新型自動(dòng)油氣分離器中潤(rùn)滑流動(dòng)性探究剖析

　　在多聯(lián)機(jī)系統(tǒng)(system)中，由于壓縮(compression)機(jī)的“奔油”和油分離(Separation)器效率(efficiency)（一般實(shí)際應(yīng)用的油分離器效率在 50%80%）的影響，在制冷系統(tǒng)中必然存在潤(rùn)滑油，而且在系統(tǒng)不同部件和管路中的殘留量是不一樣的文獻(xiàn)研究表明，當(dāng) R410A/POE 系統(tǒng)壓縮機(jī)奔油率從 1%增加到5%，吸氣管中殘留的潤(rùn)滑油從 4 %增加到 16%.文獻(xiàn)研究了當(dāng) R410A 系統(tǒng)壓縮機(jī)啟動(dòng)(start up)后 600 s 時(shí)壓縮機(jī)中含油量為 68.8%，此時(shí)有近 31%的潤(rùn)滑油殘留在系統(tǒng)中。由此可見(jiàn)，在制冷系統(tǒng)啟動(dòng)初期或運(yùn)行過(guò)程中，必定有大量的油在管路系統(tǒng)中，但所有相關(guān)論文很少能針對(duì)多聯(lián)機(jī)特性提出創(chuàng)新的措施或控制方法(method)來(lái)減少系統(tǒng)中的殘余潤(rùn)滑油量，或者促使殘余潤(rùn)滑油能順利地返回壓縮機(jī)中。文中提出一種新型的油氣分離器，這種油氣分離器不僅具有分離壓縮機(jī)排氣中的潤(rùn)滑油的作用，還能實(shí)現(xiàn)油平衡的作用，將油氣分離器中多余的潤(rùn)滑油排到制冷系統(tǒng)中，進(jìn)行二次分配。

　　目前，壓縮機(jī)中使用(use)的潤(rùn)滑油物性參數(shù)的實(shí)驗(yàn)（experiment)數(shù)據(jù)很缺乏，供應(yīng)商或生產(chǎn)商只提供有限溫度點(diǎn)和壓力條件的數(shù)據(jù)。但在制冷系統(tǒng)中，潤(rùn)滑油在系統(tǒng)中流動(dòng)，而且制冷系統(tǒng)運(yùn)行的工況變化很大，甚至很惡劣(nasty)。如果仍然采用有限點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析研究，必然導(dǎo)致較大誤差。文中借鑒文獻(xiàn)中的潤(rùn)滑油物性預(yù)測(cè)模型來(lái)研究壓縮機(jī)中潤(rùn)滑油的物性變化規(guī)律，分析研究新型自動(dòng)(automatic)油平衡油氣分離器中潤(rùn)滑油特性和壓縮機(jī)回油特性。
　　1 潤(rùn)滑油物性預(yù)測(cè)模型
　　潤(rùn)滑油供應(yīng)商能提供的物性參數(shù)是比重、38℃和99℃時(shí)的粘度值，文獻(xiàn)中由此三個(gè)參數(shù)計(jì)算的潤(rùn)滑油分子量為：任意溫度條件下的粘度為：其中，在大氣壓和任意溫度時(shí)液態(tài)潤(rùn)滑油的密度為：在任意溫度和壓力條件下的密度為：根據(jù)以上模型模擬潤(rùn)滑油粘度和密度隨壓力和溫度的變化情況。其中，潤(rùn)滑油牌號(hào)為Idemisu Kosan FVC68D，廠家提供的 37.78℃ 和98.89℃ 時(shí)粘度分別為 v 38 =66.66
　?。╩m 2 /s），v 99 =8.04（mm 2 /s），比重 SG 為 0.9369（g/cm 3），由式（1）計(jì)算的分子量為 388.粘度隨溫度的變化具有強(qiáng)烈的非線性，在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程(guò chéng)中，只靠?jī)蓚€(gè)溫度點(diǎn)處的粘度進(jìn)行插值計(jì)算其他溫度點(diǎn)的數(shù)值的偏差很大；壓力對(duì)潤(rùn)滑油(Lubricating oil)密度的影響(influence)很小，密度隨溫度變化的線性較好，但溫度對(duì)密度的影響仍然比較大。
　　2 新型油氣分離器拋油機(jī)理分析
　　2.1 原理分析
