冉 鵬，羅吉榮，司 超

(陜西漢機(jī)精密機(jī)械股份有限公司，陜西 漢中 723000)

1 引言

隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)的持續(xù)增長(zhǎng)，各類(lèi)壓縮機(jī)的需求量不斷增大，同時(shí)也對(duì)壓縮空氣的質(zhì)量進(jìn)一步提高，如何獲得含油量低、潔凈的高品質(zhì)壓縮空氣，是壓縮機(jī)行業(yè)和用戶(hù)十分關(guān)注的一個(gè)課題。

噴油螺桿壓縮機(jī)作為一種壓縮空氣制造設(shè)備，具有高效節(jié)能、綠色環(huán)保、故障率低、噪聲小、操作簡(jiǎn)便等優(yōu)良特點(diǎn)。但是在低壓(排氣壓力<3bar)環(huán)境下，壓縮空氣中混入的潤(rùn)滑油氣體微粒很難被有效的分離出來(lái)，這就造成油氣分離不徹底，壓縮空氣含油量過(guò)高。在一些對(duì)于壓縮空氣含油量有嚴(yán)格要求應(yīng)用領(lǐng)域，噴油螺桿壓縮機(jī)也就被拒之門(mén)外，而且潤(rùn)滑油流失過(guò)快也會(huì)縮短壓縮機(jī)的保養(yǎng)周期，提高壓縮機(jī)的使用成本。

2 油氣分離系統(tǒng)簡(jiǎn)介

按分離機(jī)理的不同，噴油螺桿壓縮機(jī)機(jī)組中采用兩種不同的油氣分離方法：①機(jī)械碰撞法，即依靠油滴自身重力的作用，從氣體中分離較大的油滴。實(shí)測(cè)表明，對(duì)直徑大于1 μm的油滴，都可采用機(jī)械碰撞法被有效地分離出來(lái)。②親和聚結(jié)法，既通過(guò)特殊材料制成的元件，使直徑在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)。

現(xiàn)在常見(jiàn)的油氣分離系統(tǒng)通常都有油氣分離桶，油氣分離濾芯和回油管路組成，并且使用最小壓力閥來(lái)保證油氣分離桶內(nèi)的壓力。一般情況下，需要將壓縮空氣在進(jìn)入油氣分離桶之前的流速控制在15～25 m/s之間，壓縮空氣進(jìn)入油氣分離桶內(nèi)部之后，速度會(huì)進(jìn)一步下降，然后通過(guò)內(nèi)桶與外桶不停地碰撞，將壓縮空氣中較大的油滴分離出來(lái)，這些油滴會(huì)沿著油氣分離桶內(nèi)壁滑落到油氣分離桶底部的潤(rùn)滑油油池中。噴油螺桿壓縮機(jī)排氣溫度通常在80℃以上，所以經(jīng)過(guò)一次油氣分離的壓縮空氣中依然含有很多微小的油粒和油蒸汽，這種狀態(tài)下的潤(rùn)滑油分離難度更大，所以這不僅對(duì)油氣分離濾芯的材質(zhì)有特殊要求，壓縮空氣通過(guò)油氣分離濾芯的速度也必須控制在<0.7 m/s才行，因?yàn)榻?jīng)過(guò)一次油氣分離的壓縮空氣中所含的潤(rùn)滑油顆粒都非常微小，在這種情況下壓縮空氣流速越低，分離效果越好。

3 低壓噴油螺桿壓縮機(jī)排氣含油量過(guò)高的原因分析及解決方案

很多廠家制造低壓噴油螺桿壓縮機(jī)時(shí)發(fā)現(xiàn)，相對(duì)于常壓(排氣壓力8 bar)噴油螺桿壓縮機(jī)，采用相同的油氣分離系統(tǒng)時(shí)低壓(排氣壓力<3 bar)噴油螺桿壓縮機(jī)制備出的壓縮空氣往往含油量遠(yuǎn)大于常壓機(jī)型。為找出排氣壓力對(duì)壓縮空氣含油量的影響，特設(shè)置以下實(shí)驗(yàn)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，找出低壓噴油螺桿壓縮機(jī)壓縮空氣含油量過(guò)高的原因。

