螺桿壓縮機(jī)組立式油分離器分油效率研究

羅建飛，何 林，黃童毅，陳 紅，孫 濤

（空調(diào)設(shè)備及系統(tǒng)運(yùn)行節(jié)能國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東珠海 519070）

0 引言

螺桿式制冷壓縮機(jī)是一種高速回轉(zhuǎn)機(jī)械，轉(zhuǎn)子之間、轉(zhuǎn)子和殼體之間依靠間隙密封， 故在運(yùn)行中要向壓縮機(jī)工作腔噴入一定量的冷凍機(jī)油，以達(dá)到潤(rùn)滑與密封、提高壓縮機(jī)工作效率、降低排氣溫度和噪聲的目的［1-2］。經(jīng)過(guò)工作周期后冷凍機(jī)油與制冷劑蒸氣一起排出，如果排氣中的冷凍機(jī)油沒(méi)有被有效分離，這些冷凍機(jī)油就會(huì)進(jìn)入蒸發(fā)器和冷凝器影響系統(tǒng)的換熱效率，壓縮機(jī)也會(huì)因?yàn)榕苡彤a(chǎn)生磨損，因此需要在壓縮機(jī)排氣端設(shè)置油分離器，用于分離從壓縮機(jī)排出的潤(rùn)滑油，并使其重新返回壓縮機(jī)中。分油效率的高低以及油分離器選型對(duì)于螺桿制冷機(jī)組的能效有著極其重要的影響。按照油分離器的型式與結(jié)構(gòu)，油分離器大約可分為過(guò)濾式油分離器，離心式油分離器［3］。系統(tǒng)中無(wú)論采用何種油分離器，都要以分油效率作為其性能好壞的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，因此，油分離器的分油效率也就成為制冷機(jī)組能否高效安全穩(wěn)定運(yùn)行的一個(gè)重要參數(shù)［4］。國(guó)內(nèi)外很多研究人員對(duì)于油分離器的設(shè)計(jì)、應(yīng)用、分油效率做過(guò)研究，如SCHLAGER等［5］通過(guò)研究確定在制冷系統(tǒng)的蒸發(fā)器內(nèi)，當(dāng)潤(rùn)滑油循環(huán)量超過(guò)3%時(shí)，換熱能力將會(huì)惡化，壓力損失將會(huì)增大；當(dāng)蒸發(fā)器內(nèi)的潤(rùn)滑油循環(huán)量達(dá)到5%時(shí)，制冷量的衰減將會(huì)達(dá)到10%以上，增大功耗，將大大降低了系統(tǒng)的制冷能力。淦國(guó)慶等［6］對(duì)于油分離器在高效性螺桿式冷水機(jī)組中的應(yīng)用進(jìn)行了闡述，比較了不同分油效率對(duì)制冷機(jī)組能效比的影響。馮健美等［7］提出不同直徑的油箱顆粒的運(yùn)動(dòng)軌跡差別較大，其分離時(shí)間和分離效率也截然不同，直徑較大的顆粒較容易分離下來(lái)。油滴的入射位置對(duì)其運(yùn)動(dòng)軌跡及分離時(shí)間也有明顯的影響。隨噴油量的增加，油氣混合物中大直徑油滴增多，分油效率將增高。GB/T 5773-2004《容積式制冷壓縮機(jī)性能試驗(yàn)方法》附錄A含油量測(cè)試方法中，明確了系統(tǒng)分油效率的計(jì)算方法，為分油效率的分析提供了基礎(chǔ)。李進(jìn)楊［8］明確了目前主流的一級(jí)分離的方式主要有：降速式分離、撞擊式分離、離心式分離或以上幾種組合式分離；二級(jí)分離的方式主要有：金屬絲濾網(wǎng)分離、玻璃纖維分離、聚酯纖維分離、微孔陶瓷分離等。

