基于射流準(zhǔn)則的油氣分離器設(shè)計(jì)計(jì)算研究

譚強(qiáng)，黃馨月，謝信捷，孔慶芳，盧凱園，劉寶紅

（1.紅五環(huán)集團(tuán)股份有限公司，浙江衢州324000；2.西南石油大學(xué)石油與天然氣工程學(xué)院，四川成都610500）

基于射流準(zhǔn)則的油氣分離器設(shè)計(jì)計(jì)算研究

譚強(qiáng)1，黃馨月2，謝信捷2，孔慶芳1，盧凱園1，劉寶紅1

（1.紅五環(huán)集團(tuán)股份有限公司，浙江衢州324000；2.西南石油大學(xué)石油與天然氣工程學(xué)院，四川成都610500）

從噴油式空壓機(jī)碰撞式油氣分離器的分離原理出發(fā)，引入自由射流和沖擊射流的計(jì)算方法和實(shí)驗(yàn)依據(jù)，論證分析油氣分離器噴口直徑、噴口流量、噴口速度、噴口與沖擊擋板距離的計(jì)算關(guān)系和應(yīng)用。在油氣分離器的噴口到?jīng)_擊擋板的復(fù)雜氣液兩相流的流場(chǎng)中，流場(chǎng)的自由射流段與沖擊區(qū)相交的截面，是設(shè)計(jì)計(jì)算中用來(lái)確定油氣分離器沖擊速度的實(shí)際截面，這個(gè)結(jié)論對(duì)實(shí)際應(yīng)用有重要指導(dǎo)意義。

油氣分離器；自由射流；沖擊射流；噴油空壓機(jī)

1　引言

油氣分離器是噴油式空壓機(jī)系統(tǒng)［1］（例如噴油雙螺桿空壓機(jī)、噴油單螺桿空壓機(jī)、噴油滑片空壓機(jī)、噴油渦旋空壓機(jī)等）中非常重要的一個(gè)部件［2］。從空壓機(jī)主機(jī)排出的壓縮空氣和潤(rùn)滑油的混合物（下稱油氣混合物）經(jīng)過(guò)油氣分離器的分離作用，實(shí)現(xiàn)油氣混合物在進(jìn)入油分離濾芯前其含油量小于3000 mg/m3的要求。同時(shí)，油氣分離器不允許有過(guò)大的壓力損失［3］，保證噴油式空壓機(jī)優(yōu)良的能效性能［4］。應(yīng)用氣液兩相流［5］、自由射流和沖擊射流的理論和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，深入研究油氣分離器的原理，分析油氣分離器典型結(jié)構(gòu)，并與當(dāng)前工程實(shí)際應(yīng)用相結(jié)合，一直是噴油式空壓機(jī)成為市場(chǎng)主導(dǎo)產(chǎn)品后的重要方向［6］。

本文以典型碰撞式油氣分離器［7］（簡(jiǎn)稱：油氣分離器）為研究對(duì)象，從油氣分離器的分離原理出發(fā)，應(yīng)用自由射流和沖擊射流的基本原理，研究此類型油氣分離器從噴口到?jīng)_擊擋板區(qū)段的參數(shù)和計(jì)算方式，提出油氣分離器的此區(qū)段設(shè)計(jì)計(jì)算的準(zhǔn)則和應(yīng)用要求，供噴油式空壓機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)參考，以期實(shí)現(xiàn)壓縮機(jī)系統(tǒng)最優(yōu)化的節(jié)能目標(biāo)而促進(jìn)行業(yè)的發(fā)展。

2　碰撞式油氣分離器原理

圖1和圖2是典型的油氣分離器結(jié)構(gòu)示意圖。

圖1　油氣分離器結(jié)構(gòu)示意圖（臥式）

圖2　油氣分離器結(jié)構(gòu)示意圖（立式）

從空壓機(jī)主機(jī)而來(lái)的油氣混合物，經(jīng)過(guò)連接管后，從油氣分離器的噴口（內(nèi)徑D0）以平均流速（U0）噴出，噴出后的油氣混合物沖擊到擋板上。油氣混合物中的大部分油滴就在這個(gè)沖擊碰撞過(guò)程中分離出來(lái)。

