CN108252915A - 一种离心式油气分离器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种离心式油气分离器，在传统的离心分离器上增加了多层离心分离套筒，以使离心式分离器能在工况大范围变化的情况下，保持较高的分离效率，提高离心式分离器在变频压缩机上应用时的分离性能。同时，在分离器滤芯的入口处增加了消旋器，以对即将进入滤芯进行精分离的油气混合物进行消旋整流，回收部分动能转化为压力能，从而减小油气分离器总的压力损失；同时使得进入滤芯的气流分布更加均匀，有利于提高滤芯的分离效率和使用寿命。

Description

一种离心式油气分离器

技术领域

本发明涉及一种油气分离设备，具体涉及一种应用于喷油压缩机中的旋风式油气分离器。

背景技术

空气压缩机可用于产生压缩空气和实现远距离输运气体，近年来其使用日益广泛。目前普通工业使用最广泛的是喷油螺杆压缩机。双螺杆空气压缩机的工作原理是依靠阴转子和阳转子两个转子构成的一对转子***啮合形成的腔体来压缩空气。在工作时需要不断向阴阳转子上喷淋压缩机油，降低了压缩气体外泄，达到了密封腔体的效果。同时，喷入主机的油滴还带走了主机中的热量，降低了转子的温度，油滴与压缩的气体混合，冷却压缩空气，降低排气温度。附着在主机机体与转子上的油滴，润滑了主机内的转子，减少磨擦，同时减少了主机的噪声。

旋风分离器是喷油式空气压缩机的重要部件之一。其作用就是处理含有少量液雾的气体，净化气相，保证气体的纯度，同时实现压缩机油的二次回收利用。为了降低机组排气中的含油量和循环使用机组中的润滑油，必须利用油气分离器把润滑油有效地从被压缩气体中分离出来。

目前普遍采用的旋风式油气分离器入口与分离器筒体相切，油气混合物进入分离器后转变为离心运动，较大的油滴受离心力作用向壁面附着，油滴经凝聚后在重力作用下沿壁面向下流动。旋风式油气分离器在使用过程中存在很多问题：适用工况范围窄，在应用越来越广的变频压缩机上分离效果不理想；分离效率低会增加进入滤芯的油气混合物的油滴浓度，缩短滤芯的使用寿命，增加***运行成本；提高现有旋风分离器的分离效率，通常都会导致其阻力损失增大，同时也增加了能耗。

发明内容

本发明的目的在于克服现有旋风式油气分离器的不足，提供一种节能型的离心式油气分离器，以改善旋风分离器在变频压缩机中使用时的分离性能，即提高油气分离效率的同时降低分离器的阻力损失，减少压缩机功耗。

为了实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：

包括筒体以及设置于筒体上的油气混合气体入口、排油口和洁净气体出口，所述筒体的内部设置有单个分流筒或多个相互嵌套布置的分流筒，以及位于所述分流筒下端且与分流筒数量相同的分离套筒，每个分流筒与对应一个分离套筒(若为多个分流筒和分离套筒，则按照由外向内的顺序，一一对应相连)的上端相连，分离套筒的下端位于排油口上方，分离套筒或最内层分离套筒内部设置有内筒，内筒与分流筒(及与之相连的分离套筒)或与最内层分流筒(及与之相连的分离套筒)之间的环状区域形成一个离心分离区域，筒体与分流筒(及与之相连的分离套筒)或与最外层分流筒(及与之相连的分离套筒)之间的环状区域形成另一个离心分离区域，内外任意两相邻分流筒(及与之对应相连的分离套筒)之间的环状区域形成对应的第M个离心分离区域，M≥3，每个分流筒上设置有用于将经所述入口进入筒体内的油气混合气体引流入各离心分离区域的缺口；所述内筒的内部设置有滤芯，内筒与滤芯之间的环形间隔区域的底部设置有消旋器，滤芯的顶部与洁净气体出口相对。

