气液分离器(研学丨初识燃料电池气液分离器)

气液分离器

在PEMFC中,水会伴随着燃料电池的运行而产生,而这些产生的水部分会被气流带出燃料电池电堆,部分由阴极尾排排出,部分进入到阳极的循环中。通常燃料电池系统阳极需要配有水分(如下图)。
混合气体在出电堆后,由于降温带来的冷凝,许多液态水在阳极的循环气中产生。如果不对混合汽进行水汽分离,和液态水的排出,许多液态水会随之进入电堆内,造成阳极水淹。另外阳极循环中累计的水也会加重氢循环泵/引射器的工作负荷,降低他们的性能甚至导致故障。因此,在燃料电池系统中使用气水分离器是必要的。(为了便于解释,本文中的气液分离无特别说明均指气水分离)
气水分离器本质上是一种气液分离器。气液分离器有许多种,但是基本原理相似。
气液分离器的基本原理
通过阅读一些资料,小编认为气液分离器的基本原理可以概括为:在一个容器中,利用流体转向过程时气液的比重不同,液体下沉与气体分离。在利用挡板时,通常用挡板使这种使主流体转向。而在旋风式气水分离器中,液体被高速气流甩到容器壁上,这些液体失去动能后实现与气体分离。还有的利用过滤或冷凝器实现气液分离。不同气液分离原理的设计可以集成在一个气液分离器中使用。
气液分离器的种类
油气和化工行业中常见的油气分离器和蒸汽气液分离器都属于气液分离器,我们这里参考它们类比来学习一下燃料电池气液分离器:
依据配置方式:立式气液分离器这种立式分离器配置中,液体从侧面进入分离器。最初的分离过程发生在入口分流器处。分流器使流体中的液体和气体流向突然改变,因为密度不同,流体中液态水的部分下降到液体收集部分,而气体则向上移动。从液体中分离出来的气体将流过入口分流器,继续向上流向气体出口。而气体中夹带的部分较小液体会在上升过程中形成液滴,落到下面的液体收集区。
卧式气液分离器液体和水蒸汽的初始分离发生在入口分流器处。混合气体进入分离器并撞击入口分流器,导致流体方向突然改变。重力使液滴从混合气体中掉落到容器底部,在液体收集区里被收集。
球状气液分离器球状气液分离器为立式气液分离器的一种特例。由于在燃料电池领域应用比较少见,这里就不多赘述了。
依据气液分离原理分类:
这些不同配置方式的气液分离器可以结合不同的气液分离原理来使用,那么根据气液分离原理,气液分离器还可以做以下分类:
旋风式 Cyclonic type

如上图,旋风式或离心式气液分离器使用一系列翅片产生高速旋流。蒸汽的速度使其绕着分离器主体旋转,将较重的悬浮水甩到壁上,然后通过下方的排水阀排出。
下面这个视频中的CFD仿真动画(第二幅isosurface water 的图代表分离器中水的状态)能够帮助我们更加清楚地理解旋风式气液分离器的工作状态 :
挡板式 Baffle type

如上图和视频,挡板式或叶片式气液分离器由若干块挡板和容器壁组成,当水汽通过分离器本体时,会使气液混合流多次改变方向。悬浮的水滴比蒸汽的密度大,惯性大。当气液混合流体流向发生变化时,干蒸汽绕着挡板流动,水滴聚集在挡板上。此外,随着气液分离器截面积的增大,流体的速度随之降低。这同时降低了水滴的动能,使大部分的水滴从悬浮液中掉落,凝结水聚集在分离器的底部,通过排水阀排出。

如上图,挡板式的结构也可以设计在卧式气液分离器中,实际工作状态与立式相似。
下面这个视频中的CFD仿真动画能够帮助我们更加清楚地理解挡板式气液分离器的工作状态(第二幅isosurface water 的图代表分离器中水的状态):

凝聚式 Coalescence type:

凝聚型气液分离器在蒸汽路径中提供了一个障碍物。该障碍物通常是一个铁丝网垫(有时也被称为除雾器垫),水分子被夹在上面。这些水分子往往会聚集在一起,产生的水滴太大而无法被气体系统进一步带走。随着液滴大小的增加,它们变得太重,最终落入分离器的底部。常见的气液分离器,是将凝聚和旋流式的操作结合起来。结合起来的气液分离器的效率会更高。
作者:楚轩校对:鲤琨
参考资料:1.《气液分离器的工作原理和分离种类》2. https://www.spiraxsarco.com/learn-about-steam/pipeline-ancillaries/separators3. https://petrowiki.org/Separator_types4.http://www.jmcampbell.com/tip-of-the-month/2015/09/gas-liquid-separators-sizing-parameter/5.https://www.tlv.com/global/ME/steam-theory/separators.html
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