【壓縮機網(wǎng)】1、引言

 

　　螺桿壓縮機以其結構簡(jiǎn)單、可靠性高、重量輕、噪聲低等特點(diǎn)越來(lái)越廣泛的應用到各個(gè)領(lǐng)域，動(dòng)力用噴油螺桿空氣壓縮機已經(jīng)系列化，一般為大氣壓力下吸入氣體，單級排氣壓力有0.8MPa、1.1MPa、1.4MPa等不同形式。隨著(zhù)油氣分離和氣體凈化技術(shù)的發(fā)展，噴油螺桿空壓機越來(lái)越被廣泛的應用到對空氣品質(zhì)要求非常高的應用場(chǎng)合，如食品、醫藥及棉紡企業(yè)，占據了許多原屬于無(wú)油壓縮機的市場(chǎng)[1]。油氣分離器分離效率的好壞直接決定著(zhù)壓縮機出口氣體的含油量，目前大部分壓縮機系統通過(guò)油氣分離器進(jìn)行一次油分，將大顆粒油滴分離出來(lái)，再通過(guò)內置或者外置的油氣分離濾芯進(jìn)行二次油分，將小顆粒油滴分離，保證壓縮機排氣口的含油量低于5乘10的6次方或者更低。油氣分離器的一次油分效率直接影響著(zhù)二次油分濾芯的分離效率和使用壽命，一級油氣分離器效率的提高可有效減少二級油分濾芯的分離負荷，提高整體分離效率[2]。

 

　　對于一次油分效果的提升，需要深入了解油氣分離器內部流場(chǎng)分布以及油滴的運動(dòng)軌跡。本文設計的一款壓縮機整機是將壓縮機機頭內置于油氣分離器內，以達到降噪和機頭冷卻效果，同時(shí)針對現有臥式油氣分離器內迷宮式折流板進(jìn)行了改進(jìn)，設計了一種新型的折流板，折流板通過(guò)多次改變氣流流向來(lái)增加油滴的凝聚和碰撞，進(jìn)而分離油滴。同時(shí)采用CFD數值模擬的方法對油氣分離器內部流場(chǎng)進(jìn)行了模擬，運用DPM模型分析了不同直徑的油滴在流場(chǎng)內的運動(dòng)軌跡[3-5]。

 

　　2、理論分析

 

　　2.1 一次分離機理

 

　　一般油氣分離器的分離原理為碰撞分離、重力分離和離心分離。臥式油氣分離器以碰撞分離和重力分離相結合的方式進(jìn)行分離。分離原理如圖1所示。
 

 

　　常規的臥式油氣分離器內部布置有迷宮式的折流板來(lái)增強油滴的碰撞作用進(jìn)而分離油滴。本文未采用迷宮式折流板，新設計的折流板采用了折流片式的分離結構，通過(guò)改變氣流流道的方向使得油滴被折流片捕捉，微小的油滴被捕捉后凝聚為大的油滴沉積在分離器的底部。具體的結構尺寸如圖2所示。折流翅片分為多個(gè)翅片焊接在外圓，外圓與油氣分離器內壁焊接，折流板折彎的3個(gè)角度分別為120°、60°、120°。

 

 

 

　　設計的壓縮機結構如圖3所示，壓縮機機頭內置于油分桶內，吸氣經(jīng)過(guò)外置的吸氣閥和過(guò)濾器后進(jìn)入壓縮機壓縮，排氣通過(guò)一根C字型管道吹向吸氣管，C字形的設計使氣流迂回路徑較長(cháng)，有利于油滴的碰撞分離。壓縮機運行工況為排氣壓力0.8MPa，流量1m³/min，潤滑油流量為0.12kg/s。

 

　　2.2 計算方法

 

　　為節省計算時(shí)間，對油氣分離器物理模型進(jìn)行了簡(jiǎn)化，簡(jiǎn)化后的結構及網(wǎng)格如圖4所示。網(wǎng)格采用三角形非結構化網(wǎng)格，對折流板處網(wǎng)格進(jìn)行了加密。
 

 

　　在油氣混合物中，油滴相體積分數占總體積分數均小于10%，滿(mǎn)足DPM模型使用條件，同時(shí)在對油滴運動(dòng)軌跡進(jìn)行求解時(shí)做出了如下假設：不考慮油滴的蒸發(fā)；油滴為圓形；油滴直徑滿(mǎn)足Rosin-rammler分布。氣相流場(chǎng)湍流模型采用k-epsilon模型計算，近壁面采用標準函數處理方法。邊界條件為根據工況條件給定入口速度6m/s和出口壓力0.8MPa。DPM設置為入口和出口位逃逸條件，筒體壁面及壓縮機機頭壁面為反射條件，折流板為捕捉條件。計算方法設置為SIMPLE算法，動(dòng)能、紊動(dòng)能、紊流耗散率對流相的離散格式均采用二階迎風(fēng)格式。