所述缺口是通过将分流筒侧壁面局部沿径向向外摆动一定角度而形成的。

所述缺口与油气混合气体入口在水平方向存在间距，并且缺口的位置沿由外向内排布的多个分流筒的顺序与所述入口的间距逐渐增大(例如，通过增大摆动角度)。

所述消旋器采用叶片倒置的起旋器。

所述消旋器的叶片入口角度与内筒外的气流的方向相切，叶片出口角度为内筒轴向方向。

所述筒体、各离心分离区域、内筒及滤芯同轴设置。

所述排油口与位于筒体底部的集液区相连通，消旋器、分离套筒位于集液区上方。

本发明的有益效果体现在：

本发明在传统的离心式分离器上增加了多层分流筒和分离套筒，通过形成多层离心分离区域，以使离心式分离器能在工况大范围变化的情况下，保持较高的分离效率，提高离心式分离器在变频压缩机上应用时的分离性能。同时，在分离器滤芯的入口处增加了消旋器，以对即将进入滤芯进行精分离的油气混合物进行消旋整流，回收部分动能转化为压力能，从而减小油气分离器总的压力损失；同时使得进入滤芯的气流分布更加均匀，有利于提高滤芯的分离效率和使用寿命。最终实现了提高油气分离效率的同时降低分离器的阻力损失，减少能耗。

附图说明

图1为传统压缩机排气用离心式油气分离器的轴侧图；

图2为本发明所述离心式油气分离器的轴侧图；

图3为本发明所述离心式油气分离器的分离区域示意图；

图4为第一入口分流筒和第一分离套筒的轴侧图；

图5为第二入口分流筒和第二分离套筒的轴侧图；

图6为本发明所述消旋器的轴侧图；

图7传统离心式分离器中液滴从内筒壁面沿径向运动至筒体表面时的运动轨迹示意图；

图8为本发明所述离心式油气分离器中液滴沿径向运动轨迹示意图；

图9为本发明所述离心式油气分离器与传统分离器的模拟计算结果对比图；

图中：1.集液区、2.筒体、3.第二分离套筒、4.滤芯、5.第二入口分流筒、6.出口、7.入口、8.第一入口分流筒、9.内筒、10.第一分离套筒、11.消旋器、12.排油口、13.离心分离区域、14.离心分离区域、15.离心分离区域、16.叶片出口、17.叶片入口、R为筒体半径、r为内筒半径。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。

如图1所示，现有的喷油压缩机用旋风式油气分离器通常采用离心式分离器(即离心式油气分离器)，气流通过切向的入口7进入分离器从而会产生离心运动，达到粗分离的目的，之后混合气流再进入滤芯4进行精分离。其在变频压缩机上应用时分离效果较差，并且旋转的气流进入滤芯4也会增加***的阻力损失。粗分离阶段分离效率低，导致进入滤芯4的油气混合物浓度较大，同时会缩短滤芯4的使用寿命，增加***运行成本。为此，本发明提出了一种节能型离心式油气分离器。

参见图2，本发明所述节能型离心式油气分离器包括圆柱形的筒体2，筒体2外表面上端有切向进气的入口7，油气混合物从入口7进入分离器，通过多级入口分流筒进行分流，进入各离心分离区域。各级入口分流筒下端紧密连接有对应级的分离套筒。各级入口分流筒和分离套筒分别呈内外嵌套布置形式，内部中心同轴布置了用于精分离的滤芯4和位于滤芯外侧的内筒9，所述内筒9和滤芯4形成的环形空间底部设置消旋器11。所述筒体2底部为集液区1，筒体2顶部中心设置洁净气体出口6。所述筒体2上具有与集液区1连通的排油口12，用于将分离出的润滑油导出分离器，通过分离器内与喷油位置压力差使油可以循环使用并重新进入压缩机进行润滑。

