葛俊娜 唐黎明 陳光明 吳 撼 陳 琪

(浙江大學(xué)制冷與低溫研究所 浙江省制冷與低溫技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 杭州 310027)

潤(rùn)滑油在壓縮式制冷循環(huán)中對(duì)壓縮機(jī)起到潤(rùn)滑運(yùn)動(dòng)部件、降低摩擦副溫度、減輕摩擦副磨損、加強(qiáng)壓縮機(jī)氣密性的作用[1-2]。但在制冷循環(huán)運(yùn)行時(shí)，潤(rùn)滑油不僅會(huì)隨著氣態(tài)制冷劑參與制冷循環(huán)，在換熱器表面產(chǎn)生油膜增大傳熱熱阻；還會(huì)造成壓縮機(jī)出現(xiàn)缺油、抱軸等現(xiàn)象，因此在制冷循環(huán)中引入高效率的油分離器非常重要。

按照不同結(jié)構(gòu)型式，常見(jiàn)的油分離器可分為離心式油分離器、過(guò)濾式油分離器以及填料式油分離器[3]。在工業(yè)上應(yīng)用廣泛的旋風(fēng)式油分離器即屬于離心式油分離器。目前的研究大多針對(duì)已有油分離器的結(jié)構(gòu)優(yōu)化以及模擬仿真。在結(jié)構(gòu)優(yōu)化方面，Y.S.Cho 等[4-5]針對(duì)旋風(fēng)式油分離器的內(nèi)壁表面用親油疏油處理，油分效率提高至93.10%，比傳統(tǒng)的旋風(fēng)式油分離器提高了1.67%。特靈空調(diào)系統(tǒng)(中國(guó))有限公司沈海英等[6]提出一種設(shè)置雙行程旋風(fēng)離心分離和濾網(wǎng)過(guò)濾分離的油分離器，使之形成4個(gè)腔室，并多次改變氣流方向以增加分離路徑從而增強(qiáng)分離效果。Xu Jiu 等[7]通過(guò)流動(dòng)可視化以及實(shí)驗(yàn)測(cè)量研究了在實(shí)際壓縮機(jī)排氣條件下油分離器的分離結(jié)構(gòu)，并提出了一個(gè)半經(jīng)驗(yàn)分析模型檢驗(yàn)分析帶有波片結(jié)構(gòu)的撞擊式油分離器的性能。在仿真模擬方面，謝緒揚(yáng)[8]利用Fluent軟件模擬了油分離器中波紋板和絲網(wǎng)除霧器內(nèi)的氣液兩相流場(chǎng)，發(fā)現(xiàn)波紋板除霧器的進(jìn)出口壓降和分離效率與進(jìn)口氣速成正比，與葉片轉(zhuǎn)折角度成反比；絲網(wǎng)除霧器的壓降和分離效率與進(jìn)口氣速呈正比；波紋板和絲網(wǎng)的整體分離效率較大。Luo Xiaoming等[9]利用Fluent軟件模擬分析了不同膨脹直徑比和傾斜角度下的氣液圓柱旋風(fēng)分離器內(nèi)液滴的流動(dòng)，以此來(lái)確定最佳膨脹比和傾斜角度。張小彬等[10-11]采用PBM和CFD雙流體模型的耦合方法，研究了航空發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)壓式油氣分離器的縱橫比(氣缸直徑/氣缸長(zhǎng)度)對(duì)分離特性的影響,結(jié)果表明，縱橫比過(guò)大或過(guò)小均會(huì)導(dǎo)致油氣分離器的分離性能下降，存在一個(gè)最佳的橫縱比5～6之間油氣分離器的分離性能最好，達(dá)到其最大分離效率約為93%。

通過(guò)文獻(xiàn)調(diào)研可知，已有的油分離器的研究?jī)H集中在結(jié)構(gòu)層面的優(yōu)化，存在一定的限制性。結(jié)構(gòu)缺陷造成現(xiàn)有高效率油分離器的制造成本高，不能高效分離油氣混合物。然而由于制冷劑和潤(rùn)滑油的揮發(fā)度差異，可以將精餾引入油分離器的設(shè)計(jì)中以有效提高分離效率。

本文提出一種臥式精餾型油分離器，由碰撞與重力分離相結(jié)合的儲(chǔ)油筒體和精餾分離筒體組成，利用精餾原理以達(dá)到更高效的分離效率，分別通過(guò)模擬和實(shí)驗(yàn)研究驗(yàn)證油分離器的可行性和高效率。

1 精餾型油分離器的設(shè)計(jì)