普通噴油螺桿壓縮機(jī)大多用于對(duì)壓縮空氣沒(méi)有特殊要求的工礦企業(yè)，對(duì)于壓縮空氣含油量沒(méi)有明確的要求，所以大多數(shù)噴油螺桿壓縮機(jī)廠家都是按照固定時(shí)間內(nèi)的耗油量或者以壓縮空氣總含油量<5 mg/m3為合格標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)最終計(jì)算結(jié)果顯示，這兩種合格標(biāo)準(zhǔn)最終的壓縮空氣含油量相近，所以本文中所有試驗(yàn)都以壓縮空氣總含油量<5 mg/m3合格標(biāo)準(zhǔn)。但是根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求，這種質(zhì)量的壓縮空氣在很多應(yīng)用領(lǐng)域是無(wú)法使用的。所以我們本次實(shí)驗(yàn)不僅要找出低壓噴油螺桿壓縮機(jī)壓縮空氣含油量過(guò)高的原因，而且要找出進(jìn)一步降低壓縮空氣含油量的方法。

3.1 不同排氣壓力下壓縮空氣含油量測(cè)試

本次試驗(yàn)的目的是找出在油氣分離系統(tǒng)配置相同的情況下，排氣壓力對(duì)壓縮空氣含油量的影響。根據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)康模覀冞x取一臺(tái)容積流量為10 m3/min噴油螺桿壓縮機(jī)，并采用常壓(8 bar)配置的油氣分離系統(tǒng)，該系統(tǒng)由油氣分離桶，油氣分離濾芯和回油管路組成。

首先，我們需要根據(jù)油氣分離設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)值，選取合理的油氣分離桶與油細(xì)分離器。本次實(shí)驗(yàn)中選取的油氣分離桶進(jìn)氣口管徑為DN50，進(jìn)氣口截面積為1.96×10-3m3，油氣分離濾芯中濾紙展開(kāi)面積約為0.28 m2。本次試驗(yàn)的測(cè)試儀器采用DUSTTRAK-Ⅱ氣溶膠監(jiān)測(cè)儀，并且在每個(gè)試驗(yàn)狀態(tài)下取5組數(shù)據(jù)求平均值，以保證試驗(yàn)數(shù)據(jù)的可靠性。

第一步，把排氣壓力設(shè)置為8 bar，用儀器檢測(cè)顯示5次測(cè)試的壓縮空氣平均含油量為僅為0.631 mg/m3，見(jiàn)表1，此時(shí)的壓縮空氣含油量達(dá)到大多數(shù)廠家的合格標(biāo)準(zhǔn)。

表1 排氣壓力8 bar時(shí)壓縮空氣含油量

第二步，把排氣壓力設(shè)置為5 bar，此時(shí)用儀器檢測(cè)顯示5次測(cè)試的壓縮空氣平均含油量為1.39 mg/m3，見(jiàn)表2?？梢钥闯觯藭r(shí)的壓縮空氣含油量也滿(mǎn)足大多數(shù)廠家的合格標(biāo)準(zhǔn)，但是相對(duì)于排氣壓力為8 bar時(shí)增加了約1倍。

表2 排氣壓力5 bar時(shí)壓縮空氣含油量

第三步，把排氣壓力設(shè)置為2.5 bar，此時(shí)用儀器檢測(cè)顯示5次測(cè)試的壓縮空氣平均含油量為8.44 mg/m3，見(jiàn)表3。此時(shí)的壓縮空氣含油量已經(jīng)超出了大多數(shù)廠家的合格標(biāo)準(zhǔn)。

表3 排氣壓力2.5 bar時(shí)壓縮空氣含油量

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

通常來(lái)說(shuō)，造成壓縮空氣含油量主要原因有：油氣分離系統(tǒng)中油氣分離元件的損壞，潤(rùn)滑油變質(zhì)等。但是根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)第一步、第二步可以排除以上這些原因，因?yàn)樵诖藢?shí)驗(yàn)中影響壓縮空氣含油量的因素只有排氣壓力，其余配置均相同。那么，我們就必須根據(jù)以上的試驗(yàn)參數(shù)，通過(guò)計(jì)算去找出低壓環(huán)境下壓縮空氣含油量超標(biāo)的原因。

螺桿壓縮機(jī)的內(nèi)壓比εi，是指齒間容積的內(nèi)壓縮終了壓力與吸氣壓力之比。通常壓縮機(jī)主機(jī)在設(shè)計(jì)的時(shí)候內(nèi)壓縮終了壓力會(huì)略小于排氣壓力，但是為方便計(jì)算，我們?cè)谠O(shè)計(jì)試驗(yàn)過(guò)程中讓內(nèi)壓縮終了壓力等于排氣壓力。

(1)

