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螺杆空压机的油气分离知识与实际应用

发布日期:2020-02-22 18:40
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喷油螺杆压缩机中,为了降低排气含油量和循环使用机组中的润滑油,须利用油气分离器把润滑油有效地从气体中分离出来,因此,油气分离器是喷油螺杆空压机组系统中的重要设备之...
 喷油螺杆压缩机中,为了降低排气含油量和循环使用机组中的润滑油,须利用油气分离器把润滑油有效地从气体中分离出来,因此,油气分离器是喷油螺杆空压机组系统中的重要设备之一。喷油螺杆空压机在压缩气体的同时,大量的油被喷入压缩机的齿间容积。这些油和被压缩气体气体形成的油气混合物,在经历形同的压缩和排气过程后,被排到机组的的油气分离器中。
 
螺杆空压机的油气分离知识与实际应用
 
1油气混合物的特性
 
在由被压缩气体和润滑油形成的油气混合物中,润滑油以气相和液相两种形式存在。处于气相的润滑油,是由液相的润滑油蒸发所产生的,其数量的多少取决于油气混合物的温度和压力外,还与润滑油的饱和蒸汽压有关。油气混合物的温度和压力愈高,则气相的油愈多;饱和蒸汽压愈低,则气相的油愈少。气相油的特性与其它气体类似,无法用机械方法予以分离,只能用化学方法去清除。
 
显然,降低气相油含量的方法是降低排气温度。但如前所述,在喷油螺杆空气压缩机中,排气温度不要低到发生水蒸气将被冷凝的程度。减少气相油含量的另一种方法,是采用饱和蒸气压较低的润滑油,合成油和半合成油往往具有相当低的饱和蒸气压力,所以在改善润滑油性能的同时,能有效地降低压缩机排气中的含油量。
 
值得指出的是,在一般运行工况下,油气混合物中处于气相的润滑油很少。这是因为在通常的排气温度下,混合物中润滑油蒸气的分压力很低;另外,是由于润滑油从喷入到分离的时间很短,没有足够的时间达到气相和液相间的平衡状态。
 
处于液相的润滑油占到了所有被喷入油中的大部分。这种液相油滴的尺寸范围分布很广,大部分油滴直径在1~50μm的范围内,少部分的油滴可小至与气体分子具有同样的数量级,仅有0.01μm。显然,大油滴和小油滴的性质会有较大的差异。
 
在重力作用下,只要油气混合物的流速不是太快,大的油滴最终都会落到油气分离器的底部。当然,油滴直径越小,其下落过程的时间就越长。对于直径很小的润滑油微粒,却可以长时间悬浮在气体中,无法在自身重力的作用下,从气体中被分离出来。
 
 
 
2油气分离的方法
 
按分离机理的不同,喷油螺杆空压机机组中采用两种不同的油气分离方法:
 
①机械碰撞法,即依靠油滴自身重力的作用,从气体中分离直径较大的油滴。实际测试表明,对于直径大于1μm的油滴,都可采用机械碰撞法被有效地分离出来。
 
②亲和聚结法,既通过特殊材料制成的元件,使直径在1μm以下的油滴,先聚结为直径更大的油滴,然后再分离出来。
 
采用机械碰撞法进行油气分离时,要在油气混合物的流动方向上设置某种障碍物。当油气混合物与障碍物碰撞后,混合物中的油滴就会聚集在障碍物的表面,并在重力的作用下,落到分离器的底部。
 
值得注意的是,采用机械碰撞法进行油气分离时,油气混合物撞击障碍物时的速度有一定的范围,其好的数值与被压缩气体和润滑油的密度有关。对于喷油螺杆空压机,好的撞击速度为3m/s左右。当速度太低时,混合物中的油滴会象气体一样,绕着障碍物流动,而不能聚集在障碍物的表面。当速度太高时,聚集在障碍物表面的油滴又会被高速流动的气体吹散,并回到气流中。
 
采用机械碰撞法进行油气分离时,所设的障碍物可以是分离器的壁面,也可以是专门制造的网状元件,有时也采用两者的组合,即先让油气混合物撞击分离器的壁面,然后再利用网状元件进一步分离。这种网状元件广泛采用不锈钢编造,具有制造简单、耐腐蚀、价格低廉等优点。只有在压缩非常特殊的气体时,才考虑用镍、铝、铜等其它金属材料,或聚丙烯、尼龙、涤纶等非金属材料。
 
