旋葉式壓縮機油氣分離器流場數值計算與試驗

劉 進,何澤銀,,陶平安,劉紅梅,向 銀,,冉志祥

(1. 重慶建設汽車系統股份有限公司 汽車熱管理系統研究院, 重慶 400052; 2. 重慶交通大學 機電與車輛工程學院, 重慶 400074)

0 引 言

油氣分離器的分離效率是影響汽車空調旋葉式壓縮機性能、可靠性和成本的關鍵因素。油氣分離效率低,將直接導致油氣循環率增高,進而引發壓縮機制冷量和COP下降[1]。目前汽車空調系統大多采用離心式油氣分離器,該分離器存在著對大直徑油滴分離效果較好,對直徑小于5 μm及以下油滴分離效果較差的特征[2]。

在油氣分離器設計與流場數值計算方面,國內外許多學者進行了大量研究。針對五柱形油氣旋風分離器,GAO Xiang等[3]采用雷諾應力湍流模型(RSM)探究了中心流道參數對流場的影響,得出中心通道直徑和高度對分離室內流場影響較小的結論;馮健美等[4]針對旋風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題,得到了分離效率最高的最佳入口速度與參數的組合數據;GAO Xiang等[5]對油滴動態軌跡和分離性能進行了數值模擬,分析了油滴破碎對油氣旋風分離器性能的影響;XU Jiu等[6]通過實驗研究了撞擊分離機理;WANG Zhongyi等[7]采用湍流模型和有限體積法對油氣分離器內部的速度場、壓力場及流線進行了分析,揭示了分離器的流動機理;LIU Shuo等[8]采用歐拉多相模型和雷諾應力湍流模型相結合的方式,對分離器進行了數值模擬及試驗研究,揭示了氣-液的分離機理;劉興旺等[9]借助RNGk-ε方程和DPM模型對渦旋壓縮機的油氣分離規律進行研究,總結了入口方向和進口速度對分離效率的影響規律,為油氣分離器優化設計提供了理論依據;趙梅春等[10]設計了一套檢測油分離器分離效率的試驗裝置,為油分離器關鍵性能指標提供了檢測手段;劉興旺等[11]探究了電動渦旋壓縮機內部的流動、壓降和分離效率隨轉速的變化規律,并對油氣分離器提出了優化設計方案;王仁人等[12]對旋流式分離器進行了內部流動數值仿真,得到了流動阻力最小值時的排氣口尺寸;薛金鑫等[13]對不同套筒結構下的油氣分離器進行了數值模擬,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度、閥塞直徑、圓柱長度、錐角對油氣分離性能的影響;XIN Dianbo等[15]通過搭建試驗臺,測量了壓縮機的排油比和油氣分離器的分離效率。

綜上,國內外學者對油氣分離器進行了大量的理論和實驗研究,但對旋葉式壓縮機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題。筆者借助SSTk-ω湍流方程和離散相模型(discrete phase model, DPM)對旋葉式壓縮機油氣分離器進行了多相流數值計算,研究了油滴運動軌跡與分離效率之間的影響規律,進而提出了新型二級離心式油氣分離管結構,并開展了油量標定試驗驗證。

1 工作原理及結構

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滑油。目的是使得制冷劑進入空調系統循環工作,純度較高的潤滑油進入油道參與潤滑,達到滿足汽車空調旋葉式壓縮機制冷與潤滑的需求。離心式分離器結構如圖1。

圖1 離心式分離器結構Fig. 1 Structure of centrifugal separator

離心式油氣分離器由雙渦區腔體、分離管、進氣孔等組成。油氣混合物進入分離器后,依靠腔體與分離管之間狹小的空間,使得進入腔體內的油氣混合物沿著分離管做高速螺旋運動,潤滑油受離心力作用撞擊腔體內壁及分離管壁,附著在壁面上并在重力作用下沿壁下流,經出油孔流出;制冷劑則在壓差作用下經內腔通道排出。

2 流場數值計算

2.1 基本假設和算法

油氣分離器的氣-液多相流進行數值模擬。由于液相的潤滑油密度大于制冷劑,且混合氣中的潤滑油體積分數小于10%,故假設制冷劑為連續相。采用歐拉法對流場壓力與速度分布進行計算;再將分布于制冷劑中的潤滑油滴作為離散相,用拉格朗日法跟蹤油滴的運動軌跡,從而得到分離效率;最后不考慮油滴對流場影響,假設油滴與壁面接觸即被吸附,不產生反彈、破碎、合并與蒸發等現象。

離散相模型中軟化油滴的計算如下:

1)油滴受力

(1)

式中:mp為油滴質量;up為油滴速度;t為時間;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為回轉半徑。

3)曳引阻力

(3)

式中:CD為阻力系數;Rep為油滴雷諾數;τp為油滴弛豫時間;u為壓縮機空氣流速。

4)重力

(4)

5)油滴弛豫時間

(5)

式中:μ為流體黏性系數。

6)油滴雷諾數

(6)

2.2 流體動力學建模

2.2.1 網格模型與求解模型

由于油氣分離器的分離過程發生在腔體內部,因此不考慮出油孔影響。網格劃分采用對復雜幾何效果較好的多面體網格,設置邊界層的第一層網格Y<5,分別得到不同規模網格為:143萬、186萬、211萬、232萬、255萬。其中:143萬、186萬的網格計算結果存在一定變化,211萬以后的網格計算結果較穩定,故采用211萬的網格進行結構改進模型。

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

2.2.2 邊界條件與相關參數

連續相邊界定義為:進口速度邊界與壓力出口邊界;根據壓縮機體積流量,連續相邊界條件指定進口速度v=5、 20 m/s,壓力出口則指定為標準大氣壓,實際為壓縮機排氣壓力。