　　針對(duì)制冷系統(tǒng)中應(yīng)用的油氣分離(Separation)器的研究已經(jīng)很多，而且也有專著論述油氣分離器原理(yuán lǐ)和設(shè)計(jì)(design)。昆山空壓機(jī)維修軸承跑外圈一般是因?yàn)榕浜系木炔粔蛞约巴馊Χㄎ环绞皆O(shè)計(jì)不合理造成的。并非所有機(jī)頭都按這個(gè)時(shí)間進(jìn)行，如果保養(yǎng)好的可以延后，保養(yǎng)差的則需要提前。 本文研究的新型油氣分離器特別之處就是帶有拋油管和壓縮(compression)機(jī)回油所示。油氣分離器將來(lái)自壓縮機(jī)排氣中的潤(rùn)滑油(Lubricating oil)分離出來(lái)，存積在油氣分離器底部。
　　回油毛細(xì)管 3 和 8 時(shí)時(shí)將油氣分離器中的油送回到壓縮(compression)機(jī)回氣管，保證壓縮機(jī)運(yùn)行過(guò)程(guò chéng)中有足夠的潤(rùn)滑油。
　　而拋油管 6 則是將壓縮(compression)機(jī)不需要的潤(rùn)滑油(Lubricating oil)排到制冷系統(tǒng)中，在不同模塊之間進(jìn)行二次分配
　　拋油管拋油原理是利用在拋油管兩端流動(dòng)狀態(tài)差異造成的壓力差作為拋油的動(dòng)力，根據(jù)伯努里方程原理，拋油管出口和進(jìn)口壓差在拋油管進(jìn)口，油的速度可以近似認(rèn)為是零，即V 1 =0，則：2.2 可靠性分析
　　并聯(lián)壓縮(compression)機(jī)采用直流變頻（frequency conversion)壓縮機(jī)和常規(guī)定頻壓縮機(jī)并聯(lián)而成，壓縮機(jī)排氣量分別為 37.5 cm 3 /rev 和 59 cm 3 /rev.油氣分離器分離效果按滿負(fù)荷時(shí) 75%計(jì)算，低負(fù)荷時(shí)按 50%計(jì)算。油分離器出氣管規(guī)格為 Φ12.7×0.8，拋油管規(guī)格為 Φ6.35×0.8，拋油管長(zhǎng)度取 500 mm.
　　核算時(shí)壓縮機(jī)運(yùn)行的工況和各工況點(diǎn)性能參數(shù)如下：
　?、僦绷髯冾l（frequency conversion)壓縮機(jī) 90Hz 運(yùn)行，定頻壓縮機(jī)同時(shí)運(yùn)行時(shí)的滿負(fù)荷工況（表 1）；
　?、谥挥兄绷髯冾l（frequency conversion)壓縮機(jī)以 30Hz 運(yùn)行時(shí)的低負(fù)荷工況（表 2）。
　　壓縮機(jī)滿負(fù)荷時(shí)和低負(fù)荷時(shí)排氣質(zhì)量流量(單位:立方米每秒) m ref分別按式（12）和式（13）計(jì)算，則滿負(fù)荷時(shí) m ref =0.174 kg/s；低負(fù)荷時(shí) m ref =0.0145 kg/s.
　　油分離器出口管內(nèi)制冷劑流速可按式（14）計(jì)算，則滿負(fù)荷(load)時(shí) V 2 =23.3 m/s；低負(fù)荷時(shí) V 2 =1.8 m/s.
　　拋油管進(jìn)出口壓差可按式（15）計(jì)算，則滿負(fù)荷時(shí)ΔP oil =249802 Pa；低負(fù)荷時(shí) ΔP oil =5898 Pa.
　　拋油管內(nèi)油流量可按式（16）計(jì)算，則滿負(fù)荷時(shí)Q oil_tube =8.5834×10 -5 m 3 /s；低負(fù)荷時(shí) Q oil_tube =0.21×10 -5 m 3 /s.
　　拋油管內(nèi)油流速按式（17）計(jì)算，則滿負(fù)荷時(shí)V oil_tube =5.645 m/s；低負(fù)荷時(shí) V oil_tube =0.136 m/s.
　　拋油管內(nèi)雷諾數(shù)可按式（18）計(jì)算，則滿負(fù)荷時(shí)Re oil_tube =373；低負(fù)荷時(shí) Re oil_tube =10.
　　阻力系數(shù)可按式（19）計(jì)算，滿負(fù)荷時(shí) f oil_tube =0.18；低負(fù)荷時(shí) f oil_tube =6.4.
　　流動(dòng)阻力可按式（20）計(jì)算，則滿負(fù)荷時(shí)= 2473 Pa/m；低負(fù)荷時(shí)=1.5 Pa/m.
　　拋油管內(nèi)總阻力(resistance)可按式（21）計(jì)算，則滿負(fù)荷時(shí)ΔP=5041 Pa＜ΔP oil =249802 Pa；低負(fù)荷時(shí) ΔP=3936 Pa＜ΔP oil =5898 Pa.