以下对上述节能型离心式油气分离器的油气分离过程进行具体描述(以两级入口分流筒和分离套筒为例)。

参见图2，油气混合物的来流方向和大小均匀，当其从与筒体2相切的混合气体入口7进入分离器，流动方向转变为以筒体2的中心轴为中心的离心运动。

粗分离：参见图3、图4、图5，沿筒体2切向进入分离器的油气混合物，在第一入口分流筒8和第二入口分流筒5侧壁面局部通过沿径向向外摆动一定角度而形成的缺口处进行分流，混合气流同时进入三个离心分离区域13、14、15。混合气流由一股高速运动的气流分流为三股离心运动的气流，分别在三个离心分离区域13、14、15做离心运动，进行油气分离。由于入口7不断有油气混合物进入分离器内，原有的已经分流的气流沿筒体2中心轴线向下做离心运动，同时将油气混合物中的油滴甩至壁面达到油气分离的目的。其中，最外侧的离心分离区域15的油气混合物分离出的油滴聚集在筒体2内表面，沿筒体2的内壁面向下流动至底部的集液区1；中间的离心分离区域14和最内侧的离心分离区域13的油气混合物分离出的油滴分别聚集在第二分离套筒3和第一分离套筒10的内表面，沿第二分离套筒3和第一分离套筒10的内壁面向下流动，并进入筒体2底部的集液区1。聚集在分离器筒体2底部集液区1的润滑油，通过排油口12排出分离器。

参见图2，经过第一步粗分离后的混合气流为向下的做离心运动的气流，当其继续向下运动，接触到筒体2底部之后，便会转变运动方向，即转变为向上的旋转运动。参见图6，消旋器11的叶片出口16为90°，叶片入口17角度与气流旋转方向相切。当气流向上运动至消旋器11时，其运动方向由沿筒体2中心轴线向上做旋转运动转变为沿筒体2中心轴线向上的运动，不再进行周向的离心运动。

混合气流转变运动方向后沿滤芯4与内筒9间形成的环形空间向上运动并进入滤芯4，在滤芯4中进行第二步精分离。分离出的油滴颗粒附着在滤芯4内部，而洁净气体从滤芯4中央沿出口6排出分离器。由于本发明中分离器的压力损失主要集中在滤芯4部分，压力损失和气流速度的平方成正比，减小气流在滤芯4中的压力损失并提高精分离分离效率的途径主要就是减小气流流经滤芯4时的速度。当混合气流流经消旋器11，高速的离心运动转变为低速轴向运动，不仅可以提高混合气流在滤芯4中进行精分离的分离效率，还可以使气流的动能转化为压力能，从而达到能量回收，减小分离器能耗的目的。

以下对于传统压缩机用离心式分离器和本发明的节能型离心式分离器的油气分离性能进行对比，以验证本发明节能型离心式分离器对于现有压缩机用分离器应用现状的改善。首先理论分析多级分离套筒有助于提高离心式分离器的分离效率；其次，对比带消旋器的离心式分离器和现有分离器的分离性能，进行了数值模拟计算，以说明消旋器的有效作用。

(1)多级分离套筒提高离心式分离器分离效率的理论分析

在离心式分离器中加多级套筒可以提高分离器在气体流量大范围变化时的分离效率。对比图7和图8两图可知，传统离心式分离器中液滴分离的径向距离为R-r；带有多层分离套筒的分离器中，液滴分离的径向距离为S表示分离套筒个数，例如取2。液滴沉降过程中关键的量是液滴的沉降速度v，分析液滴在分离器中的受力，可以得到液滴的沉降速度计算公式：

其中：

w—液滴的角速度

r_L—液滴做离心运动的半径

v—液滴沉降速度

d—液滴直径

ρ_L—液滴密度

ρ_g—气体密度

μ—气体粘度

从式中可以看出，液滴的沉降速度只与液滴的直径、气体密度、液滴密度和进入分离器时气流的速度(角速度)有关，加装多层分离套筒并不会影响液滴的沉降速度。当离心式分离器筒内的气流速度增大时，由于液滴颗粒受到的离心力会更大，沉降速度也会增加，所以其分离效率会保持不变或适当增加。而当筒内气体流量减小时，气流速度减小，同时液滴受到的离心力也会减小，导致沉降速度减小。参见图7，液滴颗粒沿径向运动的路程为R-r，当气体流量减小时，液滴其沿径向运动的速度也减小，液滴运动至筒体内表面被分离出的沉降时间更长，分离效率也就随之降低。参见图8，若在分离器筒内增加两层套筒，会将液滴沿径向运动的路程减小即使由于气体流量减小导致液滴沉降速度减小，但液滴仍能在较短时间内运动至筒体(及套筒)内表面而被分离。因此，具有多层套筒的离心式分离器能在工况大范围变化的情况下，保持较高的分离效率。

