羅建飛，何 林，黃童毅，陳 紅，孫 濤

（空調(diào)設備及系統(tǒng)運行節(jié)能國家重點實驗室，廣東珠海 519070）

0 引言

螺桿式制冷壓縮機是一種高速回轉(zhuǎn)機械，轉(zhuǎn)子之間、轉(zhuǎn)子和殼體之間依靠間隙密封， 故在運行中要向壓縮機工作腔噴入一定量的冷凍機油，以達到潤滑與密封、提高壓縮機工作效率、降低排氣溫度和噪聲的目的［1-2］。經(jīng)過工作周期后冷凍機油與制冷劑蒸氣一起排出，如果排氣中的冷凍機油沒有被有效分離，這些冷凍機油就會進入蒸發(fā)器和冷凝器影響系統(tǒng)的換熱效率，壓縮機也會因為跑油產(chǎn)生磨損，因此需要在壓縮機排氣端設置油分離器，用于分離從壓縮機排出的潤滑油，并使其重新返回壓縮機中。分油效率的高低以及油分離器選型對于螺桿制冷機組的能效有著極其重要的影響。按照油分離器的型式與結(jié)構(gòu)，油分離器大約可分為過濾式油分離器，離心式油分離器［3］。系統(tǒng)中無論采用何種油分離器，都要以分油效率作為其性能好壞的評價標準，因此，油分離器的分油效率也就成為制冷機組能否高效安全穩(wěn)定運行的一個重要參數(shù)［4］。國內(nèi)外很多研究人員對于油分離器的設計、應用、分油效率做過研究，如SCHLAGER等［5］通過研究確定在制冷系統(tǒng)的蒸發(fā)器內(nèi)，當潤滑油循環(huán)量超過3%時，換熱能力將會惡化，壓力損失將會增大；當蒸發(fā)器內(nèi)的潤滑油循環(huán)量達到5%時，制冷量的衰減將會達到10%以上，增大功耗，將大大降低了系統(tǒng)的制冷能力。淦國慶等［6］對于油分離器在高效性螺桿式冷水機組中的應用進行了闡述，比較了不同分油效率對制冷機組能效比的影響。馮健美等［7］提出不同直徑的油箱顆粒的運動軌跡差別較大，其分離時間和分離效率也截然不同，直徑較大的顆粒較容易分離下來。油滴的入射位置對其運動軌跡及分離時間也有明顯的影響。隨噴油量的增加，油氣混合物中大直徑油滴增多，分油效率將增高。GB/T 5773-2004《容積式制冷壓縮機性能試驗方法》附錄A含油量測試方法中，明確了系統(tǒng)分油效率的計算方法，為分油效率的分析提供了基礎(chǔ)。李進楊［8］明確了目前主流的一級分離的方式主要有：降速式分離、撞擊式分離、離心式分離或以上幾種組合式分離；二級分離的方式主要有：金屬絲濾網(wǎng)分離、玻璃纖維分離、聚酯纖維分離、微孔陶瓷分離等。

目前行業(yè)對于2種不同結(jié)構(gòu)的主流立式油分離器在實際運行過程中，在不同工況條件，不同油位高度時的油分離狀態(tài)沒有進行過對比研究［9-11］。本文針對油分離器的設計和選型參數(shù)進行了理論概述，并對過濾網(wǎng)式和離心旋分式油分離器在上述狀態(tài)下進行了試驗分析，為后續(xù)制冷螺桿機組的設計開發(fā)及油分離器的選型提供參考。

1 油分離器分離原理及設計選型參數(shù)