（1）油氣混合物從噴口噴出沖擊到擋板上，氣相（壓縮空氣）有一個(gè)大角度的轉(zhuǎn)向流動(dòng)。在慣性力的作用下，大尺寸油滴（有較大的STOKES數(shù)）保持原來(lái)的流動(dòng)方向；中小尺寸油滴（有適中的STOKES數(shù)）或許會(huì)偏離原來(lái)的流動(dòng)方向，但更大尺度地偏離了氣相流動(dòng)方向。這些油滴沖擊碰撞到擋板，粘附在擋板上，并在擋板上鋪展形成油膜或更大的油滴，油膜或大油滴在重力作用下流入儲(chǔ)油池中。

（2）在射流抽引卷吸過(guò)程和氣相的轉(zhuǎn)向流動(dòng)過(guò)程中，因擬序大渦和（或）其它紊流渦的作用，油滴偏離原來(lái)流向，且與氣相不同步（超前或滯后，或分布于渦邊緣），空間流場(chǎng)中的油滴發(fā)生碰撞而形成較大油滴，這些較大的油滴沖擊碰撞到擋板，被粘附而分離［8］。

3　射流準(zhǔn)則在油氣分離器中的計(jì)算研究

油氣混合物從噴口噴出沖擊到擋板，是一個(gè)復(fù)雜的氣液兩相沖擊射流過(guò)程。噴口流量Q0、噴口直徑D0、噴口速度U0、沖擊擋板距噴口的距離、氣流對(duì)沖擊擋板的沖擊速度直接與分離效率和壓力損失相關(guān)聯(lián)，是油氣分離器設(shè)計(jì)過(guò)程中最重要的環(huán)節(jié)。

3.1自由射流條件下的參數(shù)計(jì)算

油氣分離器內(nèi)部結(jié)構(gòu)和內(nèi)部流體流場(chǎng)有如下特點(diǎn)［9］：

（1）與筒體尺寸比較，噴口尺寸很小，因此可以認(rèn)為油氣分離器內(nèi)部空間足夠大；

（2）油氣分離器內(nèi)部各處壓力近似相等。

同時(shí)，為了引入自由射流的準(zhǔn)則和計(jì)算公式，先假設(shè)油氣分離器的沖擊擋板不存在。

基于上述特點(diǎn)和假設(shè)條件，則油氣分離器的射流可以看作是典型的軸對(duì)稱自由射流，可以用自由射流理論推導(dǎo)出射流截面平均速度（U）、質(zhì)量（動(dòng)量）平均速度（Ud）、流量Q與噴口參數(shù)D0、U0、Q0和截面距離S的計(jì)算關(guān)系式。

軸對(duì)稱自由射流的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)特征如圖3所示，各部分名稱含義說(shuō)明如下：

內(nèi)邊界：速度仍保持噴口速度（初始速度）的邊界（圖中AO、DO線）。

外邊界：速度等于零的邊界（圖中MABC、MDEF線）。

射流核心區(qū)：速度值仍等于噴口速度（初始速度）的區(qū)域（圖中I區(qū)）。

射流混合層區(qū)：射流內(nèi)邊界、外邊界之間的區(qū)域（圖中II區(qū)）。

射流轉(zhuǎn)折截面：在距噴口的某一距離處，射流混合層區(qū)擴(kuò)展到射流軸線，射流內(nèi)邊界匯聚于一點(diǎn)，這時(shí)只有射流中心線上的流速還保持噴口速度U0，射流核心區(qū)在此結(jié)果，這個(gè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)處的截面被稱為轉(zhuǎn)折截面（圖中BOE線處）。

圖3　軸對(duì)稱自由射流流場(chǎng)結(jié)構(gòu)特征圖

射流起始段：噴口截面至轉(zhuǎn)折截面之間的射流區(qū)段。

主體段：射流轉(zhuǎn)折截面以后至射流最大截面之間的射流區(qū)段（圖III區(qū)）。

理論和實(shí)驗(yàn)均表明，主體段的起點(diǎn)（忽略自由射流的轉(zhuǎn)折段，主體段的起點(diǎn)也就是起始段的終點(diǎn)）與噴口的距離是噴口直徑的6倍。這個(gè)較大的距離導(dǎo)致從噴口出來(lái)的油氣混合氣會(huì)抽引和卷吸大量的、經(jīng)過(guò)沖擊碰撞分離后的壓縮空氣，不利于分離和控制壓力損失。因此，在實(shí)際應(yīng)用中，油氣分離器的射流區(qū)段不會(huì)設(shè)計(jì)在射流的主體段，而是設(shè)計(jì)在射流的起始段。