目前行業(yè)對(duì)于2種不同結(jié)構(gòu)的主流立式油分離器在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，在不同工況條件，不同油位高度時(shí)的油分離狀態(tài)沒(méi)有進(jìn)行過(guò)對(duì)比研究［9-11］。本文針對(duì)油分離器的設(shè)計(jì)和選型參數(shù)進(jìn)行了理論概述，并對(duì)過(guò)濾網(wǎng)式和離心旋分式油分離器在上述狀態(tài)下進(jìn)行了試驗(yàn)分析，為后續(xù)制冷螺桿機(jī)組的設(shè)計(jì)開發(fā)及油分離器的選型提供參考。

1 油分離器分離原理及設(shè)計(jì)選型參數(shù)

螺桿制冷機(jī)組是否需要設(shè)置外置油分離器，主要根據(jù)壓縮機(jī)和換熱器型式確定。對(duì)于半封閉螺桿壓縮機(jī)，壓縮機(jī)本身己設(shè)置有油分離器，但由于結(jié)構(gòu)尺寸限制，分離效率不是很高。蒸發(fā)器如果是滿液式，進(jìn)入系統(tǒng)的潤(rùn)滑油回收比較困難，需在壓縮機(jī)與冷凝器之間需增設(shè)油分離器對(duì)壓縮機(jī)排氣中殘余的潤(rùn)滑油再次加以分離，盡量減少進(jìn)入系統(tǒng)的潤(rùn)滑油量。對(duì)干式機(jī)組來(lái)說(shuō)，進(jìn)入系統(tǒng)的潤(rùn)滑油最終會(huì)聚集在蒸發(fā)器內(nèi)。當(dāng)雷諾數(shù)Re＞103時(shí)，夾帶液滴最大直徑與流速平方成正比。干式蒸發(fā)器吸氣管口的氣流速度會(huì)達(dá)到10～15 m/s，理論上可以?shī)A帶20 mm直徑的液滴。在Re=10～103區(qū)間，氣體流速與夾帶液滴的最大直徑呈線性關(guān)系。在R134a蒸發(fā)器工作溫度下，與Re=103對(duì)應(yīng)的氣體流速約為1.1m/s，此時(shí)最大液滴直徑約為0.7 mm。所以干式蒸發(fā)器可以靠吸氣將系統(tǒng)中的油帶回壓縮機(jī)。

油分離器大致可分為過(guò)濾式油分離器、離心式油分離器。按照分離油滴直徑大小，噴油螺桿壓縮機(jī)油分離方法概括為兩類：

（1）機(jī)械分離法，即依靠油滴自身重力的作用，從氣體中分離直徑較大的油滴，如機(jī)械碰撞法和離心法。該方法可有效分離出直徑大于1 μm的油滴。值得注意的是，采用機(jī)械碰撞法進(jìn)行油氣分離時(shí)，油氣混合物撞擊障礙物時(shí)的速度有一定的范圍，其最佳數(shù)值與被壓縮氣體和潤(rùn)滑油的密度有關(guān)，一般為1～2 m/s為宜。當(dāng)速度過(guò)低時(shí)，混合物中的油滴會(huì)像氣體一樣，繞著障礙物流動(dòng)，而不能聚集在障礙物的表面。當(dāng)速度過(guò)高時(shí)，聚集在障礙物表面的油滴又會(huì)被高速流動(dòng)的氣體吹散，并回到氣流中。

（2）親和聚結(jié)法，通過(guò)設(shè)置特殊材料制成的濾芯元件，如填料法，使得直徑在1 μm以下的油滴，先聚結(jié)為直徑更大的油滴，然后再分離出來(lái)。

一般情況下，噴油螺桿壓縮機(jī)的噴油量約占容積排量的0.8%～1.0%。為了減少系統(tǒng)中的制冷劑的含油量，油分離器一般為多級(jí)分離。如離心式和過(guò)濾網(wǎng)結(jié)合、濾網(wǎng)與填料組合等立式雙級(jí)分離油分。馮健美等［7］對(duì)不同油分氣流入射位置和油滴大小對(duì)于分油效率和分油過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬，認(rèn)為入射位置和油滴大小對(duì)油滴分離過(guò)程和運(yùn)動(dòng)軌跡有較大影響。

