劉 進(jìn),何澤銀,,陶平安,劉紅梅,向 銀,,冉志祥

(1. 重慶建設(shè)汽車系統(tǒng)股份有限公司 汽車熱管理系統(tǒng)研究院, 重慶 400052; 2. 重慶交通大學(xué) 機(jī)電與車輛工程學(xué)院, 重慶 400074)

0 引 言

油氣分離器的分離效率是影響汽車空調(diào)旋葉式壓縮機(jī)性能、可靠性和成本的關(guān)鍵因素。油氣分離效率低,將直接導(dǎo)致油氣循環(huán)率增高,進(jìn)而引發(fā)壓縮機(jī)制冷量和COP下降[1]。目前汽車空調(diào)系統(tǒng)大多采用離心式油氣分離器,該分離器存在著對(duì)大直徑油滴分離效果較好,對(duì)直徑小于5 μm及以下油滴分離效果較差的特征[2]。

在油氣分離器設(shè)計(jì)與流場(chǎng)數(shù)值計(jì)算方面,國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者進(jìn)行了大量研究。針對(duì)五柱形油氣旋風(fēng)分離器,GAO Xiang等[3]采用雷諾應(yīng)力湍流模型(RSM)探究了中心流道參數(shù)對(duì)流場(chǎng)的影響,得出中心通道直徑和高度對(duì)分離室內(nèi)流場(chǎng)影響較小的結(jié)論;馮健美等[4]針對(duì)旋風(fēng)式油氣分離器油滴與壁面碰撞破碎而使分離效率降低的問(wèn)題,得到了分離效率最高的最佳入口速度與參數(shù)的組合數(shù)據(jù);GAO Xiang等[5]對(duì)油滴動(dòng)態(tài)軌跡和分離性能進(jìn)行了數(shù)值模擬,分析了油滴破碎對(duì)油氣旋風(fēng)分離器性能的影響;XU Jiu等[6]通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究了撞擊分離機(jī)理;WANG Zhongyi等[7]采用湍流模型和有限體積法對(duì)油氣分離器內(nèi)部的速度場(chǎng)、壓力場(chǎng)及流線進(jìn)行了分析,揭示了分離器的流動(dòng)機(jī)理;LIU Shuo等[8]采用歐拉多相模型和雷諾應(yīng)力湍流模型相結(jié)合的方式,對(duì)分離器進(jìn)行了數(shù)值模擬及試驗(yàn)研究,揭示了氣-液的分離機(jī)理;劉興旺等[9]借助RNGk-ε方程和DPM模型對(duì)渦旋壓縮機(jī)的油氣分離規(guī)律進(jìn)行研究,總結(jié)了入口方向和進(jìn)口速度對(duì)分離效率的影響規(guī)律,為油氣分離器優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù);趙梅春等[10]設(shè)計(jì)了一套檢測(cè)油分離器分離效率的試驗(yàn)裝置,為油分離器關(guān)鍵性能指標(biāo)提供了檢測(cè)手段;劉興旺等[11]探究了電動(dòng)渦旋壓縮機(jī)內(nèi)部的流動(dòng)、壓降和分離效率隨轉(zhuǎn)速的變化規(guī)律,并對(duì)油氣分離器提出了優(yōu)化設(shè)計(jì)方案;王仁人等[12]對(duì)旋流式分離器進(jìn)行了內(nèi)部流動(dòng)數(shù)值仿真,得到了流動(dòng)阻力最小值時(shí)的排氣口尺寸;薛金鑫等[13]對(duì)不同套筒結(jié)構(gòu)下的油氣分離器進(jìn)行了數(shù)值模擬,合理布置套筒能提升油氣分離效率;LI Yong等[14]研究了旋流式分離器直徑及長(zhǎng)度、閥塞直徑、圓柱長(zhǎng)度、錐角對(duì)油氣分離性能的影響;XIN Dianbo等[15]通過(guò)搭建試驗(yàn)臺(tái),測(cè)量了壓縮機(jī)的排油比和油氣分離器的分離效率。

綜上,國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)油氣分離器進(jìn)行了大量的理論和實(shí)驗(yàn)研究,但對(duì)旋葉式壓縮機(jī)油分離器的研究較少,特別是如何提升離心式油氣分離器分離小直徑油滴的效率問(wèn)題。筆者借助SSTk-ω湍流方程和離散相模型(discrete phase model, DPM)對(duì)旋葉式壓縮機(jī)油氣分離器進(jìn)行了多相流數(shù)值計(jì)算,研究了油滴運(yùn)動(dòng)軌跡與分離效率之間的影響規(guī)律,進(jìn)而提出了新型二級(jí)離心式油氣分離管結(jié)構(gòu),并開(kāi)展了油量標(biāo)定試驗(yàn)驗(yàn)證。

