是第二水位的1.1-1.3倍，第二水位是第三水位的1.1-1.3倍，第三水位是第四水位的1.1-1.3倍，第四水位是第五水位的1.1-1.3倍。

作為優(yōu)選，第一水位是第二水位的1.1-1.15倍，第二水位是第三水位的1.15-1.2倍，第三水位是第四水位的1.2-1.25倍，第四水位是第五水位的1.25-1.3倍。

作為優(yōu)選，第五開度是第四開度的1.2-1.25倍，第四開度是第三開度的1.15-1.2倍，第三開度是第二開度的1.1-1.15倍，第二開度是第一開度的1.08-1.12倍。

通過上述水位和閥門開度的優(yōu)選，尤其是通過差別化的水位和閥門開度的設定，可以快速的實現排出蒸汽，減少水損失，快速的避免水錘現象。通過實驗發(fā)現，能夠減少12－16％左右的水錘出現，同時節(jié)約10％左右的排汽。

作為優(yōu)選，如圖3所示，所述消音筒4的側面的外壁向外延伸的金屬桿10，所述金屬桿10端部為尖狀結構10-1，所述金屬桿設置在每個孔的上部，從消音筒4的側面的外壁向下延伸。

消音筒4的側面的外壁設置端部為尖狀的桿，可以使得從消音筒4的側面的孔排出的汽水混合物中，一方面可以破壞層流底層，并且增加傳熱面積進行強化傳熱，而且因為是桿，流動阻力小，也不會增加殼程的流動阻力，而且通過設置尖端部，能夠刺破汽液兩相流中的汽泡，實現擴大汽液界面以及汽相邊界層并增強擾動，打碎汽水混合物中的汽體。而且因為向下延伸，因此汽團在上升過程中碰到尖部從而破碎，也能夠進一步強化水蒸汽的冷凝。

所述金屬桿設置在每個孔的上部，使得每個孔出來的汽團直接碰撞尖狀結構，從而減少水錘現象。

作為優(yōu)選，如圖2所示，所述金屬桿10與側壁面的夾角A是30－60度，進一步優(yōu)選為40－45度。

作為優(yōu)選，金屬桿10的端部的尖狀結構10-1距離側壁面的距離h優(yōu)選為孔直徑的1.4-1.6倍。

通過上述優(yōu)選的夾角和距離，使得阻力較小的情況下，實現很好的換熱效果。

作為優(yōu)選，沿著消音筒高度方向，所述金屬桿10為多個，金屬桿10的分布密度M作為高度H的函數f（H），即M=f(H ), f’(H)>0，其中f’(H)是f（H）的一次導數。即沿著高度H方向，所述的金屬桿10的分布密度越來越大。因為沿著高度H方向，汽團向上走，導致汽團越來越多，因此通過有規(guī)律的設置多個尖狀金屬桿10，可以進一步破碎汽團，提高水蒸汽的冷凝程度，節(jié)約材料。通過實驗發(fā)現，有規(guī)律地設置金屬桿10的分布密度，能夠增加18％左右的水蒸汽的冷凝量，而且還能降低6％左右的流動阻力。

作為優(yōu)選，f"(H)>0，其中f"(H)是f（H）的二次導數。即沿著高度方向，所述的金屬桿10的分布密度越來越大的幅度不斷的增大。在實驗中發(fā)現，汽體的增長不是隨著距離線型的增長，而且呈增加式的增長，因此通過設置上述的規(guī)律變化，進一步提高汽團的破碎速度和程度，提高冷凝程度。

作為優(yōu)選，金屬桿10包括連接側面外壁的傾斜部分10-2和與傾斜部分10-2相連并且與消音筒側面平行的平行部分10-3。所述的尖部10-1設置在平行部分10-3的端部。

通過設置平行部分10-3，可以使尖部10-1直插汽團的流動方向，提高汽團破碎程度和冷凝效果，減少水錘現象。

作為優(yōu)選，如圖4所示，所述傾斜部分10-2與側壁的夾角A為45－70度，優(yōu)選為55－60度。

通過上述優(yōu)選的夾角，使得阻力較小的情況下，實現很好的換熱效果。

下面進行具體的說明。

所述裝置安裝于容器內部，管道的延伸部分。裝置通過法蘭連接與管道延伸的接管連接，方便裝置的拆裝；裝置各部件之間采用焊接的方式；裝置頂部焊接一根排汽管，排汽管穿過容器壁伸至外部，通過一個排汽閥開關和調節(jié)排汽量。具體的實施如下：

（1）在容器內部、管道與容器的接管位置焊接一段接管，使管道沿軸線方向朝容器內部延伸一段長度，接管采用不銹鋼材質，接管的端面焊接一個法蘭。接管的長度根據實際情況，以滿足焊接和法蘭螺栓裝配的操作空間為準；

（2）裝置通過與接管法蘭配對的法蘭與接管進行活動連接，法蘭配對面可采用凹凸面、隼槽面等多種形式，墊片可采用石棉橡膠墊、石墨纏繞墊、聚四氟乙烯墊等多種形式，可根據系統(tǒng)參數和現場實際情況進行選擇；

（3）裝置的法蘭后焊接一個不銹鋼彎頭，彎頭另一頭焊接消音筒，彎頭的角度滿足使消音筒軸線方向豎直向上；

（4）消音筒為圓管結構，上端焊接盲板，不銹鋼材質。管側面均勻排列圓孔。圓孔內徑最大不超過Φ10mm，孔間距大于孔徑的兩倍，所有圓孔的總流通面積大于管道流通面積的1.2倍；

（5）冷凝腔體為圓筒結構，銅材質，軸向方向豎直向上。上端口焊接銅制盲蓋板，下端口焊接不銹鋼孔板?？装逯行拈_有同心圓孔，內徑比消音筒外徑大1~3mm，將消音筒從該孔插入，插入深度使孔板位于消音筒最后一排孔洞高度以下。消音筒和孔板采取焊接連接?？装鍍葓A和外圓之間周向均勻分布排水圓孔，排水圓孔總流通面積不小于管道流通面積；

（6）冷凝腔體上蓋開有圓形排汽孔，采用焊接與排汽管連接。排汽管穿過容器壁伸至外部，通過一個排汽閥開關和調節(jié)排汽量。排汽管的出口通向安全空間。

雖然本發(fā)明已以較佳實施例披露如上，但本發(fā)明并非限定于此。任何本領域技術人員，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內，均可作各種更動與修改，因此本發(fā)明的保護范圍應當以權利要求所限定的范圍為準。