式中pi——內(nèi)壓縮終了壓力

采用SAR雙通道對(duì)消技術(shù)對(duì)兩通道信號(hào)進(jìn)行處理，可得散射波干擾對(duì)消結(jié)果如圖6所示.圖6(a)是采用自動(dòng)相位搜索算法進(jìn)行相位估計(jì)的補(bǔ)償對(duì)消成像，從圖中可以看出虛假散射場(chǎng)景被完全對(duì)消，傳統(tǒng)散射波干擾失效.但由于對(duì)消后真實(shí)目標(biāo)回波信號(hào)受調(diào)制項(xiàng)影響，區(qū)域成像沿方位向產(chǎn)生對(duì)消暗條紋.圖6(b)為對(duì)消結(jié)果的幅度等值線圖，在圖中很難辨別出虛假散射場(chǎng)景的等幅值線，同時(shí)在方位向上靠近干擾機(jī)的真實(shí)目標(biāo)幅度極弱，形成了十分明顯的幅值低谷，進(jìn)一步驗(yàn)證了雙通道對(duì)消效果和真實(shí)目標(biāo)信息損失造成的影響.由式(5)計(jì)算可得暗條紋周期約為725m，因此在圖中只能顯示與干擾機(jī)同方位向的一條暗條紋.以上仿真結(jié)果均與理論分析一致.

ps——壓縮起始?jí)毫?/p>

Vo——壓縮起始時(shí)的內(nèi)容積

Vi——壓縮終了時(shí)的內(nèi)容積

εv——壓縮機(jī)的內(nèi)容積比

k——?dú)怏w的等熵指數(shù)(空氣為1.4)

排氣壓力不同會(huì)造成的容積效率、噴油量、內(nèi)泄漏等因素的變化，但是這些因素對(duì)于計(jì)算結(jié)果影響不大且計(jì)算過(guò)于復(fù)雜，因此在計(jì)算時(shí)不考慮這些因素，同時(shí)在假設(shè)在試驗(yàn)中這3種排氣壓力下壓縮機(jī)的容積效率均為為90%。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)值，壓縮空氣在進(jìn)入油氣分離桶之前的流速要求是15～25 m/s之間，壓縮空氣進(jìn)入油氣分離濾芯的速度應(yīng)<0.7 m/s。

由式(1)計(jì)算得出，當(dāng)排氣壓力為8 bar時(shí)，εv=4.42，則此時(shí)排氣口容積流量為2.03 m3/min，可以得出此時(shí)壓縮空氣進(jìn)入油分桶的流速約為17.2 m/s，通過(guò)油氣分離濾芯時(shí)流速約為0.12 m/s。

當(dāng)排氣壓力為5 bar時(shí)，εv=3.16，則此時(shí)排氣口容積流量為2.84 m3/min，可以得出此時(shí)壓縮空氣進(jìn)入油分桶的流速約為24.1 m/s，通過(guò)油氣分離濾芯時(shí)流速約為0.17 m/s。

通過(guò)對(duì)比以上計(jì)算結(jié)果可以看出，當(dāng)使用相同的油氣分離系統(tǒng)時(shí)，排氣壓力越低，壓縮空氣進(jìn)入油氣分離桶的速度會(huì)增加，壓縮空氣進(jìn)入油氣分離桶的速度越高，最終產(chǎn)出的壓縮空氣含油量也越高，當(dāng)壓力低到一定程度時(shí)，就會(huì)導(dǎo)致壓縮空氣進(jìn)入油氣分離桶的速度超過(guò)其使用要求，最終造成壓縮空氣含油量超標(biāo)。

由此我們可以得出：在同等容積流量下，采用相同的油氣分離系統(tǒng)，排氣壓力越低，壓縮空氣中含油量越高。想要解決這個(gè)問(wèn)題，只需要通過(guò)計(jì)算壓縮空氣進(jìn)入油氣分離桶的速度，選用合適型號(hào)的油氣分離桶就可以有效降低壓縮空氣含油量。

在此次的試驗(yàn)中，壓縮空氣的流速都滿(mǎn)足油氣分離濾芯的使用要求，且壓縮空氣進(jìn)入油分桶的速度也不是固定值，所以在此次實(shí)驗(yàn)中暫時(shí)無(wú)法看出油氣分離濾芯對(duì)壓縮空氣含油量影響有多大。

3.3 低壓噴油螺桿壓縮機(jī)含油量解決方案

針對(duì)以上試驗(yàn)以及結(jié)果分析，我們雖然找出了低壓油螺桿壓縮機(jī)排氣含油量過(guò)高的主要原因，但是無(wú)法判斷壓縮空氣通過(guò)油氣分離濾芯的速度對(duì)壓縮空氣含油量有什么影響，所以我們需要進(jìn)一步試驗(yàn)。在相同容積流量下，選用更大型號(hào)的油氣分離桶和濾紙展開(kāi)面積不同的的油氣分離濾芯進(jìn)行試驗(yàn)，驗(yàn)證前面的觀點(diǎn)是否正確，同時(shí)找出壓縮空氣通過(guò)油氣分離濾芯的速度對(duì)含油量的影響。