由于僅靠慣性和重力作用的油分離器很難達(dá)到高效分離，因而通常會(huì)采用一些如離心分離、碰撞攔截、吸附分離等的強(qiáng)化分離技術(shù)[16-17]。在精餾時(shí)，混合物中的氣相和液相做逆向流動(dòng)并在逆向流動(dòng)過(guò)程中不斷進(jìn)行傳熱傳質(zhì)，氣相中的重組分逐漸進(jìn)入液相，而液相中的輕組分逐漸轉(zhuǎn)入氣相[18]。傳統(tǒng)的油分原理可以初步分離質(zhì)量較大的油滴，而精餾可以在此基礎(chǔ)上進(jìn)行高效分離。根據(jù)已有的油分離器結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和精餾原理，同時(shí)保證油分離器高效、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且易于加工制造，設(shè)計(jì)得到的分離流程如圖1所示。

圖1 分離流程設(shè)計(jì)

根據(jù)圖1所示的三段分離過(guò)程設(shè)計(jì)的臥式精餾型油分離器的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

1油分離器進(jìn)口；2儲(chǔ)油筒體；3分離擋板；4回油口；5精餾分離段筒體；6冷卻盤管；7油分離器出口；8回油管路；9填料腔；10冷卻水入口；11冷卻水出口；12管道。

該精餾型油分離器的三段分離工作流程如下：

重力沉降段分離：油氣混合氣體從壓縮機(jī)排出后通過(guò)精餾型油分離器進(jìn)口1進(jìn)入儲(chǔ)油筒體2，混合氣體流速隨著截面面積的增大而下降，質(zhì)量較大的油滴在重力作用下落完成分離，并沉積在儲(chǔ)油筒體2的底部。

碰撞分離段：經(jīng)過(guò)重力沉降段分離后的混合氣體在分離擋板3上氣體發(fā)生碰撞并改變了流動(dòng)方向因而分離出小直徑的油滴，并在重力作用下沿?fù)醢辶魅雰?chǔ)油筒體2的底部。

精餾分離段：剩余的混合氣體通過(guò)管道12進(jìn)入精餾分離筒體5并軸向流經(jīng)填料腔9時(shí)，溶于氣體內(nèi)的潤(rùn)滑油會(huì)被填料吸附，并沉積于精餾分離段筒體5底部。由于儲(chǔ)油筒體2頂部與精餾分離段筒體5底部互相接觸，使得沉積于精餾分離段筒體5底部的潤(rùn)滑油與經(jīng)過(guò)儲(chǔ)油筒體2的混合氣體進(jìn)行熱量交換，同時(shí)混合氣體接觸到精餾分離段筒體5頂部的冷卻盤管6時(shí)被冷凝。綜上，混合氣體流經(jīng)精餾分離段筒體5時(shí)不斷被氣化與冷凝，最終氣相中的油被徹底除去。制冷劑氣體通過(guò)精餾型油分離器出口7排出，而沉積于精餾分離段筒體5底部的油液先通過(guò)回油管路8流經(jīng)儲(chǔ)油筒體2，再經(jīng)過(guò)回油口4回到壓縮機(jī)內(nèi)。填料腔9內(nèi)的填料采用小彈簧。

以氣體進(jìn)口溫度62 ℃、出口溫度45 ℃，循環(huán)水進(jìn)口溫度20 ℃、出口溫度25 ℃，制冷劑質(zhì)量流量12.53 g/s的條件進(jìn)行計(jì)算，精餾型油分離器結(jié)構(gòu)尺寸為：螺旋盤管規(guī)格60 mm×40 mm×15 mm(盤管整體外徑×盤管整體內(nèi)徑×盤管間距)；筒體直徑108 mm；筒體高度185 mm；填料規(guī)格5 mm×1 mm×1.86 mm(彈簧高度×彈簧內(nèi)徑×彈簧外徑)。

2 精餾型油分離器的仿真模擬

目前常用的制冷劑有R134a、R407c、R410a、R22等[19]，本實(shí)驗(yàn)選擇R134a作為實(shí)驗(yàn)工質(zhì)。PAG潤(rùn)滑油和POE潤(rùn)滑油一般與R134a相匹配?？紤]到實(shí)驗(yàn)的安全性，實(shí)驗(yàn)中的潤(rùn)滑油選擇性質(zhì)更加穩(wěn)定的PAG潤(rùn)滑油，因此采用R134a/PAG的制冷劑與潤(rùn)滑油組合進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

