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螺杆压缩机卧式油气分离器分离特性研究

文章出处:人气:0发表时间:2020-6-29 15:50:33

螺杆压缩机以其结构简单、可靠性高、重量轻、噪声低等特点越来越广泛的应用到各个领域,动力用喷油螺杆空气压缩机已经系列化,一般为大气压力下吸入气体,单级排气压力有0.8 MPa、1.1 MPa、1.4 MPa等不同形式。随着油气分离和气体净化技术的发展,喷油螺杆空压机越来越被广泛的应用到对空气品质要求非常高的应用场合,如食品、医药及棉纺企业,占据了许多原属于无

油压缩机的市场[1]。油气分离器分离效率的好坏直接决定着压缩机出口气体的含油量,目前大部分压缩机系统通过油气分离器进行一次油分,将大颗粒油滴分离出来,再通过内置或者外置的油气分离滤芯进行二次油分,将小颗粒油滴分离,保证压缩机排气口的含油量低于5×106或者更低。油气分离器的一次油分效率直接影响着二次油分滤芯的分离效率和使用寿命,一级油气分离器效率的提高可有效减少二级油分滤芯的分离负荷,提高整体分离效率[2]。

对于一次油分效果的提升,需要深入了解油气分离器内部流场分布以及油滴的运动轨迹。本文设计的一款压缩机整机是将压缩机机头内置于油气分离器内,以达到降噪和机头冷却效果,同时针对现有卧式油气分离器内迷宫式折流板进行了改进,设计了一种新型的折流板,折流板通过多次改变气流流向来增加油滴的凝聚和碰撞,进而分离油滴。同时采用CFD数值模拟的方法对油气分离器内部流场进行了模拟,运用DPM模型分析了不同直径的油滴在流场内的运动轨迹[3-5]。

2 理论分析

2.1 一次分离机理

一般油气分离器的分离原理为碰撞分离、重力分离和离心分离。卧式油气分离器以碰撞分离和重力分离相结合的方式进行分离。分离原理图如图1所示。

常规的卧式油气分离器内部布置有迷宫式的折流板来增强油滴的碰撞作用进而分离油滴。本文未采用迷宫式折流板,新设计的折流板采用了折流片式的分离结构,通过改变气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为大的油滴沉积在分离器的底部。具体的结构尺寸如图2所示:折流翅片分为多个翅片焊接在外圆,外圆与油气分离器内壁焊接,折流板折弯的3个角度分别为120°、60°、120°。

设计的压缩机结构如图3所示:压缩机机头内置于油分桶内,吸气经过外置的吸气阀和过滤器后进入压缩机压缩,排气通过一根C字型管道吹向吸气管,C字形的设计使气流迂回路径较长,有利于油滴的碰撞分离。压缩机运行工况为排气压力0。8 MPa,流量1m3/min,润滑油流量为0。12 kg/s。

2.2 计算方法

为节省计算时间,对油气分离器物理模型进行了简化,简化后的结构及网格如图4所示,网格采用三角形非结构化网格,对折流板处网格进行了加密。

在油气混合物中,油滴相体积分数占总体积分数均小于10%,满足DPM模型使用条件,同时在对油滴运动轨迹进行求解时做出了如下假设:不考虑油滴的蒸发;油滴为圆形;油滴直径满足Rosin -rammler分布。气相流场湍流模型采用k-epsilon模型计算,近壁面采用标准函数处理方法。边界条件为根据工况条件给定入口速度6 m/s和出口压力0.8 MPa。DPM设置为入口和出口位逃

逸条件,筒体壁面及压缩机机头壁面为反射条件,折流板为捕捉条件。计算方法设置为SIMPLE算法,动能、紊动能、紊流耗散率对流相的离散格式均采用二阶迎风格式。

3 模拟结果及分析

3.1 流场模拟结果

图5分别为油气分离器内部流场迹线图、XY平面和XZ平面的速度迹线图。

从图5 (a) 图可以看出油气分离器内部流场比较复杂。因为压缩机机头内置于油气分离内,一方面加大了筒体直径,另一方面加大了油滴与机头和分离器壁面碰撞的机会,使得油气混合物进入筒体后速度大幅减小,在筒体停留时间足够长,提升了一次粗分离的效率。从图5 (b)可以看出,气流吹向吸气管后两侧会形成大的涡流,涡流带动油滴产生的离心力可以使得油滴分离出去,进一步增加了油分效率。图5(c) 显示的折流板处的气流经过多次流道的改变导致了气流的紊乱以及细小的涡流,小直径的油滴在折流板处与板壁碰撞凝聚,凝聚的油滴直径越来越大通过重力作用汇入底部油池。

3.2 油滴迹线模拟结果

图6为不同直径范围内的油滴在流场内运动轨迹追踪。

根据油滴运动轨迹的模拟结果可以看出,直径小于20 μm的油滴会有部分逃逸到出口,这部分小直径油滴将通过外置的二次油分芯进行分离。

对于直径大于20μm的油滴,其通过排气口排出后吹向吸气管路,经过多次的碰撞分离以及折流板的折流凝聚作用,油滴可以全部被分离。

4 结论

本文采用了数值模拟的方法,对一种新型结构的喷油螺杆压缩机卧式油分桶的分离特性进行了研究,通过模拟结果得出以下结论:

(1) 验证了物理模型和数学模型的可行性,进而验证了压缩机机头内置于油气分离器时其分离特性的可行性,分离器分离油滴原理综合了碰撞分离,重力分离,离心分离和凝聚分离。

(2)不同直径油滴分离特性有所差异,分离器对于直径大于20 μm的油滴可在一次分离时全部分离,小于20 μm的油滴则通过二次油分芯分离。

(3)压缩机机头排气吹向吸气管路后气流将形成两股大的涡流,涡流带动油滴旋转产生的离心力有利于油滴的分离。

(4) 新结构的折流板在改变流道的同时使得气流产生局部的涡流,进一步增强了油滴与壁面的碰撞凝聚,提升了一次分离效率。

本文对于实际工程中油气分离器结构进行了改进,并通过模拟计算验证了可行性,对优化油气分离器结构有着重要指导意义。

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