這次試驗(yàn)，我們依然使用上面試驗(yàn)中使用的容積流量為10 m3/min噴油螺桿壓縮機(jī)，綜合考慮到空壓機(jī)機(jī)箱尺寸以及經(jīng)濟(jì)效益，我們將油氣分離桶更換為進(jìn)氣口管徑為DN65的油氣分離桶，進(jìn)氣口截面積為1.96×10-3m3，同時(shí)分別選用濾紙展開(kāi)面積約為0.41 m2的油氣分離濾芯和第一次試驗(yàn)使用的展開(kāi)面積約為0.28 m2的濾紙。因?yàn)樵谏厦鎸?shí)驗(yàn)中，排壓為8 bar、5 bar時(shí)，壓縮空氣含油量均達(dá)到了合格標(biāo)準(zhǔn)，為簡(jiǎn)化流程所以以下試驗(yàn)僅針對(duì)排壓2.5 bar進(jìn)行。

在試驗(yàn)之前，先計(jì)算以上配置是否合理，由式(1)計(jì)算得出，當(dāng)排氣壓力為2.5 bar時(shí)，εv=1.92，則此時(shí)排氣口容積流量為5.21 m3/min，可以得出此時(shí)壓縮空氣進(jìn)入油分桶的流速約為23.4 m/s，此流速滿(mǎn)足油氣分離桶的要求，說(shuō)明該配置較為合理，可以進(jìn)行試驗(yàn)。

試驗(yàn)開(kāi)始：把排氣壓力設(shè)置為2.5 bar，首先使用濾紙展開(kāi)面積約為0.28 m2的油氣分離濾芯，通過(guò)計(jì)算可以的得出通過(guò)油氣分離濾芯時(shí)流速約為0.28 m/s，使用儀器檢測(cè)顯示5次測(cè)試的壓縮空氣平均含油量為3.68 mg/m3，見(jiàn)表4。此時(shí)的壓縮空氣含油量滿(mǎn)足大多數(shù)廠家的合格標(biāo)準(zhǔn)。

表4 濾紙展開(kāi)面積約為0.28 m2時(shí)壓縮空氣含油量

把排氣壓力設(shè)置為2.5 bar，首先使用濾紙展開(kāi)面積約為0.41 m2的油氣分離濾芯，通過(guò)計(jì)算可以的得出通過(guò)油氣分離濾芯時(shí)流速約為0.21 m/s，使用儀器檢測(cè)顯示5次測(cè)試的壓縮空氣平均含油量為2.36 mg/m3，見(jiàn)表5。此時(shí)的壓縮空氣含油量相對(duì)使用濾紙展開(kāi)面積約為0.28 m2的油氣分離濾芯時(shí)有明顯的下降。

表5 濾紙展開(kāi)面積約為0.41 m2時(shí)壓縮空氣含油量

本次實(shí)驗(yàn)的結(jié)果不僅驗(yàn)證了第一次試驗(yàn)得出的結(jié)論是正確性，在低壓應(yīng)用的環(huán)境中，只要將壓縮空氣進(jìn)入油氣分離桶的速度控制在合理的范圍內(nèi)，就可以有效降低壓縮空氣的含油量。同時(shí)，通過(guò)試驗(yàn)對(duì)比我們可以看出：在同等條件下，油氣分離濾芯的展開(kāi)面積越小，壓縮空氣通過(guò)油氣分離濾芯的流速越高，則最終得到的壓縮空氣中含油量越高。

4 降低噴油螺桿壓縮機(jī)排氣含油量

在前面的試驗(yàn)中，我們通過(guò)改變油氣分離系統(tǒng)的配置來(lái)解決壓縮空氣含油量過(guò)高的問(wèn)題，可以保證噴油螺桿壓縮機(jī)無(wú)論在高壓還是低壓使用環(huán)境中都能保證滿(mǎn)足出廠標(biāo)準(zhǔn)。但是在一些對(duì)于壓縮空氣含油量有嚴(yán)格要求應(yīng)用領(lǐng)域，噴油螺桿壓縮機(jī)的排氣含油量依然達(dá)不到國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求。為了達(dá)到更好的過(guò)濾效果，獲得含油量更低、更潔凈的高品質(zhì)壓縮空氣。我們將通過(guò)分析，合理改進(jìn)油氣分離系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)，找出降低壓縮空氣含油量的方法。