1 工作原理及結(jié)構(gòu)

油氣分離器的作用是為了分離氣-液混合物中的制冷劑與潤(rùn)滑油。目的是使得制冷劑進(jìn)入空調(diào)系統(tǒng)循環(huán)工作,純度較高的潤(rùn)滑油進(jìn)入油道參與潤(rùn)滑,達(dá)到滿足汽車空調(diào)旋葉式壓縮機(jī)制冷與潤(rùn)滑的需求。離心式分離器結(jié)構(gòu)如圖1。

圖1 離心式分離器結(jié)構(gòu)Fig. 1 Structure of centrifugal separator

離心式油氣分離器由雙渦區(qū)腔體、分離管、進(jìn)氣孔等組成。油氣混合物進(jìn)入分離器后,依靠腔體與分離管之間狹小的空間,使得進(jìn)入腔體內(nèi)的油氣混合物沿著分離管做高速螺旋運(yùn)動(dòng),潤(rùn)滑油受離心力作用撞擊腔體內(nèi)壁及分離管壁,附著在壁面上并在重力作用下沿壁下流,經(jīng)出油孔流出;制冷劑則在壓差作用下經(jīng)內(nèi)腔通道排出。

2 流場(chǎng)數(shù)值計(jì)算

2.1 基本假設(shè)和算法

油氣分離器的氣-液多相流進(jìn)行數(shù)值模擬。由于液相的潤(rùn)滑油密度大于制冷劑,且混合氣中的潤(rùn)滑油體積分?jǐn)?shù)小于10%,故假設(shè)制冷劑為連續(xù)相。采用歐拉法對(duì)流場(chǎng)壓力與速度分布進(jìn)行計(jì)算;再將分布于制冷劑中的潤(rùn)滑油滴作為離散相,用拉格朗日法跟蹤油滴的運(yùn)動(dòng)軌跡,從而得到分離效率;最后不考慮油滴對(duì)流場(chǎng)影響,假設(shè)油滴與壁面接觸即被吸附,不產(chǎn)生反彈、破碎、合并與蒸發(fā)等現(xiàn)象。

離散相模型中軟化油滴的計(jì)算如下:

1)油滴受力

(1)

式中:mp為油滴質(zhì)量;up為油滴速度;t為時(shí)間;FC為離心力;FD為曳引阻力;FG為重力。

2)離心力

(2)

式中:ρP為油滴密度;dp為油滴直徑;ut為油滴切向分速度;r為回轉(zhuǎn)半徑。

3)曳引阻力

(3)

式中:CD為阻力系數(shù);Rep為油滴雷諾數(shù);τp為油滴弛豫時(shí)間;u為壓縮機(jī)空氣流速。

4)重力

(4)

5)油滴弛豫時(shí)間

(5)

式中:μ為流體黏性系數(shù)。

6)油滴雷諾數(shù)

(6)

2.2 流體動(dòng)力學(xué)建模

2.2.1 網(wǎng)格模型與求解模型

由于油氣分離器的分離過(guò)程發(fā)生在腔體內(nèi)部,因此不考慮出油孔影響。網(wǎng)格劃分采用對(duì)復(fù)雜幾何效果較好的多面體網(wǎng)格,設(shè)置邊界層的第一層網(wǎng)格Y<5,分別得到不同規(guī)模網(wǎng)格為:143萬(wàn)、186萬(wàn)、211萬(wàn)、232萬(wàn)、255萬(wàn)。其中:143萬(wàn)、186萬(wàn)的網(wǎng)格計(jì)算結(jié)果存在一定變化,211萬(wàn)以后的網(wǎng)格計(jì)算結(jié)果較穩(wěn)定,故采用211萬(wàn)的網(wǎng)格進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)模型。

基于Discrete Random Walk Model離散隨機(jī)軌道模型,考慮顆粒湍流擴(kuò)散影響,采用精度較好的SSTk-ω(雙方程)剪切應(yīng)力輸運(yùn)模型對(duì)近壁面與各種壓力梯度進(jìn)行精確模擬。

2.2.2 邊界條件與相關(guān)參數(shù)

連續(xù)相邊界定義為:進(jìn)口速度邊界與壓力出口邊界;根據(jù)壓縮機(jī)體積流量,連續(xù)相邊界條件指定進(jìn)口速度v=5、 20 m/s,壓力出口則指定為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓,實(shí)際為壓縮機(jī)排氣壓力。