利用Aspen軟件模擬計(jì)算R134a/PAG混合物精餾過(guò)程，并按照精餾型油分離器結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)定精餾塔結(jié)構(gòu)尺寸。依據(jù)物性假設(shè)精餾塔的塔板數(shù)為10，從第5層塔板上進(jìn)料，塔內(nèi)為恒定壓力1 000 kPa，R134a和PAG的質(zhì)量比按照7∶3進(jìn)料，冷凝器及再熱器的換熱量為100 W，計(jì)算得到不同進(jìn)料流量下的油濃度，如圖3所示。

圖3 頂端出口油和釜底油濃度隨進(jìn)口流量的變化

模擬結(jié)果顯示，R134a作為易揮發(fā)組分，入口流量由0增至15.0 g/s，頂端出口均為氣態(tài)，潤(rùn)滑油組分占比為0，而R134a組分占比為1。由制冷劑與潤(rùn)滑油組成的二元混合物通過(guò)精餾過(guò)程可除去氣態(tài)制冷劑中的潤(rùn)滑油，且制冷劑流量的變化基本不影響油分離器的分離效率。

保持混合物流量為7.5 g/s不變，頂端冷量對(duì)油濃度的影響如圖4所示。

圖4 頂端出口油和釜底油濃度隨頂端冷量的變化

由圖4可知，當(dāng)頂端冷量為0 W時(shí)，頂端出口油濃度為0.025%；當(dāng)頂端冷量為100 W時(shí)，頂端出口油濃度幾乎為0。因此通過(guò)精餾過(guò)程，當(dāng)頂端冷量達(dá)到一定數(shù)值時(shí)幾乎可以除盡二元混合物中的潤(rùn)滑油。

3 精餾型油分離器的實(shí)驗(yàn)研究

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)以壓縮式制冷循環(huán)為主題，同時(shí)具有流量調(diào)節(jié)和工況調(diào)節(jié)能力。將精餾型油分離器安裝在壓縮機(jī)和冷凝器之間，同時(shí)在壓縮機(jī)和油分離器之間安置回油泵和進(jìn)油取樣口，出油取樣口則設(shè)置在冷凝器后。實(shí)驗(yàn)循環(huán)系統(tǒng)如圖5所示。

圖5 實(shí)驗(yàn)循環(huán)系統(tǒng)

3.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備的選取

預(yù)選型號(hào)為BSD122DT-P6AU的定排量壓縮機(jī)，壓縮機(jī)額定功率為570 W，額定制冷量為1 700 W，排熱量為12.2 W，COP為2.98。換熱器選定內(nèi)管套管式換熱器，根據(jù)選定的壓縮機(jī)與設(shè)定的蒸發(fā)溫度、冷凝溫度與過(guò)熱度以及計(jì)算得到的循環(huán)參數(shù)可以對(duì)冷凝器和蒸發(fā)器分別進(jìn)行計(jì)算得到換熱器參數(shù)。實(shí)驗(yàn)選擇HOMK Milli-Mite1300系列針閥，可通過(guò)調(diào)節(jié)閥門開(kāi)度用于調(diào)節(jié)循環(huán)流量。

采用取樣測(cè)量法測(cè)量制冷劑中油含量，以美國(guó)采暖、制冷與空調(diào)工程師學(xué)會(huì)制定的ANSI/ASHRAE Standard 41.4-2015[20]為準(zhǔn)。該測(cè)量法可以測(cè)量較大溫區(qū)內(nèi)的任意制冷劑與潤(rùn)滑油組合的含量，用取樣法可測(cè)得各重量參數(shù)并由式(1)和式(2)計(jì)算得到油濃度和油分離效率：

(1)

(2)

取樣時(shí)，分別對(duì)兩個(gè)取樣瓶進(jìn)行稱重，不銹鋼取樣瓶質(zhì)量為411.3 g，銅取樣瓶質(zhì)量為144.8 g，因此選用Precisa ES520A分析天平，最大量程為520 g，精度為0.000 1 g。

3.2 實(shí)驗(yàn)研究

3.2.1 制冷劑循環(huán)流量的影響

根據(jù)選定的壓縮機(jī)型號(hào)進(jìn)行制冷循環(huán)計(jì)算可得，制冷劑循環(huán)流量為12.53 g/s，需要保持油分離器內(nèi)頂端冷量不變，分別得到油分離器頂端冷量為0、100、200 W情況下進(jìn)、出口油濃度以及油分離效率的數(shù)值，如表1所示。