螺桿制冷機組是否需要設置外置油分離器，主要根據(jù)壓縮機和換熱器型式確定。對于半封閉螺桿壓縮機，壓縮機本身己設置有油分離器，但由于結(jié)構(gòu)尺寸限制，分離效率不是很高。蒸發(fā)器如果是滿液式，進入系統(tǒng)的潤滑油回收比較困難，需在壓縮機與冷凝器之間需增設油分離器對壓縮機排氣中殘余的潤滑油再次加以分離，盡量減少進入系統(tǒng)的潤滑油量。對干式機組來說，進入系統(tǒng)的潤滑油最終會聚集在蒸發(fā)器內(nèi)。當雷諾數(shù)Re＞103時，夾帶液滴最大直徑與流速平方成正比。干式蒸發(fā)器吸氣管口的氣流速度會達到10～15 m/s，理論上可以夾帶20 mm直徑的液滴。在Re=10～103區(qū)間，氣體流速與夾帶液滴的最大直徑呈線性關(guān)系。在R134a蒸發(fā)器工作溫度下，與Re=103對應的氣體流速約為1.1m/s，此時最大液滴直徑約為0.7 mm。所以干式蒸發(fā)器可以靠吸氣將系統(tǒng)中的油帶回壓縮機。

油分離器大致可分為過濾式油分離器、離心式油分離器。按照分離油滴直徑大小，噴油螺桿壓縮機油分離方法概括為兩類：

（1）機械分離法，即依靠油滴自身重力的作用，從氣體中分離直徑較大的油滴，如機械碰撞法和離心法。該方法可有效分離出直徑大于1 μm的油滴。值得注意的是，采用機械碰撞法進行油氣分離時，油氣混合物撞擊障礙物時的速度有一定的范圍，其最佳數(shù)值與被壓縮氣體和潤滑油的密度有關(guān)，一般為1～2 m/s為宜。當速度過低時，混合物中的油滴會像氣體一樣，繞著障礙物流動，而不能聚集在障礙物的表面。當速度過高時，聚集在障礙物表面的油滴又會被高速流動的氣體吹散，并回到氣流中。

（2）親和聚結(jié)法，通過設置特殊材料制成的濾芯元件，如填料法，使得直徑在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。

一般情況下，噴油螺桿壓縮機的噴油量約占容積排量的0.8%～1.0%。為了減少系統(tǒng)中的制冷劑的含油量，油分離器一般為多級分離。如離心式和過濾網(wǎng)結(jié)合、濾網(wǎng)與填料組合等立式雙級分離油分。馮健美等［7］對不同油分氣流入射位置和油滴大小對于分油效率和分油過程進行了數(shù)值模擬，認為入射位置和油滴大小對油滴分離過程和運動軌跡有較大影響。

2 理論模型

根據(jù)油氣混合物特性，1～50 μm范圍的大直徑液相油占比較大，該部分油滴主要是通過重力和碰撞作用進行分離。工程中設計、選用油分離器須根據(jù)制冷機組壓縮機型號、制冷劑種類、機組排氣流量、機組設計氣流速度、冷凍機油的循環(huán)量等參數(shù)進行確定。

