制冷系统油分离器的应用与研究进展

制冷系统的压缩机大多采用强制润滑,借助泵或飞溅等方式向运动部件供油,减小摩擦磨损[1]。然而,高速流动的制冷剂会不可避免地携带部分油离开压缩机,进入冷凝器、毛细管、蒸发器等部件[2]。据测试,排气中的含油量通常在1%~8%之间,主要取决于压缩机类型、工况、油品等因素[3]。游离的油会在系统内迁移、沉积,引发一系列不利影响:
(1)在换热器表面形成附着油膜,恶化传热性能,导致冷凝压力升高、蒸发温度降低;
(2)聚集在毛细管内,堵塞节流通道,减小质量流量,降低制冷量;
(3)吸附杂质、析出蜡质,加速管路堵塞,增大循环阻力;
(4)随液体制冷剂回到压缩机,大量挥发产生泡沫,淹没吸气口,引起液击损坏;
(5)低温下凝固,堵塞膨胀阀,妨碍启动和调节[4-5]。

为解决上述问题,通常采用两种措施:一是选用与制冷剂相溶性好、抗氧化性强的合成润滑油,尽量减少析出倾向;二是在压缩机排气口设置油分离器,捕集携带的油滴并及时回收[6]。本文重点探讨油分离器的应用现状与研究进展。

油分离器本质上是一种油气分离装置,利用油滴与气体在密度、速度、运动方向等方面的差异,通过离心、碰撞、过滤等机理使两者分离[7]。从系统循环的角度看,它具有以下作用:
(1)减少进入冷凝器的油量,维持良好的传热性能,降低冷凝压力;
(2)防止毛细管和膨胀阀堵塞,保证节流阀正常调节;
(3)避免蒸发器内油的聚集,提高蒸发温度和热流密度;
(4)及时回收压缩机漏失的油,补充油箱油位,延长换油周期;
(5)捕集油中的金属磨屑等杂质,避免磨损,起到初步过滤的作用[8]。

总的来说,油分离器是系统的"净化器",有利于维持压缩机润滑和制冷剂分配平衡,是保证高效节能运行的关键部件。

油分离器的安装位置需要综合考虑分离效果、回油便利性、设备布置等因素。目前主要有以下几种布置方式:

(1)压缩机壳体内:

多见于全封闭和半封闭活塞式压缩机 , 利用机壳内的空间设置离心通道或滤网 , 使漏油在飞溅过程中与气流分离 , 直接落回曲轴箱。 但容积有限 , 分离效率较低 [9] 。

(2)压缩机吐出口:

最常见的安装位置,紧贴压缩机排气口,使携油气流通过弯管直接进入分离腔体。具有应用范围广、分离效率高、维护方便等特点[10]。
(3)吐出管路中:

将分离器接在吐出管的中间,气流依次通过。可在管内预留旁通,便于拆装。分离效率略低于吐出口布置,但便于改造[11]。

(4)冷凝器入口:

分离器置于冷凝器前,使冷凝器进口油量最少。一般仅用于对含油量要求极高的场合,或吐出口狭小无法布置时的权宜之计[12]。

(5)贮液器底部:

利用贮液器集油的特点,在其底部设置小型重力分离器,使沉降的油滴汇集并回流。属于辅助分离措施,须定期排油,仅适用于含油量较低的系统[13]。

 

四、 油分离器的结构类型      

         

根据分离原理的不同,油分离器可分为离心式、洗涤式、过滤式、干式等几类,下面分别介绍其结构与特点。

4.1 离心式油分离器
离心式油分离器利用旋转气流产生的离心力,使悬浮的油滴受到指向旋转中心的离心力,被甩向器壁并沉降[14]。具体实现形式有:
(1)旋流型:在圆筒形腔体切向进气,使气流作旋转运动,油滴在离心力作用下被分离并沉降至底部。出口设导流板稳定气流,提高分离效率。结构简单,无运动部件,适用性广,是最常用的类型[15]。
(2)离心叶轮型:利用高速旋转的叶轮产生强大离心力,油滴沿叶片甩向外缘,聚集在收集环内。转速高,分离效率高,多用于大型系统。缺点是能耗高,噪声大,须定期维护[16]。
(3)旋风型:在锥形腔体切向进气,气体绕锥心作螺旋向下运动,油滴被分离至锥壁并流入集油槽。出口设涡流探管,引出净化气体。分离效率高,压降小,但清理不便[17]。

4.2 洗涤式油分离器
洗涤式油分离器利用填料或液膜与气流直接接触,捕获气体中的油滴并凝聚分离[18]。常见形式有:
(1)填料层型:气体通过填料层时,油滴附着在填料表面,随凝聚液滴落而分离。填料一般采用玻璃球、陶瓷球等,比表面积大,分离效率高。但阻力大,须定期反冲洗,运行成本高[19]。
(2)液膜塔型:在塔体内设置液体分布器,自上而下喷淋形成连续液膜,上行气体中的油滴被捕获、凝并,随液膜流入集油槽。液体一般选用与油互溶的有机溶剂,如乙醇等。分离彻底,但能耗高,存在溶剂挥发污染问题[20]。
(3)文丘里型:利用文丘里管道将气液两相紧密接触,强化油滴凝并。气体通过喉部时,速度骤增,压力骤降,油滴被液滴捕获。结构简单,阻力小,但液体需单独循环,控制复杂[21]。

4.3 过滤式油分离器
过滤式油分离器借助多孔介质的过滤阻留作用,捕集气体中的油滴和微粒[22]。按结构可分为:
(1)穿流型:气体垂直通过滤料,悬浮的油滴和杂质被阻留在滤料表面和孔隙中。滤料多采用纤维织物、金属丝网、粉末烧结材料等。流速低,阻力小,但容尘量有限,须定期更换[23]。
(2)折流型:气体沿滤料平行流动,惯性作用下油滴撞击并粘附在滤料上。滤料呈波纹状或蜂窝状,撞击几率高,分离效率高,但阻力也相对更大[24]。
(3)旋流型:滤芯呈圆筒状,气体切向进入,旋流通过。离心力使油滴migrate to并沉降在滤芯内壁。兼具离心和过滤功能,分离效率高,但滤芯尺寸受限[25]。

4.4 干式油分离器
干式油分离器是利用吸附剂的选择性吸附作用,使气相中的油蒸气被吸附并富集,从而达到净化气体的目的[26]。其优点是分离效率高,适用于低浓度油蒸气,能同时脱除水蒸气。缺点是吸附剂容量有限,需定期再生或更换,运行成本较高。常用吸附剂有:
(1)活性炭:具有发达的孔隙结构和疏水表面,对非极性有机物(如烃类)有良好的吸附能力。但吸附能力随温度升高而降低,不耐高温[27]。
(2)硅胶:表面含有大量硅羟基,对极性分子(如水、醇类)有强烈吸附作用。但吸油能力相对较差,多用于辅助脱水[28]。
(3)分子筛:具有规则的晶体孔道结构,对特定尺寸的分子有选择性吸附作用,既可吸附极性分子,也能吸附非极性油蒸气。但价格较贵,再生能耗高[29]。