　　由以上分析(Analyse)計(jì)算，無(wú)論是在滿負(fù)荷條件下，還是在惡劣低負(fù)荷條件下，拋油管壓頭大于拋油管內(nèi)阻力，都可以順利地將油分離器內(nèi)高于拋油管進(jìn)口高度的油拋到系統(tǒng)管路里。昆山空壓機(jī)是一種用以壓縮氣體的設(shè)備。空氣壓縮機(jī)與水泵構(gòu)造類似。大多數(shù)空氣壓縮機(jī)是往復(fù)活塞式，旋轉(zhuǎn)葉片或旋轉(zhuǎn)螺桿。離心式壓縮機(jī)是非常大的應(yīng)用程序。
　　1 定頻壓縮機(jī)(compressor)；2 油氣分離(Separation)器；3 定頻壓縮機(jī)回油管；4 氣液分離器；5 拋油管出口；6 拋油管；7 拋油管進(jìn)口；8 變頻壓縮機(jī)回油管；9 變頻壓縮機(jī)新型自動(dòng)(automatic)油平衡油氣分離器示意圖
　　3 結(jié)論
　　1）潤(rùn)滑油粘度(Viscosity)隨溫度變化的非線性很強(qiáng)烈，本文采用的預(yù)測(cè)(predict)潤(rùn)滑油粘度的模型具有較強(qiáng)的實(shí)用性，可以模擬任意溫度點(diǎn)的粘度；2）系統(tǒng)壓力對(duì)潤(rùn)滑油密度的影響(influence)很小，但溫度對(duì)密度的影響比較大；3）利用伯努里方程原理(yuán lǐ)分析研究了新型自動(dòng)油平衡(balance)油氣分離(Separation)器的油平衡原理的可行性和可靠性，不論是在滿負(fù)荷(load)狀態(tài)，還是在惡劣(nasty)的低負(fù)荷狀態(tài)，拋油管均能發(fā)揮作用
　　符號(hào)說(shuō)明
　　A、
　　B、
　　C、
　　D、E 系數(shù)；d 直徑，m；f 阻力系數(shù)；h 比焓，kJ/kg；H高度，m；L 長(zhǎng)度，m；m 質(zhì)量(quality)流量，kg/s；M 分子量；P 壓力，bar；Q 質(zhì)量流量，kg/s；Re 雷洛數(shù)SG 比重，g/cm 3；S 橫截面積，m 2；T 溫度，K；V 流速，m/s；ν 動(dòng)力(dòng lì)粘度，mm 2 /s；ρ 密度，g/cm 3；μ 運(yùn)動(dòng)粘度，N/m.
　　下標(biāo)：oil 潤(rùn)滑油；oil_tube 拋油管；ref 制冷劑；low 低負(fù)荷。昆山空壓機(jī)保養(yǎng)冷卻水通過(guò)管道進(jìn)入空壓機(jī)中間冷卻器對(duì)一級(jí)壓縮排出的氣體進(jìn)行冷卻降溫，再進(jìn)入后冷器對(duì)排氣進(jìn)行冷卻，另一路冷卻水進(jìn)水管道經(jīng)過(guò)主電機(jī)上部的兩組換熱器冷卻電機(jī)繞組，還有一路對(duì)油冷卻器進(jìn)行冷卻。昆山空壓機(jī)是回轉(zhuǎn)容積式壓縮機(jī)，在其中兩個(gè)帶有螺旋型齒輪的轉(zhuǎn)子相互嚙合，使兩個(gè)轉(zhuǎn)子嚙合處體積由大變小，從而將氣體壓縮并排出。
　　以上僅列出部分工況點(diǎn)的實(shí)驗(yàn)（experiment)結(jié)果和計(jì)算結(jié)果對(duì)比曲線。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果和采用該模型(model)求解的結(jié)果對(duì)比分析(Analyse)可看出，每組工況的制冷（熱）量等幾個(gè)主要量的實(shí)驗(yàn)結(jié)果和計(jì)算結(jié)果誤差較小，誤差范圍(fàn wéi) ±10%，絕大部分在±5%之間。
　　4 總結(jié)
　　本文從熱力學(xué)和傳熱傳質(zhì)的基本原理出發(fā)，以Visual Basic 為仿真平臺(tái)，建立了用于表冷器校核計(jì)算的分布參數(shù)模型，且由實(shí)驗(yàn)結(jié)果和計(jì)算結(jié)果對(duì)比可看出，兩者吻合度較好，因此該表冷器模型準(zhǔn)確性高，適合于表冷器的仿真研究，對(duì)表冷器的工程應(yīng)用具有一定指導(dǎo)作用。昆山空壓機(jī)是一種用以壓縮氣體的設(shè)備?？諝鈮嚎s機(jī)與水泵構(gòu)造類似。大多數(shù)空氣壓縮機(jī)是往復(fù)活塞式，旋轉(zhuǎn)葉片或旋轉(zhuǎn)螺桿。離心式壓縮機(jī)是非常大的應(yīng)用程序。
　　符號(hào)說(shuō)明n 1每排管數(shù)N 管排數(shù)S 1管間距，m S 2排間距，m d o水管外徑，m d 3翅根直徑，mδf翅片厚度，m S f翅片間距，m m w水質(zhì)量流量(單位:立方米每秒)，kg/s m a空氣質(zhì)量流量，kg/s