由表1可知，當(dāng)頂端冷量為0、制冷劑流量為2.04 g/s時(shí)，制冷劑流量較小，因此進(jìn)入制冷循環(huán)的油濃度較低，分離效率為99.861%；逐漸增加制冷劑流量時(shí)，油分離器的進(jìn)口油濃度基本維持在5%；當(dāng)頂端冷量為100 W時(shí)，進(jìn)口油濃度變化較小，而出口油濃度受制冷劑流量的影響比較隨機(jī)，分離效率基本不變，均在約99.50%；當(dāng)頂端冷量為200 W、制冷劑流量為7.63 g/s時(shí)，分離器的進(jìn)口油濃度出現(xiàn)較大波動(dòng)，而其余情況的進(jìn)口油濃度變化波動(dòng)較小，油分離效率較高，均維持在99.630%以上。

表1 不同頂端冷量時(shí)的油分離效率

綜上所述，當(dāng)精餾段的頂端冷量保持不變時(shí)，油分離器的進(jìn)口油濃度有微小變化，主要受制冷劑流量變化的影響。制冷劑流量的變化基本不影響油分離器的分離效率。精餾型油分離器的出口油濃度基本在0.028%以內(nèi)，油分離效率高達(dá)99.967%。

3.2.2 頂端冷量變化的影響

由3.2.1可知，精餾型油分離器的分離效率與頂端冷量的大小有關(guān)，因此需要保持制冷劑流量不變，研究頂端冷量對(duì)油分離效率的具體影響。實(shí)驗(yàn)中的制冷劑流量具有波動(dòng)性，因此選取近似值進(jìn)行研究分析，選取制冷劑流量為7.5 g/s和11.0 g/s的情況，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 不同制冷劑流量下的油分離效率

由表2可知，當(dāng)制冷劑循環(huán)流量分別為7.5 g/s和11.0 g/s時(shí)，隨著頂端冷量的增大，精餾型油分離器的出口油濃度逐漸降低，油分離效率則基本呈上升趨勢(shì)。分析可知，油分離器內(nèi)精餾段的冷凝回流液隨著頂端冷量的增大而增加，進(jìn)一步加強(qiáng)了制冷劑與潤(rùn)滑油混合氣液之間的傳熱傳質(zhì)，因而得到了更多的潤(rùn)滑油液體，減少了氣相中的潤(rùn)滑油組分。

對(duì)比模擬結(jié)果和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，當(dāng)精餾型油分離器頂端冷量不變時(shí)，隨著制冷劑質(zhì)量流量的增大，油分離效率呈上升趨勢(shì)；當(dāng)制冷劑質(zhì)量流量不變時(shí)，隨著頂端冷量的增大，油分離效率也不斷增大。因此，模擬結(jié)果和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證了該精餾型油分離器的可行性，但精餾型油分離器在提高油分離效率的同時(shí)也增加了流動(dòng)阻力及制作成本。

4 結(jié)論

本文在總結(jié)油分離器與精餾裝置特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，研制了一種全新的高效的臥式精餾型油分離器，該精餾型油分離器采用重力沉降式分離、碰撞分離及精餾分離以達(dá)到潤(rùn)滑油被高效分離的目的，得到結(jié)論如下：

1)利用Aspen軟件模擬計(jì)算R134a/PAG的在該油分離器內(nèi)的精餾過(guò)程，研究了制冷劑流量和頂端冷量的影響，由模擬結(jié)果可知：通過(guò)精餾可以將二元混合物中的潤(rùn)滑油分離出來(lái)，且油分離器的分離效率基本不受流量變化影響；保持流量為7.5 g/s時(shí)，當(dāng)頂端冷量達(dá)到一定數(shù)值時(shí)，幾乎可以除盡二元混合物中的潤(rùn)滑油。

2)選定取樣測(cè)量法作為油分測(cè)量的方式，研究了制冷劑流量和頂端冷量對(duì)精餾型油分離器分離效率的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：精餾型油分離器的分離效率對(duì)制冷劑流速的變化不敏感，但會(huì)隨著頂端冷量的增大而提高分離效果。在制冷劑質(zhì)量流量為7.5 g/s、頂端冷量為200 W的條件下精餾型油分離器效率高達(dá)99.967%，比傳統(tǒng)的旋風(fēng)式油分離器效率高9.17%。

3)對(duì)比模擬結(jié)果和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，引入精餾原理可以有效提高油分離器的效率，驗(yàn)證了該精餾型油分離器的實(shí)際可行性和高效性，但提高油分離器的效率的同時(shí)也增加了一定的成本與流動(dòng)阻力。