亲和聚结法主要用于分离直径为1μm以下的油滴,由过滤和聚结两个过程组成。这种分离方法中采用的元件,实际上是一种多孔过滤材料,当油气混合物流入过滤元件之前,直径大于元件材料孔径的油滴,将在元件的表面被过滤出来。然后,利用过滤材料内部流道形状和大小的改变,可使进入其内部的小直径油滴在惯性力的作用下,在材料的纤维上聚结成为大直径油滴,并被过滤出来。
 
很显然,亲和聚结法中过滤元件的孔径将决定分离效果的好坏。如果材料的孔径较大,则许多小直径的油滴将无法被分离出来。然而,也没有必要把材料的孔径做得太小,这主要是因为随着被过滤出来的大油滴在过滤材料上的聚结,元件材料孔径的有效流通面积被明显减小,从而可使更小直径的油滴被分离出来。
 
当分离元件材料的孔径太小时,不但会使流动阻力增加和产生较大的压降,而且会使一部分油在气体压差的作用下,通过分离元件。另外孔径越小,也越容易被进入元件的灰尘等其它杂物所堵塞。
 
在早期的设计中,曾采用纯羊毛、改性化纤织物,以及烧结金属和陶瓷作为亲和聚结法的过滤元件材料。近年来,已普遍采用专门为此用途开发的超细玻璃纤维等材料,取得了除油效果佳、寿命长、压降小的效果。通常这类过滤元件可使气体中的含油量降至PPM级。
 
但无论这种过滤元件的结构多么复杂,经其分离后的气体中仍会含有某些润滑油。这是因为机械碰撞法和亲和聚结法,都无法把处于气相的润滑油有效地分离出来。
 
进一步的油气分离需要采用化学的方法,通常是利用活性碳元件的吸附作用,经过吸附过程后的气体含油量,甚至比普通大气环境中的含油量低的多。
 
另外,往往这些过滤元件不具备自净功能,油气混合物中的灰尘等杂质进入元件后,会滞留其中。所以,在运行过程中,过滤元件的压降降逐渐增大,当压降过量时,就需要更换过滤元件。
 
为了尽可能减少气体流过过滤元件时的压力损坏和提高分离效果,气体在其间的流速不能太高。然而,流速越低,所需的过滤材料就越多,过滤元件的成本就越高。
 
合理的压降和流速,与被压缩元件的密度和润滑油的粘度等因素有关。一般通过洁净过滤元件的压降为0.025~0.03MPa,当此压降增加到0.07~0.1MPa时,就需更换过滤元件。
 
对于喷油螺杆空压机,气体流过过滤元件时的速度应在0.1m/s左右。
 
3油气分离器设计
 
喷油螺杆空压机的机组系统,可以分为开式和闭式两类。
 
在开式系统中,气体经过压缩机提高压力后,直接被输往使用场所,而不再回到压缩机中。喷油螺杆空气压缩机和喷油螺杆天然气压缩机的系统都属于此类。
 
在闭式系统中,气体经过压缩机提高压力和在使用场所利用后,又会回流到压缩机中。喷油螺杆制冷压缩机的系统是典型的闭式系统。
 
开式系统和闭式系统中的油气分离器设计有所不同。
 
对于开式系统,机组排气中所含的润滑油就是油的消耗,所以其油气分离器采用机械碰撞法和亲和聚结法的组合形式,以尽量降低润滑油的消耗量。
 
在一些闭式系统中,机组排气中所含的润滑油,可以随着被压缩气体再次回到压缩机中。所以,在很多闭式系统中,通常只采用机械碰撞法进行油气分离。不过,当过多的润滑油随气体进入使用场所后,可能会产生一定的危害,例如制冷机组中的润滑油进入冷凝器和蒸发器后,就会影响这些换热器的传热特性。因此,在闭式系统的油气分离器中,也越来越多地采用机械碰撞法和亲和聚结法的组合形式。在油气分离器中,通常把利用机械碰撞法的分离器称为一次分离器,把利用亲和聚结法的分离器称为二次分离器。
 
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