3.1.1油氣分離器噴口流動(dòng)狀態(tài)確定

油氣分離器噴口處的雷諾數(shù)按下式計(jì)算

其中ν——壓縮空氣的運(yùn)動(dòng)粘度

油氣分離器的曲型參數(shù)列入表1中。按公式（1）計(jì)算得出的雷諾數(shù)也列在表1中。

從表1中可以看出，油氣分離器噴口處的雷諾數(shù)在20000以上，因此可以確定，油氣分離器噴口射流是完全湍流射流（或稱紊動(dòng)射流）［10］。同時(shí)，紊流系數(shù)A值取0.076。A值用于式（2）、式（3）、式（4）的計(jì)算。

3.1.2油氣分離器自由射流參數(shù)計(jì)算

定義U為起始段任一截面的平均流速，則截面平均流速比值（U/U0）按下式計(jì)算

定義Ud為起始段任一截面的質(zhì)量（動(dòng)量）平均流速，則質(zhì)量平均流速的比值（Ud/U0）按下式計(jì)算

定義Q為起始段任一截面的流量，則流量比值（Q/Q0）按下式計(jì)算

按D0的倍數(shù)取S值（即S/D0=0、0.5、1.0……），按公式（2）、（3）、（4）分別計(jì)算比值，其結(jié)果列入表2中。

表1　油氣分離器噴口典型參數(shù)表

表2　自由射流起始段比值參數(shù)計(jì)算表

按表2數(shù)據(jù)，繪制成曲線圖，則如圖4所示。

從表2和圖4中可以看到：

（1）截面平均速度隨著距離S值的增加，迅速變小。注意到截面平均速度較小時(shí)而核心區(qū)的速度仍為U0。實(shí)際應(yīng)用中，不希望選中的截面有較大的速度差異，因此要求S/D0有較小的取值。

（2）隨著距離S值的增加，評(píng)價(jià)射流軸線附近較高速度區(qū)域的截面質(zhì)量（動(dòng)量）平均速度也呈變小趨勢(shì)。同樣地，實(shí)際應(yīng)用中，不希望選中的截面有較大的速度差異，因此也要求S/D0有較小的取值。

圖4　自由射流起始段比值參數(shù)曲線圖

（3）隨著距離S值的增加，流量呈快速增加趨勢(shì)。實(shí)際應(yīng)用中，不希望選中的截面有較大的流量增加，因此要求S/D0有較小的取值。

（4）油氣分離器的油氣混合物對(duì)擋板的沖擊速度有一定的范圍要求［1］。如果把對(duì)應(yīng)某一個(gè)S值的截面看作是油氣分離器的沖擊速度的截面，則S/D0的取值還受截面平均速度的控制。

因此，在實(shí)際設(shè)計(jì)中，S/D0的上限取值一般小于2.5，推薦取值小于2.0。較大的U0值S/D0取大值，而較小的U0值S/D0取較小值。

3.2沖擊射流條件下的油氣分離器參數(shù)分析

無(wú)論是用筒體壁作沖擊擋板，或者是在內(nèi)部單獨(dú)設(shè)置沖擊擋板，油氣分離器的沖擊擋板是一定存在的。油氣混合物從噴口到?jīng)_擊擋板之間的流動(dòng)是典型的沖擊射流，流場(chǎng)結(jié)構(gòu)特征如圖5所示。從圖5中可以看到，沖擊射流存在一個(gè)自由射流區(qū)、一個(gè)沖擊區(qū)和一個(gè)壁面射流區(qū)［10］。

圖5　沖擊射流結(jié)構(gòu)特征圖

（1）自由射流區(qū)：自由射流區(qū)的流場(chǎng)特征即是第3.1節(jié)所述內(nèi)容。

（2）沖擊區(qū)：沖擊區(qū)也稱滯止區(qū)。在沖擊區(qū)內(nèi)，氣相流體流場(chǎng)有兩個(gè)主要特征，其一是流向由噴口的軸線方向，急劇地轉(zhuǎn)向到噴口的徑向方向；其二是噴口軸線上氣體流速在沖擊擋板上滯止為零。該區(qū)域內(nèi)參數(shù)變化最為劇烈。對(duì)于STOKES＜＜1.0的油滴也有此特征。