2 理論模型

根據(jù)油氣混合物特性，1～50 μm范圍的大直徑液相油占比較大，該部分油滴主要是通過(guò)重力和碰撞作用進(jìn)行分離。工程中設(shè)計(jì)、選用油分離器須根據(jù)制冷機(jī)組壓縮機(jī)型號(hào)、制冷劑種類、機(jī)組排氣流量、機(jī)組設(shè)計(jì)氣流速度、冷凍機(jī)油的循環(huán)量等參數(shù)進(jìn)行確定。

（1）油分離器進(jìn)口氣體流量。

式中 Vd—— 螺桿式壓縮機(jī)排氣口體積流量，m3/h；

vj—— 螺桿式壓縮機(jī)吸氣口理論體積流量，m3/h；

μ ——螺桿壓縮機(jī)容積效率；

vs——螺桿壓縮機(jī)吸氣口吸氣比容；

vp——螺桿壓縮機(jī)排氣口排氣比容。

（2）分離器設(shè)計(jì)氣流速度。

式中 vmax—— 分離器允許通過(guò)的最大氣流速度，m/s；

k1—— 系數(shù)與液體的黏度、表面能力、霧沫粒度、絲網(wǎng)編織型式等因素有關(guān)；

ρ1——液體密度，kg/m3；

ρg——?dú)怏w密度，kg/m3；

vg——分離器設(shè)計(jì)氣流速度，m/s。

（3）絲網(wǎng)除沫器面積。

式中 D ——絲網(wǎng)除沫器直徑，m；

Q ——?dú)怏w處理量，m3/s；

Vg——設(shè)計(jì)氣流速度，m/s。

（4）冷凍機(jī)油循環(huán)量。

式中 V ——冷凍機(jī)油的循環(huán)量，L/min；

C ——壓差循環(huán)油量系數(shù)，無(wú)量綱數(shù)；

Ph——排氣壓力，MPa；

P1——吸氣壓力，MPa；

ΔP ——油路系統(tǒng)總阻力，MPa。

旋分式油分離器結(jié)構(gòu)如圖1（a）所示，其分離原理為：經(jīng)一級(jí)分離（離心分離），油氣混合物沿導(dǎo)流組件旋轉(zhuǎn)，利用離心分離對(duì)密度較大的油滴顆粒進(jìn)行脫除后進(jìn)入二級(jí)分離（濾網(wǎng)分離），通過(guò)濾網(wǎng)進(jìn)行精密分離。分離的油滴，在重力作用下沿筒體內(nèi)壁向下流至油分底部，而后返回壓縮機(jī)進(jìn)行補(bǔ)油。過(guò)濾網(wǎng)積油、流動(dòng)死區(qū)積油及旋流夾帶返混等因素造成了旋分式油分積油問(wèn)題。

圖1 旋分式、濾網(wǎng)式油分離器結(jié)構(gòu)Fig.1 Structural diagram of rotational oil separator and filter oil separator

旋分式油分離器內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，零部件較多，懸空裝配要求高，尤其對(duì)同軸度的要求。實(shí)際制造過(guò)程很難保證，具體原因如下：