設(shè)計(jì)前期采用排氣壓力進(jìn)行數(shù)值模擬,發(fā)現(xiàn)油氣分離器分離整體趨勢(shì)相近,為節(jié)省計(jì)算中的收斂時(shí)間,進(jìn)行簡(jiǎn)化處理。離散相邊界定義為:進(jìn)出口為逃逸,壁面為捕獲。根據(jù)油氣分離器分離特性,分離器以產(chǎn)生較大的離心力作為分離方式,當(dāng)油滴直徑過(guò)小時(shí),油滴的流動(dòng)性較好,易被高速氣流帶走,故不易被分離器分離。故為了更好地驗(yàn)證分離效果,油滴直徑分布取dp=(0.5～5)μm。

2.3 結(jié)果分析與討論

含有一級(jí)分離管的離心式分離器內(nèi)流道流場(chǎng)速度云圖如圖2。由圖2可知:混合氣隨著分離管與內(nèi)腔壁的空間向下高速旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)油氣分離;根據(jù)伯努利原理,分離器上部空間變大,流速變緩,與接觸底部反向向上移動(dòng)的混合氣在旋轉(zhuǎn)范圍較小的漩渦向上移動(dòng),形成雙渦狀態(tài)。

圖2 離心式分離器速度云圖Fig. 2 Velocity nephogram of centrifugal separator

基于流場(chǎng)分析數(shù)據(jù),可得到油氣分離器的分離效率,如式(7):

η=Qp/Qg×100%

(7)

式中:η為油滴直徑的分離效率,%;Qp為油滴直徑的捕獲數(shù),個(gè);Qg為油滴直徑的跟蹤個(gè)數(shù),個(gè),文中Qg=611。

表1給出了進(jìn)口速度v=5、20 m/s下各粒徑的分離效率。

表1 不同進(jìn)口速度下各粒徑的分離效率Table 1 Separation efficiency of different particle sizes at different inlet speeds

由表1可知:混合氣速度對(duì)油氣分離器的分離效率有較大影響,進(jìn)口速度增大,分離效率顯著增加。油滴直徑越大,捕獲的油滴越多,這主要是由于油滴直徑越大,旋轉(zhuǎn)速度越快,離心力越大,油滴與壁面碰撞力越大,被壁面吸附捕獲的幾率大幅增加;油分離器對(duì)直徑較小的油滴分離效果不佳,這主要是由于小直徑油滴跟隨性較好,容易被氣流帶走。

不同直徑油滴的捕獲軌跡如圖3。由圖3可知:油滴進(jìn)入內(nèi)腔后,由于壓力梯度變化,油滴撞擊壁面而被壁面大面積捕獲,油滴與壁面碰撞是影響油氣分離效率的重要因素。

圖3 不同直徑油滴捕獲軌跡Fig. 3 Capture trajectories of oil droplets with different diameters

3 油氣分離器結(jié)構(gòu)改進(jìn)

針對(duì)旋葉式壓縮機(jī)離心式油分離器對(duì)小直徑油滴分離效率較低的問(wèn)題,筆者提出了一種新型二級(jí)油氣分離管結(jié)構(gòu)(以下簡(jiǎn)稱“新結(jié)構(gòu)”),通過(guò)增加油滴與管壁的碰撞幾率,達(dá)到提高分離效率的目的。

新結(jié)構(gòu)主要是在中心主排氣通道中增設(shè)一級(jí)分離管,使混合氣在通過(guò)主排氣孔時(shí)增加油滴與壁面的碰撞幾率。分離器結(jié)構(gòu)的改進(jìn)如圖4,在實(shí)際工作中可在新結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上添加濾網(wǎng)使用。

圖4 二級(jí)分離器結(jié)構(gòu)Fig. 4 Structure of secondary separator

為對(duì)比不同分離器對(duì)分離效率影響,給出了不同分離結(jié)構(gòu)下分離器內(nèi)流道速度云圖,如圖5。由圖5可知:雙渦區(qū)的混合氣保持旋轉(zhuǎn)狀態(tài)進(jìn)入一、二級(jí)分離管之間,該區(qū)域由大空間變?yōu)樾】臻g,壓力梯度發(fā)生變化,速度得到一定提升,混合氣在一、二級(jí)分離管之間高速旋轉(zhuǎn)并進(jìn)行二次分離,從而提高了分離效率。增設(shè)了過(guò)濾網(wǎng)的多級(jí)分離器較二級(jí)分離器在主排氣孔之間增加了油滴與濾網(wǎng)的碰撞,分離效果更佳。