（3）壁面射流區(qū)：在沖擊（滯止）區(qū)壓力梯度的作用下，流體沿徑向向外迅速流出。

理論研究和實(shí)驗(yàn)均表明，無(wú)論是自由沖擊射流，或是半封閉沖擊射流，沖擊區(qū)厚度（或稱沖擊擋板的阻尼區(qū)域）在（0.5～0.7）D0以內(nèi)［11-13］。為論述方便，本文取0.7D0。此結(jié)論應(yīng)用到油氣分離器的沖擊射流，則有：當(dāng)沖擊射流截面與沖擊擋板的距離小于等于0.7D0時(shí)，氣相流場(chǎng)軸線速度開(kāi)始快速減少，到?jīng)_擊擋板時(shí)，速度減少（滯止）為零；非軸線上的氣相流線發(fā)生轉(zhuǎn)折，軸向速度減小，徑向速度增大，實(shí)現(xiàn)流向向壁面射流的過(guò)渡。那么流場(chǎng)中0.7D0截面上的速度具有自由射流的特征，又是沖擊區(qū)軸向速度最大的截面，液滴（至少有適合的STOKES數(shù)的液滴）以此速度穿透氣相流線撞擊到?jīng)_擊擋板上。

由此可以得出一個(gè)重要結(jié)論，即：距離沖擊擋板0.7D0的截面就是“油氣分離器的沖擊速度”的計(jì)算截面，而且這個(gè)截面上的氣流速度、流量等參數(shù)按前述第3.1節(jié)計(jì)算公式可以得到。這個(gè)結(jié)論可以澄清設(shè)計(jì)過(guò)程中對(duì)沖擊速度所在截面位置的模糊認(rèn)識(shí)，對(duì)實(shí)際設(shè)計(jì)計(jì)算有重要的指導(dǎo)意義。

例如，當(dāng)沖擊擋板與噴口的距離為2.0D0時(shí)，則S≦1.3D0范圍內(nèi)是自由射流區(qū)。自由射流區(qū)的參數(shù)可以按公式（2）、（3）、（4）進(jìn)行計(jì)算，很容易得到S=1.3D0截面上的參數(shù)。假定從噴口出來(lái)的油氣混合物（壓縮空氣為氣相，油滴為液相）在S=（0～1.3）D0范圍內(nèi)，氣相和液相是同速的（注：可以認(rèn)為在射流的核心區(qū)氣液兩相同速；但在射流混合層區(qū)則不一定同速，液滴存在超前或滯后現(xiàn)象，同時(shí)由于擬序渦的存在，可能導(dǎo)致液滴分布不均勻），則油氣混合物將以S=1.3D0截面上的速度去“沖擊”油氣分離器中的擋板（實(shí)際上是進(jìn)入沖擊區(qū)），S= 1.3D0截面上的速度是對(duì)沖擊擋板的“沖擊速度”。

當(dāng)按公式（2）、（3）、（4）進(jìn)行計(jì)算，如果得出的結(jié)果是油氣分離器噴口的出口速度U0即為對(duì)沖擊擋板的最佳“沖擊速度”，那么噴口與擋板的距離建議至少取0.7D0。此時(shí)的0.7D0可以看作是一個(gè)極限尺寸。實(shí)際應(yīng)用中還應(yīng)考慮制造工藝與誤差，經(jīng)常留下一定的余量。因此，即使在此極限條件下，噴口與擋板的距離的建議取值宜大于（0.7～1.2）D0。

需要強(qiáng)調(diào)說(shuō)明的是，某些油氣分離器的沖擊擋板不是平板，或者即使沖擊擋板是平板，但與噴口的軸線不垂直等。設(shè)計(jì)時(shí)還應(yīng)根據(jù)具體結(jié)構(gòu)對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行適當(dāng)?shù)男拚?，才能更好地滿足油氣分離器的性能要求。

4　結(jié)語(yǔ)

油氣分離器是噴油式空壓機(jī)的一個(gè)重要部件，油氣混合物從噴口到?jīng)_擊擋板之間的流動(dòng)是復(fù)雜的氣液兩相沖擊射流。在自由射流段，當(dāng)空氣壓縮機(jī)的流量一定時(shí)，選用適宜的噴口直徑和噴口流速，則流場(chǎng)任意一個(gè)截面的參數(shù)可以依據(jù)射流理論進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，并且可以得到最佳的參數(shù)組合。

油氣分離器噴口射流沖擊到?jīng)_擊擋板后，在沖擊擋板前存在一個(gè)沖擊區(qū)。沖擊區(qū)的厚度為（0.5～0.7）D0。設(shè)計(jì)油氣分離器噴口組合參數(shù)時(shí)，還必須考慮這個(gè)沖擊厚度，并據(jù)此確定油氣分離器噴口到?jīng)_擊擋板的最小距離。