（1）油分離器進口氣體流量。

式中 Vd—— 螺桿式壓縮機排氣口體積流量，m3/h；

vj—— 螺桿式壓縮機吸氣口理論體積流量，m3/h；

μ ——螺桿壓縮機容積效率；

vs——螺桿壓縮機吸氣口吸氣比容；

vp——螺桿壓縮機排氣口排氣比容。

（2）分離器設計氣流速度。

式中 vmax—— 分離器允許通過的最大氣流速度，m/s；

k1—— 系數(shù)與液體的黏度、表面能力、霧沫粒度、絲網(wǎng)編織型式等因素有關(guān)；

ρ1——液體密度，kg/m3；

ρg——氣體密度，kg/m3；

vg——分離器設計氣流速度，m/s。

（3）絲網(wǎng)除沫器面積。

式中 D ——絲網(wǎng)除沫器直徑，m；

Q ——氣體處理量，m3/s；

Vg——設計氣流速度，m/s。

（4）冷凍機油循環(huán)量。

式中 V ——冷凍機油的循環(huán)量，L/min；

C ——壓差循環(huán)油量系數(shù)，無量綱數(shù)；

Ph——排氣壓力，MPa；

P1——吸氣壓力，MPa；

ΔP ——油路系統(tǒng)總阻力，MPa。

旋分式油分離器結(jié)構(gòu)如圖1（a）所示，其分離原理為：經(jīng)一級分離（離心分離），油氣混合物沿導流組件旋轉(zhuǎn)，利用離心分離對密度較大的油滴顆粒進行脫除后進入二級分離（濾網(wǎng)分離），通過濾網(wǎng)進行精密分離。分離的油滴，在重力作用下沿筒體內(nèi)壁向下流至油分底部，而后返回壓縮機進行補油。過濾網(wǎng)積油、流動死區(qū)積油及旋流夾帶返混等因素造成了旋分式油分積油問題。

圖1 旋分式、濾網(wǎng)式油分離器結(jié)構(gòu)Fig.1 Structural diagram of rotational oil separator and filter oil separator

旋分式油分離器內(nèi)部結(jié)構(gòu)復雜，零部件較多，懸空裝配要求高，尤其對同軸度的要求。實際制造過程很難保證，具體原因如下：

1）筒體用無縫鋼管，本身的不圓度導致裝配同軸度難以控制，間隙大小不一；

2）導流組件一致性較差，進一步影響同軸度的控制；

3）焊接要求內(nèi)部件中心管伸出上封板5 mm，實際裝配往往大于5 mm，加劇流動死區(qū)積油效應。

圖1（b）示出了濾網(wǎng)式油分離器結(jié)構(gòu)，其分離原理為：濾網(wǎng)式油分一級分離（離心分離），經(jīng)內(nèi)筒與筒體內(nèi)壁之間氣流的高速旋轉(zhuǎn)進行離心分離，二級分離（濾網(wǎng)分離）通過濾網(wǎng)進行精密分離，油滴經(jīng)過內(nèi)筒與筒體內(nèi)壁下流至油分底部回到壓縮機。其取消了導流組件，優(yōu)化內(nèi)筒結(jié)構(gòu)，濾網(wǎng)直接與上蓋板焊接，取消上封板，消除死區(qū)，優(yōu)化流場。濾網(wǎng)式油分離器扇形分布的支腳形導油板增強了內(nèi)構(gòu)件的穩(wěn)定性，又方便了濾網(wǎng)中油滴的下落。

3 試驗系統(tǒng)

在螺桿制冷機組中，因機組結(jié)構(gòu)和空間位置的緊湊性，常采用立式油分離器。立式油分離器主要分旋分式和濾網(wǎng)式，這2種油分離器主要區(qū)別在于導流結(jié)構(gòu)的不同，旋分式油分離器采用的是螺旋導流組件，濾網(wǎng)式油分離器沒有螺旋導流組件。為測量旋分式油分離器和濾網(wǎng)式油分離器不同使用環(huán)境下的分油效率，搭建了用于測試試驗臺。壓縮機的內(nèi)置油分離器已取消，壓縮機排出的油均由測試油分離器進行分離。分離效率可由分離器回收的油量與進入分離器的油量的比值進行評價，通過測量回油量M1與回油量M3，評估分油效率。

為觀察測試油分離器油位，試驗人員在這2種油分離器上均安裝了多個視液鏡及液位計，用于對機組運行過程中的油位進行觀察記錄。螺桿壓縮機選用排氣量為880 m3/h，實驗室油分離器容量為0.9 m3，效率達到99%，因此，可將其視為效率為100%的理想油分離器。系統(tǒng)冷媒為R134A，試驗采用稱重法進行分油效率測試。待機組啟動運行穩(wěn)定后讀取流經(jīng)流量計1的回油量M3，此流量即為系統(tǒng)回油量；同時讀取流經(jīng)流量計3的回油量M1，此流量即為測試油分回油量。具體測試系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 測試系統(tǒng)Fig.2 Diagram of test system