圖5 不同分離器速度云圖Fig. 5 Velocity nephogram of different separators

新結(jié)構(gòu)分離不同直徑油滴時(shí)油滴的捕獲軌跡如圖6。由圖6可知:新結(jié)構(gòu)對(duì)各直徑油滴分離效果較一級(jí)分離有顯著提升,特別對(duì)小粒徑油滴的分離效果更佳;在二級(jí)分離管作用下,使得混合氣流動(dòng)速度更快更均勻,增加了排氣效率。

圖6 改進(jìn)后分離器的油滴分離運(yùn)動(dòng)軌跡Fig. 6 Oil droplet separation movement trajectory of the improved separator

圖7給出了不同粒徑在這兩種油氣分離管中的分離效率曲線。由圖7可知:與改進(jìn)前相比,新結(jié)構(gòu)可有效地提升分離小直徑油滴效率;當(dāng)油滴為0.5 μm時(shí),分離效率從原來(lái)的54.7%提升到73.8%,提高了19.1%。

圖7 不同改進(jìn)方案下分離效率對(duì)比結(jié)果Fig. 7 Comparison results of separation efficiency under different improvement schemes

4 油氣分離器油量標(biāo)定試驗(yàn)

油氣分離效率試驗(yàn)裝置主要由特制的油氣分離觀察用玻璃外殼、壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)電機(jī)、空調(diào)系統(tǒng)(管路、冷凝器、蒸發(fā)器、膨脹閥等)、實(shí)車系統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái)控制臺(tái)和數(shù)據(jù)分析軟件等組成,通過(guò)上述裝置集成為一個(gè)完整的汽車空調(diào)系統(tǒng)模擬運(yùn)行通路。試驗(yàn)方法為:在一定運(yùn)轉(zhuǎn)速度下通過(guò)測(cè)定不同加油量時(shí)壓縮機(jī)的出油量和油循環(huán)率(OCR),得到一定規(guī)律變化趨勢(shì),以此間反映油氣分離器的分離效率變化。

壓縮機(jī)油氣分離器油量標(biāo)定試驗(yàn)步驟如下:

1)以加潤(rùn)滑油量為變量,控制壓縮機(jī)在怠速下穩(wěn)定運(yùn)行,同時(shí)保證壓縮機(jī)排氣壓力、排氣溫度不超過(guò)某臨界值;

2)待轉(zhuǎn)速、排氣壓力與排氣溫度在規(guī)定要求內(nèi)波動(dòng)(穩(wěn)定狀態(tài))時(shí),通過(guò)玻璃外殼觀察腔內(nèi)確認(rèn)油氣分離效果(出油量高度);

3)完成上述過(guò)程后,再往壓縮機(jī)內(nèi)添加定量的潤(rùn)滑油并以此循環(huán),直至滿足排氣溫度隨加油量逐步增多后呈一定規(guī)律變化的趨勢(shì),OCR值則在確認(rèn)的加油量位置進(jìn)行檢測(cè)。

壓縮機(jī)油氣分離器試驗(yàn)臺(tái)與標(biāo)定裝置如圖8。

圖8 壓縮機(jī)油氣分離器試驗(yàn)臺(tái)與標(biāo)定Fig. 8 Test bench and calibration of compressor oil-gas separator

圖9為800 r/min時(shí),油氣分離器在改進(jìn)前、后不同加油量下出油量的對(duì)比。由圖9可知:新結(jié)構(gòu)在同等加油量和溫度下,出油量較改進(jìn)前有一定提升;當(dāng)加油量為120 mL時(shí),出油量較改進(jìn)前提高了50%,間接驗(yàn)證了新結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性。

圖9 油氣分離器改進(jìn)前后出油量對(duì)比Fig. 9 Comparison of oil output before and after improvement of oil-gas separator

當(dāng)加油量為120 mL時(shí),油氣分離器的油循環(huán)率在改進(jìn)前為0.75,改進(jìn)后為0.50。這說(shuō)明改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)分離效率較改進(jìn)前有較大提升。

5 結(jié) 論

1)提出了一種新型二級(jí)油氣分離管結(jié)構(gòu),有效地解決了旋葉式壓縮機(jī)離心式油分離器對(duì)小直徑油滴分離效率較低的問(wèn)題,目前改進(jìn)后的油氣分離器已量產(chǎn)裝配至汽車空調(diào)系統(tǒng)中;

2)建立了油氣分離器多相流數(shù)值模型,分析了流場(chǎng)速度分布與油滴運(yùn)動(dòng)軌跡,研究了離心式油氣分離器分離效率影響規(guī)律;

3)搭建了離心式油氣分離器油滴標(biāo)定試驗(yàn)臺(tái),開(kāi)展了離心式油氣分離器油滴分離試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果有效地驗(yàn)證了新結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性。