1）筒體用無(wú)縫鋼管，本身的不圓度導(dǎo)致裝配同軸度難以控制，間隙大小不一；

2）導(dǎo)流組件一致性較差，進(jìn)一步影響同軸度的控制；

3）焊接要求內(nèi)部件中心管伸出上封板5 mm，實(shí)際裝配往往大于5 mm，加劇流動(dòng)死區(qū)積油效應(yīng)。

圖1（b）示出了濾網(wǎng)式油分離器結(jié)構(gòu)，其分離原理為：濾網(wǎng)式油分一級(jí)分離（離心分離），經(jīng)內(nèi)筒與筒體內(nèi)壁之間氣流的高速旋轉(zhuǎn)進(jìn)行離心分離，二級(jí)分離（濾網(wǎng)分離）通過(guò)濾網(wǎng)進(jìn)行精密分離，油滴經(jīng)過(guò)內(nèi)筒與筒體內(nèi)壁下流至油分底部回到壓縮機(jī)。其取消了導(dǎo)流組件，優(yōu)化內(nèi)筒結(jié)構(gòu)，濾網(wǎng)直接與上蓋板焊接，取消上封板，消除死區(qū)，優(yōu)化流場(chǎng)。濾網(wǎng)式油分離器扇形分布的支腳形導(dǎo)油板增強(qiáng)了內(nèi)構(gòu)件的穩(wěn)定性，又方便了濾網(wǎng)中油滴的下落。

3 試驗(yàn)系統(tǒng)

在螺桿制冷機(jī)組中，因機(jī)組結(jié)構(gòu)和空間位置的緊湊性，常采用立式油分離器。立式油分離器主要分旋分式和濾網(wǎng)式，這2種油分離器主要區(qū)別在于導(dǎo)流結(jié)構(gòu)的不同，旋分式油分離器采用的是螺旋導(dǎo)流組件，濾網(wǎng)式油分離器沒(méi)有螺旋導(dǎo)流組件。為測(cè)量旋分式油分離器和濾網(wǎng)式油分離器不同使用環(huán)境下的分油效率，搭建了用于測(cè)試試驗(yàn)臺(tái)。壓縮機(jī)的內(nèi)置油分離器已取消，壓縮機(jī)排出的油均由測(cè)試油分離器進(jìn)行分離。分離效率可由分離器回收的油量與進(jìn)入分離器的油量的比值進(jìn)行評(píng)價(jià)，通過(guò)測(cè)量回油量M1與回油量M3，評(píng)估分油效率。

為觀察測(cè)試油分離器油位，試驗(yàn)人員在這2種油分離器上均安裝了多個(gè)視液鏡及液位計(jì)，用于對(duì)機(jī)組運(yùn)行過(guò)程中的油位進(jìn)行觀察記錄。螺桿壓縮機(jī)選用排氣量為880 m3/h，實(shí)驗(yàn)室油分離器容量為0.9 m3，效率達(dá)到99%，因此，可將其視為效率為100%的理想油分離器。系統(tǒng)冷媒為R134A，試驗(yàn)采用稱重法進(jìn)行分油效率測(cè)試。待機(jī)組啟動(dòng)運(yùn)行穩(wěn)定后讀取流經(jīng)流量計(jì)1的回油量M3，此流量即為系統(tǒng)回油量；同時(shí)讀取流經(jīng)流量計(jì)3的回油量M1，此流量即為測(cè)試油分回油量。具體測(cè)試系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 測(cè)試系統(tǒng)Fig.2 Diagram of test system

壓縮機(jī)排氣總含油量為：

油位穩(wěn)定時(shí)：

則油分效率η為：

4 試驗(yàn)方案

螺桿制冷機(jī)組主要靠油分離器出口壓力與吸氣管口壓力差進(jìn)行壓差回油。根據(jù)測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，確定試驗(yàn)工況為名義工況（蒸發(fā)/冷凝溫度為5 ℃/38 ℃）、最大制冷工況（蒸發(fā)/冷凝溫度為12 ℃/45 ℃）、低壓差工況（蒸發(fā)/冷凝溫度為12 ℃/30 ℃）。其中機(jī)組排氣壓力大小依次為最大制冷工況＞名義工況＞低壓差工況。

開機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定后開始測(cè)量測(cè)試油分離器回油量和系統(tǒng)回油量，根據(jù)上述的分油效率計(jì)算公式進(jìn)行測(cè)試油分離器分油效率的計(jì)算。