壓縮機排氣總含油量為：

油位穩(wěn)定時：

則油分效率η為：

4 試驗方案

螺桿制冷機組主要靠油分離器出口壓力與吸氣管口壓力差進行壓差回油。根據(jù)測試標準，確定試驗工況為名義工況（蒸發(fā)/冷凝溫度為5 ℃/38 ℃）、最大制冷工況（蒸發(fā)/冷凝溫度為12 ℃/45 ℃）、低壓差工況（蒸發(fā)/冷凝溫度為12 ℃/30 ℃）。其中機組排氣壓力大小依次為最大制冷工況＞名義工況＞低壓差工況。

開機運行穩(wěn)定后開始測量測試油分離器回油量和系統(tǒng)回油量，根據(jù)上述的分油效率計算公式進行測試油分離器分油效率的計算。

針對3種試驗工況下機組的跑油量，設計測試方案如下：

（1）壓縮機滿載運行工況穩(wěn)定后，將測試油分油位穩(wěn)定在3格頂端，記錄時間T1；

（2）關(guān)閉試驗臺回油系統(tǒng)，按工況繼續(xù)運行，油位會緩慢下降，當油位降低至1格底部時，記錄T2；

（3）將試驗臺回油打開，直至油位回到3格頂端，記錄時間T3。

假設試驗臺回油量為P，跑油量為N，則有：

因此，跑油量為：

5 試驗結(jié)果及分析

5.1 工況條件對分油效率的影響研究

通過試驗測得不同工況下2種油分離器的分油效率，具體如圖3所示。由圖可知，旋分式油分離器分油效率在名義工況、最大制冷工況和低壓差工況下分別為87.6%，30.8%，18.0%；濾網(wǎng)式油分離器分別為82.9%、91.8%，82.2%，較旋分式分別改變-5.4%，197.5%，356.7%。旋分式油分離器分油效率受工況條件影響大，在高壓差與低壓差工況下分油效率銳減，而濾網(wǎng)式油分離器分油效率表現(xiàn)穩(wěn)定，更適用于機組變工況的運行條件。

圖3 不同工況下2種油分離器的分油效率Fig.3 Separation efficiency of two types of oil separators under different working conditions

分析不同工況下機組跑油量數(shù)據(jù)，也可佐證以上結(jié)論，具體測試參數(shù)見表1。旋分式油分離器機組跑油量為名義工況＜最大制冷工況＜低壓差工況，濾網(wǎng)式油分離器機組為最大制冷工況＜低壓差工況＜名義工況。單位時間內(nèi)機組跑油量越大，意味著分油效率越差。不同工況條件下，壓縮機排氣壓力、排油量、油分結(jié)構(gòu)等因素共同影響分油效率。壓縮機排氣壓力增大，入口流速降低，離心分離及機械碰撞作用減弱，重力沉降作用增強；排氣壓力降低，入口流速升高，離心分離及機械碰撞作用增強，重力沉降作用減弱。不同的排氣壓力條件，油氣分離的主要作用方式不同，存在著最佳的排氣壓力使得油分分油效率最高［7］。

表1 機組跑油測試匯總Tab.1 Summary of unit oil leakage test

壓縮機排油量增大，氣體單位體積內(nèi)的含油量增大，油氣混合物中油滴以較大直徑存在，易于離心、沉降分離；排油量減小，油氣混合比較均勻，不易分離。

油分離器的離心結(jié)構(gòu)影響著分油效率。旋分式油分離器離心結(jié)構(gòu)為內(nèi)外筒間盤繞的螺旋流道；濾網(wǎng)式離心結(jié)構(gòu)為內(nèi)外筒間通道，通過切向進氣實現(xiàn)離心分離。2種結(jié)構(gòu)相較，前者雖然流速更高更利于離心分離，但摩擦阻力損失更大；且流速過高易導致分離出的附著在流道中的油被高速氣流再次帶起、發(fā)生返混，一次分離效率反而變差。同時，螺旋流道與內(nèi)筒連接處易形成流動死區(qū)，發(fā)生積液或回流等問題，不利于油氣分離。對于后者，油氣混合物在慣性力作用下繞筒旋轉(zhuǎn)，離心分離的油滴被筒壁捕獲后，在重力作用下沉降至油分底部。此結(jié)構(gòu)壓降小、流場分布順暢，沒有流動死區(qū)問題，相對而言，有更好的一次分離效率。