設計前期采用排氣壓力進行數值模擬,發現油氣分離器分離整體趨勢相近,為節省計算中的收斂時間,進行簡化處理。離散相邊界定義為:進出口為逃逸,壁面為捕獲。根據油氣分離器分離特性,分離器以產生較大的離心力作為分離方式,當油滴直徑過小時,油滴的流動性較好,易被高速氣流帶走,故不易被分離器分離。故為了更好地驗證分離效果,油滴直徑分布取dp=(0.5～5)μm。

2.3 結果分析與討論

含有一級分離管的離心式分離器內流道流場速度云圖如圖2。由圖2可知:混合氣隨著分離管與內腔壁的空間向下高速旋轉實現油氣分離;根據伯努利原理,分離器上部空間變大,流速變緩,與接觸底部反向向上移動的混合氣在旋轉范圍較小的漩渦向上移動,形成雙渦狀態。

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

基于流場分析數據,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,個;Qg為油滴直徑的跟蹤個數,個,文中Qg=611。

表1給出了進口速度v=5、20 m/s下各粒徑的分離效率。

表1 不同進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:混合氣速度對油氣分離器的分離效率有較大影響,進口速度增大,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:油滴進入內腔后,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 油氣分離器結構改進

針對旋葉式壓縮機離心式油分離器對小直徑油滴分離效率較低的問題,筆者提出了一種新型二級油氣分離管結構(以下簡稱“新結構”),通過增加油滴與管壁的碰撞幾率,達到提高分離效率的目的。

新結構主要是在中心主排氣通道中增設一級分離管,使混合氣在通過主排氣孔時增加油滴與壁面的碰撞幾率。分離器結構的改進如圖4,在實際工作中可在新結構基礎上添加濾網使用。

圖4 二級分離器結構Fig. 4 Structure of secondary separator

為對比不同分離器對分離效率影響,給出了不同分離結構下分離器內流道速度云圖,如圖5。由圖5可知:雙渦區的混合氣保持旋轉狀態進入一、二級分離管之間,該區域由大空間變為小空間,壓力梯度發生變化,速度得到一定提升,混合氣在一、二級分離管之間高速旋轉并進行二次分離,從而提高了分離效率。增設了過濾網的多級分離器較二級分離器在主排氣孔之間增加了油滴與濾網的碰撞,分離效果更佳。

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

新結構分離不同直徑油滴時油滴的捕獲軌跡如圖6。由圖6可知:新結構對各直徑油滴分離效果較一級分離有顯著提升,特別對小粒徑油滴的分離效果更佳;在二級分離管作用下,使得混合氣流動速度更快更均勻,增加了排氣效率。

圖6 改進后分離器的油滴分離運動軌跡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:與改進前相比,新結構可有效地提升分離小直徑油滴效率;當油滴為0.5 μm時,分離效率從原來的54.7%提升到73.8%,提高了19.1%。

圖7 不同改進方案下分離效率對比結果Fig. 7 Comparison results of separation efficiency under different improvement schemes

4 油氣分離器油量標定試驗

油氣分離效率試驗裝置主要由特制的油氣分離觀察用玻璃外殼、壓縮機驅動電機、空調系統(管路、冷凝器、蒸發器、膨脹閥等)、實車系統試驗臺控制臺和數據分析軟件等組成,通過上述裝置集成為一個完整的汽車空調系統模擬運行通路。試驗方法為:在一定運轉速度下通過測定不同加油量時壓縮機的出油量和油循環率(OCR),得到一定規律變化趨勢,以此間反映油氣分離器的分離效率變化。

壓縮機油氣分離器油量標定試驗步驟如下:

1)以加潤滑油量為變量,控制壓縮機在怠速下穩定運行,同時保證壓縮機排氣壓力、排氣溫度不超過某臨界值;

2)待轉速、排氣壓力與排氣溫度在規定要求內波動(穩定狀態)時,通過玻璃外殼觀察腔內確認油氣分離效果(出油量高度);

3)完成上述過程后,再往壓縮機內添加定量的潤滑油并以此循環,直至滿足排氣溫度隨加油量逐步增多后呈一定規律變化的趨勢,OCR值則在確認的加油量位置進行檢測。

壓縮機油氣分離器試驗臺與標定裝置如圖8。

圖8 壓縮機油氣分離器試驗臺與標定Fig. 8 Test bench and calibration of compressor oil-gas separator

圖9為800 r/min時,油氣分離器在改進前、后不同加油量下出油量的對比。由圖9可知:新結構在同等加油量和溫度下,出油量較改進前有一定提升;當加油量為120 mL時,出油量較改進前提高了50%,間接驗證了新結構設計的合理性。

圖9 油氣分離器改進前后出油量對比Fig. 9 Comparison of oil output before and after improvement of oil-gas separator

當加油量為120 mL時,油氣分離器的油循環率在改進前為0.75,改進后為0.50。這說明改進后的結構分離效率較改進前有較大提升。

5 結 論

1)提出了一種新型二級油氣分離管結構,有效地解決了旋葉式壓縮機離心式油分離器對小直徑油滴分離效率較低的問題,目前改進后的油氣分離器已量產裝配至汽車空調系統中;

2)建立了油氣分離器多相流數值模型,分析了流場速度分布與油滴運動軌跡,研究了離心式油氣分離器分離效率影響規律;

3)搭建了離心式油氣分離器油滴標定試驗臺,開展了離心式油氣分離器油滴分離試驗,試驗結果有效地驗證了新結構設計的合理性。