 

　　3、模擬結果及分析

 

　　3.1 流場(chǎng)模擬結果

 

　　圖5分別為油氣分離器內部流場(chǎng)跡線(xiàn)圖、XY平面和XZ平面的速度跡線(xiàn)圖。

 

　　從圖5（a）圖可以看出油氣分離器內部流場(chǎng)比較復雜。因為壓縮機機頭內置于油氣分離內，一方面加大了筒體直徑，另一方面加大了油滴與機頭和分離器壁面碰撞的機會(huì )，使得油氣混合物進(jìn)入筒體后速度大幅減小，在筒體停留時(shí)間足夠長(cháng)，提升了一次粗分離的效率。從圖5（b）可以看出，氣流吹向吸氣管后兩側會(huì )形成大的渦流，渦流帶動(dòng)油滴產(chǎn)生的離心力可以使得油滴分離出去，進(jìn)一步增加了油分效率。圖5（c）顯示的折流板處的氣流經(jīng)過(guò)多次流道的改變導致了氣流的紊亂以及細小的渦流，小直徑的油滴在折流板處與板壁碰撞凝聚，凝聚的油滴直徑越來(lái)越大通過(guò)重力作用匯入底部油池。
 

 

　　3.2 油滴跡線(xiàn)模擬結果

 

　　圖6為不同直徑范圍內的油滴在流場(chǎng)內運動(dòng)軌跡追蹤。

 

　　根據油滴運動(dòng)軌跡的模擬結果可以看出，直徑小于20μm的油滴會(huì )有部分逃逸到出口，這部分小直徑油滴將通過(guò)外置的二次油分芯進(jìn)行分離。

 

　　對于直徑大于20μm的油滴，其通過(guò)排氣口排出后吹向吸氣管路，經(jīng)過(guò)多次的碰撞分離以及折流板的折流凝聚作用，油滴可以全部被分離。

 

　　4、結論

 

　　本文采用了數值模擬的方法，對一種新型結構的噴油螺桿壓縮機臥式油分桶的分離特性進(jìn)行了研究，通過(guò)模擬結果得出以下結論：

 

　?。?）驗證了物理模型和數學(xué)模型的可行性，進(jìn)而驗證了壓縮機機頭內置于油氣分離器時(shí)其分離特性的可行性，分離器分離油滴原理綜合了碰撞分離，重力分離，離心分離和凝聚分離。

 

　?。?）不同直徑油滴分離特性有所差異，分離器對于直徑大于20μm的油滴可在一次分離時(shí)全部分離，小于20μm的油滴則通過(guò)二次油分芯分離。

 

　?。?）壓縮機機頭排氣吹向吸氣管路后氣流將形成兩股大的渦流，渦流帶動(dòng)油滴旋轉產(chǎn)生的離心力有利于油滴的分離。

 

　?。?）新結構的折流板在改變流道的同時(shí)使得氣流產(chǎn)生局部的渦流，進(jìn)一步增強了油滴與壁面的碰撞凝聚，提升了一次分離效率。

 

　　本文對于實(shí)際工程中油氣分離器結構進(jìn)行了改進(jìn)，并通過(guò)模擬計算驗證了可行性，對優(yōu)化油氣分離器結構有著(zhù)重要指導意義。
 

 

　　參考文獻

　　[1] 邢子文.螺桿壓縮機理論、設計及應用[M].北京：機械工業(yè)出版社，2000.

　　[2] FENG Jianmei，CHANG Yunfeng，QU Zongchang，et al.Numerical Simulation of Oil Droplets Traces in Oil Gas  Separator[J].Journal of Xi憶an Jiaotong University，2006，40（7）：771-775.

　　[3] 陳曉琴. 壓縮機氣液旋流器的數值模擬與實(shí)驗研究[D].華東理工大學(xué)，2015.

　　[4] 白茹芳.油氣分離器常見(jiàn)結構分離效分析[J].化工裝備技術(shù)，2009，30（04）：21-22.

　　[5] 馮健美，暢云峰，張勇，彭學(xué)院，屈宗長(cháng).噴油壓縮機臥式油氣分離器特性的數值模擬及實(shí)驗研究[J].西安交通大學(xué)學(xué)報，2008，（05）：561-564+577.

　　[6] 褚曉冬.螺桿壓縮機油氣分離器內部流場(chǎng)的數值模擬[J].通用機械，2006，（01）：86-89.