螺杆压缩机油气分离器油气机理分析.doc

螺杆压缩机油气分离器油气机理分析作者：豪顿华工 文章来源：压缩机杂志 点击数：1521 更新时间：2007-4-1 15:51:11 摘要本文以螺杆压缩机的油气分离器为研究对象，对油气分离器内油气分离机理进行了分析。结果表明，在一次油气分离中起主要作用的是油滴随流线在壁面的碰撞过程。关键词：螺杆压缩机 油气分离器引言喷油螺杆压缩机中，在压缩气体的同时，大量的油被喷入压缩机的齿间容积。这些油和被压缩气体形成的油气混合物，在经历相同的压缩过程后，被排到机组的油气分离器中，在油气分离器中进行油、气分离，分离后的空气排放到用户管网中，分离下来的油经过冷却后重新进入压缩机中形成油路循环（图1）。而不能分离掉的少量润滑油随空气排出消耗掉。油气分离器是喷油螺杆压缩机机组系统中的主要设备之一。为了降低机组排气中的含油量和循环使用机组中的润滑油，必须利用油气分离器把润滑油有效地从气体中分离出来。油气分离方法在由被压缩气体和润滑油形成的油气混合物中，润滑油以气相和液相两种形式存在。处于气相的润滑油是由液相的润滑油蒸发所产生的，其数量的多少除取决于油气混合物的温度和压力外，还与润滑油的饱和蒸气压有关。油气混合物的温度和压力愈高，则气相的油愈多；饱和蒸气压愈低，则气相的油愈少。气相油的特性与其他气体类似，无法用机械方法予以分离，只能用化学方法去清除。在一般的运行工况下，油气混合物中处于气相的润滑油很少。一是因为在通常的排气温度下，混合物中润滑油蒸气的分压力很低；二是由于润滑油在从喷入到分离的时间很短，没有足够的时间达到气相和液相间的平衡状态。处于液相的润滑油占了所有被喷入油中的绝大部分，但这种液相油滴的尺寸范围分布很广。大部分油滴直径通常处在150m，少部分的油滴可小至与气体分子具有同样的数量级，仅有0.01m。显然，大油滴和小油滴的性质会有较大的差异。在重力作用下，只要油气混合物的流速不是太快，大的油滴最终都会落到油气分离器的底部。油滴直径越小，其下落的时间就越长。对于直径很小的润滑油微粒，却可以长时间悬浮在空气中，无法在自身重力的作用下，从气体中被分离出来。油气分离器的作用，就是尽可能地把这部分油滴分离出来。按分离机理的不同，喷油螺杆压缩机机组中采用两种不同的油气分离方法。一种称为机械法，即碰撞法或旋风分离法，它是依靠油滴自身重力以及离心力的作用，从气体中分离直径较大的油滴。实际测试表明，对于直径大于1m的油滴，都可采用机械法被有效地分离出来【1】。另一种为亲和聚结法（如图1），通过特殊材料制成的元件（一般称为油细分离器或分离器芯），使直径在1m以下的油滴先聚结为直径较大的油滴，然后再分离出来。现在喷油螺杆压缩机机组中一般都同时采用这两种不同的油气分离方法，即用机械法作为一次分离，而用亲和聚结法作为二次分离。油气分离机理分析在文献【2】中，对如图3结构的油气分离器分离机理进行了分析，认为碰撞在油气分离过程中是主要机制。而对于图4结构的切向入口油气分离器，一般认为旋风分离起主要作用。 图3卧式油气分离器结构图 图4 切向入口油气分离器的结构简图文献【3】中，对图4结构的油气分离器内部流场进行了数值模拟分析。根据 C.T. Crowe 等人对颗粒相与湍流拟序结构的研究，颗粒在气流中的运动与Stokes 数有关，即在相同的流场条件下，较大的颗粒（Stokes 数1）能够穿透拟序结构，中等尺寸的颗粒（Stokes 数1）将偏离气流流场结构，较小的颗粒（Stokes数1）将随气流运动。本文认为这种现象不仅适用于拟序结构，对于大尺度旋涡应该也存在类似的规律，即颗粒尺度越小，随气流流动的能力越好，反之则越差【4】。图5 Stokes数对颗粒扩散率的影响另外，范全林等的研究表明，对于Stokes数1的颗粒，其分布对重力的作用并不敏感，随着颗粒Stokes 数的增大, 重力对颗粒行为的影响逐渐明显【3】。虽然在文献中尚未发现 Stokes 数对气液两相流流场的相关报道，但是如果忽略液滴的变形和破碎，则可以将液滴运动与固体颗粒相类比。借用气固两相流的研究结论，认为 Stokes 数对油滴运动有类似的影响。Stokes 数的定义为粒子响应时间与流场特征时间之比，即：式中为粒子响应时间，可以定义为：式中下标d为粒子变量的标识，即和分别为粒子的密度和直径。下标c为流场变量标识，就是流场的动力粘度。流场特征时间则定义为特征长度与特征速度之比，即：将文献【3】中的流体参数：粒子的密度（870kg/m3）、平均直径(3310-6m)和流场的粘度（2.102510-5Ns/m2）、特征长度(0.4m)、特征速度（6.9m/s）代入上式可得：0.043 1 （4）因此，在本文算例中，油滴的随流性很好，不易通过旋涡运动分离出来。而在气流与壁面的碰撞过程中，气流的应变率很大，流线发生剧烈偏转，因此油滴随流线运动过程中的惯性力远远大于大尺度旋涡中的离心力，油滴与气流同时减速并与壁面发生碰撞并被壁面吸附，因此可以认为油气混合气与壁面的碰撞过程是油气分离的主要机制，离心力与重力的作用并不明显。计算结果表明大部分油滴都是在碰撞区域被分离出来的（见图6），证明碰撞在油气分离过程中确实是主要机制，而不是旋风分