4.1 油氣分離系統(tǒng)配置

想要進(jìn)一步降低壓縮空氣含油量，首先必須分析壓縮空氣中所含的潤(rùn)滑油的物理狀態(tài)，針對(duì)潤(rùn)滑油的物理狀態(tài)進(jìn)行合理配置，將潤(rùn)滑油分離出來(lái)。常規(guī)噴油螺桿壓縮機(jī)最終排出壓縮空氣中所含的油都是直徑1 μm以下的微小油滴，以及氣態(tài)的油蒸汽，這種狀態(tài)下的潤(rùn)滑油只有使用油氣分離濾芯才能將其從壓縮空氣中分離出來(lái)。所以我們只需要在常規(guī)配置的油氣分離系統(tǒng)內(nèi)部再增加一層油氣分離濾芯和回油管路，這樣可以對(duì)壓縮空氣再進(jìn)行一次過(guò)濾，可以有效降低壓縮空氣的含油量。

新配置的油氣分離系統(tǒng)是一種三層過(guò)濾油氣分離系統(tǒng)，該油氣分離系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。雖然在理論上來(lái)說(shuō)，油氣分離濾芯過(guò)濾層數(shù)越多，則最終過(guò)濾效果越好，但是過(guò)濾層數(shù)越多零件的加工制造難度也會(huì)增加很多，并且更多的油氣分離濾芯在油氣分離桶內(nèi)的空間也無(wú)法排布。多以使用雙層油氣分離濾芯是目前較為合理的一種選擇。

圖1 三層過(guò)濾油氣分離系統(tǒng)示意圖

為了驗(yàn)證以上理論的正確性以及實(shí)際油氣分離效果如何，我們需要進(jìn)行第3次試驗(yàn)，本次試驗(yàn)依然采用容積流量為10 m3/min的噴油螺桿壓縮機(jī)，并且將排氣壓力設(shè)置為2.5 bar，因?yàn)榍懊嬖囼?yàn)已經(jīng)得出：在同等配置下，排氣壓力越低則壓縮空氣含油量越高，所以只需要針對(duì)低壓進(jìn)行試驗(yàn)，就可以看出三層過(guò)濾油氣分離系統(tǒng)的油氣分離能力。

試驗(yàn)開(kāi)始，將排氣壓力設(shè)置為2.5 bar，為保證數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性，本次試驗(yàn)取5組數(shù)據(jù)，見(jiàn)表6。可以看出，使用三層過(guò)濾油氣分離系統(tǒng)之后，5次測(cè)試壓縮空氣平均含油量為0.038 mg/m3，最高含油量為0.058 mg/m3。

表6 三層過(guò)濾后的壓縮空氣含油量

根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T13277-91，本次試驗(yàn)當(dāng)壓縮空氣的含油量小于0.1 mg/m3，已經(jīng)達(dá)到國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中含油量等級(jí)2級(jí)要求，這個(gè)等級(jí)的壓縮空氣除了食品飲料加工，噴漆等極少的行業(yè)之外，其余大部分應(yīng)用環(huán)境下都是可以使用的。

通過(guò)以上試驗(yàn)可以看出，增加一層油氣分離濾芯可以有效降低壓縮空氣含油量。雖然在油氣分離桶內(nèi)部增加油氣分離濾芯會(huì)遇到裝配空間不足、裝配難度過(guò)大等問(wèn)題，但是考慮增加外部過(guò)濾系統(tǒng)這樣也可以進(jìn)一步降低壓縮空氣含油量。本次試驗(yàn)的目的是找出怎么改進(jìn)現(xiàn)有油氣分離系統(tǒng)可以降低壓縮空氣含油量，上面的試驗(yàn)已經(jīng)可以得出結(jié)論，所以就不再進(jìn)行進(jìn)一步降低壓縮空氣含油量的試驗(yàn)。

5 結(jié)論

綜合以上所有試驗(yàn)可以看出：

(1)使用同等配置的油氣分離系統(tǒng)，噴油螺桿壓縮機(jī)排壓越低，則壓縮空氣的含油量越高。

(2)同等容積流量的壓縮機(jī)在配置油氣分離系統(tǒng)時(shí)，隨著排氣壓力的變化，需要根據(jù)計(jì)算選用合理的油氣分離桶。

(3)合理增加油氣分離系統(tǒng)中油氣分離濾芯的層數(shù)可以有效降低壓縮空氣的含油量。