另外，参见图3，所述缺口位置按由外向内排布的2个分流筒的顺序与油气混合气体入口的水平(通常缺口与入口位于同一水平面)距离逐渐增大，即保证形成气流离心运动，又尽快完成分流即可，从而进一步提高了分离效率。

(2)对比带消旋器的离心式分离器和现有分离器的分离性能

消旋器的原理分析：参见图6，筒体内设置消旋器实质上形成了倒置了入口起旋叶片的轴流旋风分离器，消旋器的叶片入口角度与分离器内的气流速度方向相切，叶片出口角度为竖直方向。目的是对即将进入滤芯进行精分离的油气混合物进行消旋，减少了混合物的运动路程，从而减小气流的压力损失。

为验证消旋器的作用，建立了传统的离心式分离器的数值模拟计算模型，又在分离器模型上增加了消旋器，分别进行数值模拟计算，对计算结果进行对比。结果表明：

消旋器会对旋转的气流进行整流，气流在经过消旋器之后，其切向速度减小，一部分动能会转化为压力能。对比两分离器的速度分布，如图9所示。分离器内筒的直径是分离器筒体直径的3/4，当在传统分离器中加入消旋器时，内筒的气流速度大幅减小，可减小约33％。减小的动能转化为压力能，从而实现压力能的能量回收，达到节能的目的。按照质量加权平均方法计算分离器的进、出口静压损失，当运行压力为0.8MPa时，在同一工况下，本发明中的离心式分离器比传统分离器的静压损失减小了45.44％，可以有效回收气流的动能。

Claims (7)

1.一种离心式油气分离器，其特征在于：包括筒体(2)以及设置于筒体(2)上的油气混合气体入口(7)、排油口(12)和洁净气体出口(6)，所述筒体(2)的内部设置有单个分流筒或多个相互嵌套布置的分流筒，以及位于所述分流筒下端且与分流筒数量相同的分离套筒，每个分流筒与对应一个分离套筒的上端相连，分离套筒的下端位于排油口(12)上方，分离套筒或最内层分离套筒内部设置有内筒(9)，内筒(9)与分流筒或与最内层分流筒之间的环状区域形成一个离心分离区域，筒体(2)与分流筒或与最外层分流筒之间的环状区域形成另一个离心分离区域，内外任意两相邻分流筒之间的环状区域形成对应的第M个离心分离区域，M≥3，每个分流筒上设置有用于将经所述入口(7)进入筒体(2)内的油气混合气体引流入各离心分离区域的缺口；所述内筒(9)的内部设置有滤芯(4)，内筒(9)与滤芯(4)之间的环形间隔区域的底部设置有消旋器(11)，滤芯(4)的顶部与洁净气体出口(6)相对。

2.根据权利要求1所述一种离心式油气分离器，其特征在于：所述缺口是通过将分流筒侧壁面局部沿径向向外摆动一定角度而形成的。

3.根据权利要求1或2所述一种离心式油气分离器，其特征在于：所述缺口与油气混合气体入口(7)在水平方向存在间距，并且缺口的位置沿由外向内排布的多个分流筒的顺序与所述入口(7)的间距逐渐增大。

4.根据权利要求1所述一种离心式油气分离器，其特征在于：所述消旋器(11)采用叶片倒置的起旋器。

5.根据权利要求4所述一种离心式油气分离器，其特征在于：所述消旋器(11)的叶片入口(17)角度与内筒(9)外的气流的方向相切，叶片出口(16)角度为内筒(9)轴向方向。

6.根据权利要求1所述一种离心式油气分离器，其特征在于：所述筒体(2)、各离心分离区域、内筒(9)及滤芯(4)同轴设置。

7.根据权利要求1所述一种离心式油气分离器，其特征在于：所述排油口(12)与位于筒体(2)底部的集液区(1)相连通。