針對(duì)3種試驗(yàn)工況下機(jī)組的跑油量，設(shè)計(jì)測(cè)試方案如下：

（1）壓縮機(jī)滿載運(yùn)行工況穩(wěn)定后，將測(cè)試油分油位穩(wěn)定在3格頂端，記錄時(shí)間T1；

（2）關(guān)閉試驗(yàn)臺(tái)回油系統(tǒng)，按工況繼續(xù)運(yùn)行，油位會(huì)緩慢下降，當(dāng)油位降低至1格底部時(shí)，記錄T2；

（3）將試驗(yàn)臺(tái)回油打開，直至油位回到3格頂端，記錄時(shí)間T3。

假設(shè)試驗(yàn)臺(tái)回油量為P，跑油量為N，則有：

因此，跑油量為：

5 試驗(yàn)結(jié)果及分析

5.1 工況條件對(duì)分油效率的影響研究

通過(guò)試驗(yàn)測(cè)得不同工況下2種油分離器的分油效率，具體如圖3所示。由圖可知，旋分式油分離器分油效率在名義工況、最大制冷工況和低壓差工況下分別為87.6%，30.8%，18.0%；濾網(wǎng)式油分離器分別為82.9%、91.8%，82.2%，較旋分式分別改變-5.4%，197.5%，356.7%。旋分式油分離器分油效率受工況條件影響大，在高壓差與低壓差工況下分油效率銳減，而濾網(wǎng)式油分離器分油效率表現(xiàn)穩(wěn)定，更適用于機(jī)組變工況的運(yùn)行條件。

圖3 不同工況下2種油分離器的分油效率Fig.3 Separation efficiency of two types of oil separators under different working conditions

分析不同工況下機(jī)組跑油量數(shù)據(jù)，也可佐證以上結(jié)論，具體測(cè)試參數(shù)見表1。旋分式油分離器機(jī)組跑油量為名義工況＜最大制冷工況＜低壓差工況，濾網(wǎng)式油分離器機(jī)組為最大制冷工況＜低壓差工況＜名義工況。單位時(shí)間內(nèi)機(jī)組跑油量越大，意味著分油效率越差。不同工況條件下，壓縮機(jī)排氣壓力、排油量、油分結(jié)構(gòu)等因素共同影響分油效率。壓縮機(jī)排氣壓力增大，入口流速降低，離心分離及機(jī)械碰撞作用減弱，重力沉降作用增強(qiáng)；排氣壓力降低，入口流速升高，離心分離及機(jī)械碰撞作用增強(qiáng)，重力沉降作用減弱。不同的排氣壓力條件，油氣分離的主要作用方式不同，存在著最佳的排氣壓力使得油分分油效率最高［7］。

表1 機(jī)組跑油測(cè)試匯總Tab.1 Summary of unit oil leakage test

壓縮機(jī)排油量增大，氣體單位體積內(nèi)的含油量增大，油氣混合物中油滴以較大直徑存在，易于離心、沉降分離；排油量減小，油氣混合比較均勻，不易分離。

油分離器的離心結(jié)構(gòu)影響著分油效率。旋分式油分離器離心結(jié)構(gòu)為內(nèi)外筒間盤繞的螺旋流道；濾網(wǎng)式離心結(jié)構(gòu)為內(nèi)外筒間通道，通過(guò)切向進(jìn)氣實(shí)現(xiàn)離心分離。2種結(jié)構(gòu)相較，前者雖然流速更高更利于離心分離，但摩擦阻力損失更大；且流速過(guò)高易導(dǎo)致分離出的附著在流道中的油被高速氣流再次帶起、發(fā)生返混，一次分離效率反而變差。同時(shí)，螺旋流道與內(nèi)筒連接處易形成流動(dòng)死區(qū)，發(fā)生積液或回流等問(wèn)題，不利于油氣分離。對(duì)于后者，油氣混合物在慣性力作用下繞筒旋轉(zhuǎn)，離心分離的油滴被筒壁捕獲后，在重力作用下沉降至油分底部。此結(jié)構(gòu)壓降小、流場(chǎng)分布順暢，沒(méi)有流動(dòng)死區(qū)問(wèn)題，相對(duì)而言，有更好的一次分離效率。