自由射流區(qū)和沖擊區(qū)的相交面即為計(jì)算油氣分離器沖擊速度的截面。油氣分離器沖擊速度計(jì)算截面的確定，在實(shí)際設(shè)計(jì)計(jì)算中應(yīng)用射流和沖擊射流的理論，計(jì)算油氣分離器的沖擊速度就變得簡(jiǎn)單易行，對(duì)實(shí)際產(chǎn)品的設(shè)計(jì)計(jì)算有重要的指導(dǎo)意義。

［1］郁永章，等.容積式壓縮機(jī)技術(shù)手冊(cè)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2000.

［2］譚強(qiáng)，等.螺桿空壓機(jī)軸功率系數(shù)工程計(jì)算及應(yīng)用研究［J］.壓縮機(jī)技術(shù)，2014，（4）：01-05.

［3］譚強(qiáng)，等.噴油螺桿空氣壓縮機(jī)能效水平曲線比較分析及應(yīng)用［J］.通用機(jī)械，2010，（12）：56-60.

［4］譚強(qiáng)，等.噴油螺桿空氣壓縮機(jī)能效水平規(guī)定值的絕熱效率分析［J］.節(jié)能，2010，（12）：28-32.

［5］周華，等.油氣分離器內(nèi)氣液兩相流的數(shù)值模擬［J］.計(jì)算力學(xué)學(xué)報(bào)，2006，（12）：767-770.

［6］馮健美，等.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.

［7］李超，等.壓縮機(jī)組中的油氣分離器控制［J］.壓縮機(jī)技術(shù)，2006，（05）：15-17.

［8］羅坤，等.圓湍射流中的擬序結(jié)構(gòu)和顆粒彌散［J］.化工學(xué)報(bào)，2006，（06）：1329-1333.

［9］李文科.工程流體力學(xué)［M］.北京：中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社，2007.

［10］陳慶光，等.湍流沖擊射流流動(dòng)與傳熱的數(shù)值研究進(jìn)展［J］.力學(xué)進(jìn)展，2002，（01）：92-108.

［11］陳慶光，等.RNG湍流模型在沖擊射流數(shù)值計(jì)算中的應(yīng)用［J］.力學(xué)與實(shí)踐，2002，（06）：21-24.

［12］徐驚雷，等.沖擊高度對(duì)自由沖擊射流影響的實(shí)驗(yàn)研究［J］.力學(xué)與實(shí)踐，2002，（01）：21-24.

［13］徐驚雷，等.沖擊高度對(duì)半封閉紊流沖擊射流流場(chǎng)影響的實(shí)驗(yàn)研究［J］.實(shí)驗(yàn)力學(xué)，2000，（04）：466-472.

Study of Designing Calculation of the Oil-gas Separator Based on the Principle of the Free Jetting and Impinging Jetting Flow

TAN Qiang1，HUANG Xin-yue2，XIE Xin-jie2，KONG Qing-fang1，LU Kai-yuan1，LIU Bao-hong1
（1.Hongwuhuan Group Co.，Ltd，Quzhou 324000，China；2.School of Oil&Natural Gas Engineering，Southwest Petroleum University，Chengdu 610500，China）

This paper analyses the calculating relationship and applications among the nozzle diameter，and the nozzle air delivery，and the nozzle air flow velocity，and the distance between nozzle and the impinging plate of the oil-gas separator，based on the calculation methods and experimental basis of the free jetting and impinging jetting flow，according to the principle of the oil-gas separator of the oil injecting air compressors.In the complex field of gas-liquid two-phase flow from the nozzle to the impinging plate of the oil-gas separator，the intersecting face of the free jetting flow section and the impinging zone is the real cross face used to determine the impinging velocity，and this conclusion has an important guiding significance for the practical application.

oil-gas separator；free jetting flow；impinging jetting flow；oil injecting air compressor

TE931+，TH49

A

1006-2971（2015）05-0005-05

譚強(qiáng)，高級(jí)工程師，畢業(yè)于華中理工大學(xué)（現(xiàn)華中科技大學(xué)）壓縮機(jī)專業(yè)?，F(xiàn)任紅五環(huán)集團(tuán)股份有限公司副總經(jīng)理，副總工程師，一直從事壓縮機(jī)的設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)和技術(shù)管理工作。E-mail：rcsccc@aliyun.com

2015-04-23