以上因素的綜合影響，使得濾網(wǎng)式油分在變工況條件下表現(xiàn)出更好的分油效率。對于旋分式油分離器，可使用在壓縮機排氣壓力、排油量稍低的場合。

5.2 油位高度對分油效率的影響研究

名義工況下2種油分離器在不同油位高度時的分油效率如圖4所示。由圖可知，油位越高，測試油分的分油效率越低。油位高度在0.5～4格時，油分分油效率緩慢下降；增至4～5格時，分油效率下降速度明顯加快。特別是濾網(wǎng)式油分，在5格油位時分油效率急速降至28%左右。

圖4 2種油分離器在不同油位高度時的分油效率Fig.4 Separation efficiency of two types of oil separators with different oil level heights

經(jīng)一次分離的油氣混合物在進入濾網(wǎng)進行二次分離時需發(fā)生轉(zhuǎn)向。對于旋分式油分離器，油氣混合物過傘型板后轉(zhuǎn)向約90°進入濾網(wǎng)；濾網(wǎng)式油分離器，油氣混合物過內(nèi)筒后轉(zhuǎn)向約180°向上進入濾網(wǎng)。發(fā)生轉(zhuǎn)向時，部分氣流在慣性力作用下沖擊油分底部油面，攜帶油滴后轉(zhuǎn)向流動。油位越高，沖擊氣流可能帶走的油量就越多，而濾網(wǎng)的分油能力一定，必然導致油分總體分油效率的降低。從2種油分離器的結(jié)構(gòu)圖可以看出，相較旋分式油分離器，濾網(wǎng)式油分離器的轉(zhuǎn)向點更靠近底部存油區(qū)，沖擊氣流可能接觸底部油面的概率更高。顯然，濾網(wǎng)式油分受油位高度變化的影響更大。

油分離器需控制一定的油位高度，以實現(xiàn)機組穩(wěn)定可靠運行。名義工況下，油位高度控制在0.5～1格時，2種油分均可實現(xiàn)較好的分油效果。

6 結(jié)論

（1）旋分式油分離器分油效率受工況條件影響大，在高壓差與低壓差工況下分油效率銳減，最低至18.0%，而濾網(wǎng)式油分離器分油效率表現(xiàn)穩(wěn)定。機組在實際使用中應根據(jù)不同工況設計不同的回油參數(shù)，防止出現(xiàn)跑油嚴重的情況。

（2）油分離器內(nèi)部油位高度對分油效率具有影響，油位越高，分油效率越低。因結(jié)構(gòu)原因，濾網(wǎng)式油分離器受油位高度變化的影響更大。因此，油分離器應設置可靠的回油結(jié)構(gòu)，確保進行及時回油，避免內(nèi)部集油導致油位上升，分油效率急劇惡化。名義工況下，油位高度控制在0.5～1格時，2種油分均可實現(xiàn)較好的分油效果。

（3）濾網(wǎng)式油分離器結(jié)構(gòu)簡單，生產(chǎn)裝配工藝要求不高，成本較結(jié)構(gòu)復雜的旋分式油分離器低約30%。同時，結(jié)構(gòu)件間不存在死區(qū)積油隱患，分油效率表現(xiàn)穩(wěn)定，可實現(xiàn)機組長期可靠穩(wěn)定運行。大型的螺桿式冷水機組推薦使用此結(jié)構(gòu)油分離器。