商用水冷螺桿機(jī)組內(nèi)置油分離器性能研究

胡東兵，岳清學(xué)，楊旭峰，張 營

(廣東珠海格力電器股份有限公司，珠海 519070)

現(xiàn)有商用水冷螺桿機(jī)內(nèi)置油分離器不僅能保證壓縮機(jī)的供油量正常，還能將進(jìn)入冷凝器的油量降至最低，最大程度上保證壓縮機(jī)的正常運(yùn)行以及系統(tǒng)換熱的高效性，但是現(xiàn)有油分離器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，噪音大等問題。隨著行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的不斷提高，現(xiàn)有的油分無法完全滿足需求，因此現(xiàn)有的油分離器結(jié)構(gòu)急需優(yōu)化[1]。本文基于計(jì)算流體力學(xué)技術(shù)(CFD)，采用Fluent軟件對商用水冷螺桿機(jī)內(nèi)置油分離器展開仿真研究，分析混合有油滴的冷媒在油分離器內(nèi)的流場分布，追蹤液相油滴的運(yùn)動(dòng)軌跡，分析油滴粒徑、油滴流量、氣流速度對油滴分離效率的影響。

1 研究模型

圖1為應(yīng)用于商用螺桿機(jī)組內(nèi)置油分離器的三維實(shí)體模型。通過油分離器的冷媒氣體和螺桿壓縮機(jī)用潤滑油在工作狀況下的特性參數(shù)如表1所列。

圖1 油分離器三維實(shí)體模型

表1 介質(zhì)特性參數(shù)

介質(zhì)R134a潤滑油密度/ kg·m-344.9800粘度/ kg·(m·s)-11.3·10-5-

2 數(shù)學(xué)模型

數(shù)值流體計(jì)算通常采用兩種方法來描述流體物理變量：一種是歐拉法，該方法認(rèn)為流體的物理變量隨空間點(diǎn)及時(shí)間而變化；另一種是拉格朗日法，該方法認(rèn)為流體質(zhì)點(diǎn)的物理變量隨流體質(zhì)點(diǎn)及時(shí)間變化。因此，可以把壓縮機(jī)排氣混和物中的氣態(tài)冷媒認(rèn)為是連續(xù)相，用歐拉法來描述其運(yùn)動(dòng)特征，而把油滴認(rèn)為是離散相，用拉格朗日法來描述其運(yùn)動(dòng)特征[2]。

2.1 連續(xù)相計(jì)算模型

攜帶有油滴的冷媒氣體在油分離器內(nèi)的流動(dòng)是一個(gè)復(fù)雜的多相旋轉(zhuǎn)流動(dòng)。

目前，F(xiàn)luent中用于計(jì)算湍流的模型有：標(biāo)準(zhǔn)的雙方程模型(k-ε模型)、重整化雙方程模型(RNGk-ε模型)以及可實(shí)現(xiàn)雙方程模型(Realizablek-ε模型)。由于重整化雙方程模型計(jì)算速度梯度較大的流場準(zhǔn)確性更高，故本文選擇該模型對問題模型進(jìn)行求解[3]。重整化雙方程模型基本公式如下：

Gb-ρε-YM

(1)

(2)

其中，

μeff=μ+μt

式中，Gk由平均速度梯度引起的湍動(dòng)能產(chǎn)生；Gb由浮力影響引起的湍動(dòng)能產(chǎn)生；YM為可壓縮湍流脈動(dòng)膨脹對總的耗散率的影響；k為湍動(dòng)能k的有效湍流普朗特?cái)?shù)的倒數(shù)；ε為耗散率ε的有效湍流普朗特?cái)?shù)的倒數(shù)；對于高雷諾數(shù)的C=0.0845。

2.2 離散相計(jì)算模型

由于冷媒中油滴含量極少，其體積分?jǐn)?shù)低于10%，因此考慮用DPM模型來求解離散相。

在DPM模型中，油滴的受力主要包括曳力、浮力、壓力梯度力及虛擬質(zhì)量力作用，其運(yùn)動(dòng)方程可表示為：

(3)

其中，

FD=3πμgdp(ug-up)/CC

FG=mpg(ρp-ρg)/ρp

式中，F(xiàn)D為油滴所受曳力，F(xiàn)G為油滴所受浮力，F(xiàn)p為油滴所受壓力梯度力，F(xiàn)vm為油滴所受虛擬質(zhì)量力。

2.3 濾網(wǎng)計(jì)算模型

為準(zhǔn)確計(jì)算油分離器壓降，濾網(wǎng)影響不可忽略，本模型濾網(wǎng)采用多孔介質(zhì)模型模擬，且忽略粘性阻力[4]。

(4)

式中，C2ij為系數(shù)矩陣C中的項(xiàng)；△ni為多孔介質(zhì)在三個(gè)坐標(biāo)方向的厚度。

3 數(shù)值模擬

3.1 簡化假設(shè)

