【壓縮機(jī)網(wǎng)】1、引言

 

　　螺桿壓縮機(jī)以其結(jié)構(gòu)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(yīng)用到各個(gè)領(lǐng)域，動(dòng)力用噴油螺桿空氣壓縮機(jī)已經(jīng)系列化，一般為大氣壓力下吸入氣體，單級(jí)排氣壓力有0.8MPa、1.1MPa、1.4MPa等不同形式。隨著油氣分離和氣體凈化技術(shù)的發(fā)展，噴油螺桿空壓機(jī)越來(lái)越被廣泛的應(yīng)用到對(duì)空氣品質(zhì)要求非常高的應(yīng)用場(chǎng)合，如食品、醫(yī)藥及棉紡企業(yè)，占據(jù)了許多原屬于無(wú)油壓縮機(jī)的市場(chǎng)[1]。油氣分離器分離效率的好壞直接決定著壓縮機(jī)出口氣體的含油量，目前大部分壓縮機(jī)系統(tǒng)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(nèi)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(jī)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二次油分濾芯的分離效率和使用壽命，一級(jí)油氣分離器效率的提高可有效減少二級(jí)油分濾芯的分離負(fù)荷，提高整體分離效率[2]。

 

　　對(duì)于一次油分效果的提升，需要深入了解油氣分離器內(nèi)部流場(chǎng)分布以及油滴的運(yùn)動(dòng)軌跡。本文設(shè)計(jì)的一款壓縮機(jī)整機(jī)是將壓縮機(jī)機(jī)頭內(nèi)置于油氣分離器內(nèi)，以達(dá)到降噪和機(jī)頭冷卻效果，同時(shí)針對(duì)現(xiàn)有臥式油氣分離器內(nèi)迷宮式折流板進(jìn)行了改進(jìn)，設(shè)計(jì)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(shù)值模擬的方法對(duì)油氣分離器內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行了模擬，運(yùn)用DPM模型分析了不同直徑的油滴在流場(chǎng)內(nèi)的運(yùn)動(dòng)軌跡[3-5]。

 

　　2、理論分析

 

　　2.1 一次分離機(jī)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(jié)合的方式進(jìn)行分離。分離原理如圖1所示。
 

 

　　常規(guī)的臥式油氣分離器內(nèi)部布置有迷宮式的折流板來(lái)增強(qiáng)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(shè)計(jì)的折流板采用了折流片式的分離結(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)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(nèi)壁焊接，折流板折彎的3個(gè)角度分別為120°、60°、120°。

 

 

 

　　設(shè)計(jì)的壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)如圖3所示，壓縮機(jī)機(jī)頭內(nèi)置于油分桶內(nèi)，吸氣經(jīng)過(guò)外置的吸氣閥和過(guò)濾器后進(jìn)入壓縮機(jī)壓縮，排氣通過(guò)一根C字型管道吹向吸氣管，C字形的設(shè)計(jì)使氣流迂回路徑較長(zhǎng)，有利于油滴的碰撞分離。壓縮機(jī)運(yùn)行工況為排氣壓力0.8MPa，流量1m³/min，潤(rùn)滑油流量為0.12kg/s。

 

　　2.2 計(jì)算方法

 

　　為節(jié)省計(jì)算時(shí)間，對(duì)油氣分離器物理模型進(jìn)行了簡(jiǎn)化，簡(jiǎn)化后的結(jié)構(gòu)及網(wǎng)格如圖4所示。網(wǎng)格采用三角形非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，對(duì)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?jǐn)?shù)占總體積分?jǐn)?shù)均小于10%，滿足DPM模型使用條件，同時(shí)在對(duì)油滴運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行求解時(shí)做出了如下假設(shè)：不考慮油滴的蒸發(fā)；油滴為圓形；油滴直徑滿足Rosin-rammler分布。氣相流場(chǎng)湍流模型采用k-epsilon模型計(jì)算，近壁面采用標(biāo)準(zhǔn)函數(shù)處理方法。邊界條件為根據(jù)工況條件給定入口速度6m/s和出口壓力0.8MPa。DPM設(shè)置為入口和出口位逃逸條件，筒體壁面及壓縮機(jī)機(jī)頭壁面為反射條件，折流板為捕捉條件。計(jì)算方法設(shè)置為SIMPLE算法，動(dòng)能、紊動(dòng)能、紊流耗散率對(duì)流相的離散格式均采用二階迎風(fēng)格式。

 

　　3、模擬結(jié)果及分析

 

　　3.1 流場(chǎng)模擬結(jié)果

 

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

 

　　從圖5（a）圖可以看出油氣分離器內(nèi)部流場(chǎng)比較復(fù)雜。因?yàn)閴嚎s機(jī)機(jī)頭內(nèi)置于油氣分離內(nèi)，一方面加大了筒體直徑，另一方面加大了油滴與機(jī)頭和分離器壁面碰撞的機(jī)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(zhǎng)，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(cè)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(dǎo)致了氣流的紊亂以及細(xì)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 油滴跡線模擬結(jié)果

 

　　圖6為不同直徑范圍內(nèi)的油滴在流場(chǎng)內(nèi)運(yùn)動(dòng)軌跡追蹤。

 

　　根據(jù)油滴運(yùn)動(dòng)軌跡的模擬結(jié)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(duì)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(jié)論

 

　　本文采用了數(shù)值模擬的方法，對(duì)一種新型結(jié)構(gòu)的噴油螺桿壓縮機(jī)臥式油分桶的分離特性進(jìn)行了研究，通過(guò)模擬結(jié)果得出以下結(jié)論：

 

　?。?）驗(yàn)證了物理模型和數(shù)學(xué)模型的可行性，進(jìn)而驗(yàn)證了壓縮機(jī)機(jī)頭內(nèi)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(duì)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。

 

　　（3）壓縮機(jī)機(jī)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(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力有利于油滴的分離。

 

　?。?）新結(jié)構(gòu)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(qiáng)了油滴與壁面的碰撞凝聚，提升了一次分離效率。

 

　　本文對(duì)于實(shí)際工程中油氣分離器結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)，并通過(guò)模擬計(jì)算驗(yàn)證了可行性，對(duì)優(yōu)化油氣分離器結(jié)構(gòu)有著重要指導(dǎo)意義。
 

 

　　參考文獻(xiàn)

　　[1] 邢子文.螺桿壓縮機(jī)理論、設(shè)計(jì)及應(yīng)用[M].北京：機(jī)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(jī)氣液旋流器的數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)研究[D].華東理工大學(xué)，2015.

　　[4] 白茹芳.油氣分離器常見結(jié)構(gòu)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(zhǎng).噴油壓縮機(jī)臥式油氣分離器特性的數(shù)值模擬及實(shí)驗(yàn)研究[J].西安交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2008，（05）：561-564+577.

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