以上因素的綜合影響，使得濾網(wǎng)式油分在變工況條件下表現(xiàn)出更好的分油效率。對(duì)于旋分式油分離器，可使用在壓縮機(jī)排氣壓力、排油量稍低的場(chǎng)合。

5.2 油位高度對(duì)分油效率的影響研究

名義工況下2種油分離器在不同油位高度時(shí)的分油效率如圖4所示。由圖可知，油位越高，測(cè)試油分的分油效率越低。油位高度在0.5～4格時(shí)，油分分油效率緩慢下降；增至4～5格時(shí)，分油效率下降速度明顯加快。特別是濾網(wǎng)式油分，在5格油位時(shí)分油效率急速降至28%左右。

圖4 2種油分離器在不同油位高度時(shí)的分油效率Fig.4 Separation efficiency of two types of oil separators with different oil level heights

經(jīng)一次分離的油氣混合物在進(jìn)入濾網(wǎng)進(jìn)行二次分離時(shí)需發(fā)生轉(zhuǎn)向。對(duì)于旋分式油分離器，油氣混合物過(guò)傘型板后轉(zhuǎn)向約90°進(jìn)入濾網(wǎng)；濾網(wǎng)式油分離器，油氣混合物過(guò)內(nèi)筒后轉(zhuǎn)向約180°向上進(jìn)入濾網(wǎng)。發(fā)生轉(zhuǎn)向時(shí)，部分氣流在慣性力作用下沖擊油分底部油面，攜帶油滴后轉(zhuǎn)向流動(dòng)。油位越高，沖擊氣流可能帶走的油量就越多，而濾網(wǎng)的分油能力一定，必然導(dǎo)致油分總體分油效率的降低。從2種油分離器的結(jié)構(gòu)圖可以看出，相較旋分式油分離器，濾網(wǎng)式油分離器的轉(zhuǎn)向點(diǎn)更靠近底部存油區(qū)，沖擊氣流可能接觸底部油面的概率更高。顯然，濾網(wǎng)式油分受油位高度變化的影響更大。

油分離器需控制一定的油位高度，以實(shí)現(xiàn)機(jī)組穩(wěn)定可靠運(yùn)行。名義工況下，油位高度控制在0.5～1格時(shí)，2種油分均可實(shí)現(xiàn)較好的分油效果。

6 結(jié)論

（1）旋分式油分離器分油效率受工況條件影響大，在高壓差與低壓差工況下分油效率銳減，最低至18.0%，而濾網(wǎng)式油分離器分油效率表現(xiàn)穩(wěn)定。機(jī)組在實(shí)際使用中應(yīng)根據(jù)不同工況設(shè)計(jì)不同的回油參數(shù)，防止出現(xiàn)跑油嚴(yán)重的情況。

（2）油分離器內(nèi)部油位高度對(duì)分油效率具有影響，油位越高，分油效率越低。因結(jié)構(gòu)原因，濾網(wǎng)式油分離器受油位高度變化的影響更大。因此，油分離器應(yīng)設(shè)置可靠的回油結(jié)構(gòu)，確保進(jìn)行及時(shí)回油，避免內(nèi)部集油導(dǎo)致油位上升，分油效率急劇惡化。名義工況下，油位高度控制在0.5～1格時(shí)，2種油分均可實(shí)現(xiàn)較好的分油效果。

（3）濾網(wǎng)式油分離器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，生產(chǎn)裝配工藝要求不高，成本較結(jié)構(gòu)復(fù)雜的旋分式油分離器低約30%。同時(shí)，結(jié)構(gòu)件間不存在死區(qū)積油隱患，分油效率表現(xiàn)穩(wěn)定，可實(shí)現(xiàn)機(jī)組長(zhǎng)期可靠穩(wěn)定運(yùn)行。大型的螺桿式冷水機(jī)組推薦使用此結(jié)構(gòu)油分離器。