考慮工程實(shí)際情況，油分離器仿真模擬計(jì)算采用以下假設(shè)：

(1)忽略油滴之間相互作用力，考慮油滴與氣相場相互作用，以及非穩(wěn)定力(壓力梯度力、虛擬質(zhì)量力)對單顆粒運(yùn)動(dòng)的影響；

(2)筒體壁面與油滴接觸即直接捕集，不發(fā)生反彈、凝并、破碎的現(xiàn)象；

(3)由于油滴體積分?jǐn)?shù)小于10 %，忽略固相場對氣相場的影響；

(4)實(shí)際工況中存在的潤滑油溶解于冷媒現(xiàn)象會(huì)降低油分效率，因此假設(shè)油滴不溶于冷媒。

3.2 網(wǎng)格劃分

網(wǎng)格劃分工作對于CFD數(shù)值模擬的求解具有關(guān)鍵作用。網(wǎng)格質(zhì)量的好壞直接影響數(shù)值模擬過程的穩(wěn)定性、收斂性、速度及精度。對于內(nèi)置油分離器，本文研究采用非結(jié)構(gòu)四面體網(wǎng)格劃分技術(shù)劃分網(wǎng)格，同時(shí)采用局部加密技術(shù)對濾網(wǎng)區(qū)域以及流體進(jìn)口等關(guān)鍵區(qū)域進(jìn)行加密以保證計(jì)算精度。對整個(gè)流場區(qū)域總計(jì)得到795萬個(gè)混合型網(wǎng)格單元，如圖2。

圖2 油分離器網(wǎng)格圖

3.3 邊界條件設(shè)定

(1) 對于連續(xù)相，計(jì)算采用速度進(jìn)口邊界條件和壓力出口邊界條件，近壁面用標(biāo)準(zhǔn)壁面方程處理，壁面采用無滑移邊界條件，模擬過程使用分離算法求解，壓力修正法采用壓力耦合方程組的半隱式方法(SIMPLE算法)，這樣使得結(jié)果易于收斂，而且穩(wěn)定性好。

(2) 對于離散相的油滴，DPM 模型中進(jìn)口和出口處采用逃逸條件，壁面采用捕捉條件，設(shè)置5組單分散油滴顆粒群進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。

表2 邊界條件設(shè)定

表3 離散相設(shè)定

顆粒群編號直徑質(zhì)量流量一5 μm0.5 kg·s-1二15 μm0.5 kg·s-1三25 μm0.5 kg·s-1四15 μm1.0 kg·s-1五15 μm1.5 kg·s-1

4 數(shù)值計(jì)算結(jié)果及分析

4.1 連續(xù)相流場分析

采用Fluent對油分離器內(nèi)部流場進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算后，得到進(jìn)口截面速度矢量圖。如圖3所示，流體進(jìn)入油分離器內(nèi)部即開始進(jìn)行高速運(yùn)動(dòng)，流體與正對壁面進(jìn)行撞擊，隨后進(jìn)行高速運(yùn)動(dòng)(如圖4)。

圖3 油分離器進(jìn)口速度矢量圖a

圖4 油分離器進(jìn)口速度矢量圖b

4.2 濾網(wǎng)分析

由圖5可知，濾網(wǎng)的加入使得流速分布均勻(約0.9 m·s-1)，通過計(jì)算獲得內(nèi)置油分離器壓降為6 kPa，其中濾網(wǎng)壓降為2 kPa。

圖5 多孔板速度分布

4.3 離散相分離效率分析

單分散油滴分離器效率計(jì)算如下

(5)

式中，nt為捕捉到油滴數(shù)量，ne為逃逸油滴數(shù)量。

由表4可知，油滴直徑越小，油滴的運(yùn)動(dòng)跟隨性越強(qiáng)，慣性分離能力減弱，分離效率降低；壓縮機(jī)排油量越大，油滴接觸壁面幾率增加，油滴分離效率增強(qiáng)；油分離器進(jìn)口速度越大，離心作用增強(qiáng)，油分效率越高。

表4 不同進(jìn)口速度條件下不同直徑油滴分離效率/%

顆粒群編號進(jìn)口速度12 m·s-114 m·s-116 m·s-1一71.573.576.5二80.283.285.2三100100100四83.585.587.5五86.489.492.4

5 結(jié)論

(1) 以RNGk-e模型為計(jì)算模型，對商用水冷螺桿機(jī)內(nèi)置油分離器的旋轉(zhuǎn)流場進(jìn)行了數(shù)值模擬，分析油分離器內(nèi)的流場結(jié)構(gòu)特征。

(2) 用DPM模型模擬了油滴的運(yùn)動(dòng)軌跡，得出了不同粒徑油滴的運(yùn)動(dòng)特征。油滴直徑越小，油滴的運(yùn)動(dòng)跟隨性越強(qiáng)，慣性分離能力減弱，分離效率降低；壓縮機(jī)排油量越大，油滴接觸壁面幾率增加，油滴分離效率增強(qiáng)；油分離器進(jìn)口速度越大，撞擊作用增強(qiáng)，油分效率越高。因此，適當(dāng)增大進(jìn)氣口速度可以有效提高油分離器效率，適當(dāng)增加壓縮機(jī)排氣量也可以提高油分離器效率。

(3)油分離器對油滴分離作用包括撞擊分離和濾網(wǎng)分離。除此之外，濾網(wǎng)在油分離器中起到了均流的效果，同時(shí)濾網(wǎng)壓降在油分離器中占較大比重。