喷油螺杆空压机油气分离器设计
发表时间：2025-04-18
随着压缩空气质量日渐受到重视，为了降低压缩空气中的含油量，油气分离器、油气分离滤芯相关技术起着非常关键的作用。在喷油螺杆空压机运行工作过程中，压缩空气的同时，大量润滑油喷入螺杆齿间容积，这些油和被压缩的气体形成了油气混合物，在经历了相同的压缩和排气过程后，被排到机组的油气分离器中，在油气分离器中进行油、气分离，分离后的空气排放到用户官网中，分离下来的油经过冷却后重新进入压缩机中形成油路循环。而不分离掉的少量润滑油随空气排出消耗掉。
1、油气分离原理与方法
1）油气混合物特性
在由被压缩气体和润滑油形成的油气混合物中，润滑油以气相和液相两种形式存在。
处于气相的润滑油是由液相的润滑油蒸发所产生的，其数量的多少除取决于油气混合物的温度和压力外，还与润滑油的饱和蒸气压有关。油气混合物的温度和压力愈高，则气相的油愈多；饱和蒸汽压愈低，则气相的油愈少。气相油的特性与其它气体类似，无法用机械方法予以分离，只能用化学方法去清除。
在一般的运行工况下，油气混合物中处于气相的润滑油很少。一是因为在通常的排气温度下，混合物中润滑油蒸汽的分压力很低；二是由于润滑油在喷入到分离的时间很短，没有足够的时间达到气相和液相间的平衡状态。处于液相的润滑油占了所有被喷入油中的绝大部分，但这种液相油滴的尺寸范围分布很广。大部分油滴直径通常处在1-50微米，少部分的油滴可小至与气体分子具有同样的数量级，仅有0.01微米。
2）油气分离方法
按分离机理的不同，喷油螺杆压缩机机组中采用两种不同的油气分离方法。一种称为机械法，即碰撞法或旋风分离法，它是依靠油滴自身重力以及离心力的作用，从气体中分离直径较大的油滴。实际测试表明，对于直径大于1微米的油滴，都可采用机械法被有效地分离出来。另一种为亲和聚结法，通过特殊材料制成的元件，使直径在1微米一下的油滴先聚结为直径较大的油滴，然后再分离出来。现在喷油螺杆压缩机机组中一般都同时采用这两种不同的油气分离方法，即用机械法作为粗分离，而用新和聚结法作为精分离。
早期的机械法一般采用碰撞法，即在油气混合物的流动方向上设置某种障碍物，当油气混合物与障碍物的速度有一定的范围，其zui佳值与气体和润滑油的密度有关。一般来说，zui佳撞击速度为3m/s左右。
现代的机组中一般采用旋风分离法或两种方法结合来进行粗分离。这种方法是在油气分离器中设置旋风通道，当油气混合物进入油气分离器后，首先通过旋风通道，大的油滴将会在离心力的作用下被甩到壁上，然后在重力的作用下，落到分离器的底部。
当油气混合物通过机械法进行分离后，其中约99.7%的油会被分离出来，且此时的油滴直径多在1微米一下，无法再用机械法进行分离。新和聚结法主要用于分离直径在1微米一下的油滴，由过滤和聚结两个过程组成。这种分离方法所采用的元件（油细分离器），实际上是一种多孔过滤材料，当油气混合物进入过滤元件之前，直径大于元件材料孔径的油滴，将在元件的表面被过滤出来。然后，利用过滤材料内部流道形状合大小的改变，可使进入其内部的小直径油滴在惯性力等的作用下，在材料的纤维上聚结成为大直径油滴，并被过滤出来。目前，油细分离器普遍采用专门为此用途开发的超细玻璃纤维等材料取得了除油效果佳、寿命长、压降小的效果。专业厂家生产的油细分离器已经可使气体中的含油量降到2-3ppm。
2、油气分离器设计
喷油螺杆压缩机系统中，一般多采用油气分离器。油气分离滤芯安装在分离器顶部（通常为外进气滤芯），分离器zui下部为油箱，其上部或中部有经特殊设计的折流板。折流板的形式、位置由进气口的位置决定。
1）折流板型式的设计
油气混合物中，液相油滴尺寸范围很广，大部分油滴直径尺寸通常处在1-50微米，少部分微滴可小至与气相分子具有相同的数量级，仅为0.01微米。当油气混合物进入分离器，由于突然膨胀，导致气流速度下降，较大油滴受重力作用落入筒体下部；较小油滴及油雾沿折流板切向旋转，离心力作用把较重油滴甩向器壁，油滴经聚结后重力作用沿壁下流。油气混合物在分离器内受折流板不断碰撞，且改变方向。碰撞后，混合物中的油滴会积聚在折流板表面，zui佳碰撞速度为3m/s左右。流速太低，混合物中的油滴会像气流一样绕折流板流动；速度太大聚集的油滴会被吹散回到气流中。对于直径大于1微米的油滴机械碰撞会有效分离出来，通常把以上3中机械分离统称为初级分离，一般经初级分离后混合物中99.7%的油量可分离掉。
设计效果极佳的机械分离结构，经初级分离后，进入油气分离滤芯处气体中含油量可达500*10-6，此时混合物中油滴直径在1m以下。
常见油气分离器折流板型式有上部进气、中部进气。两种结构从机械分离效果比较，上部进气结构应优于中间进气结构，因为进气口离油面较高，旋风距离长。在使用相同规格的细分滤芯的前提下，油气分离器采用上部进气结构要比中间进气结构直径大，而高度则较矮。
2）分离器直径选择：当今，占地面积小、结构紧凑的压缩机更受客户青睐，油气分离器直径的选择就尤为重要。首先按空气压缩机流量设计（选择）油气分离滤芯外型尺寸。设计经验数据：环形带面积与筒体截面积之比一般为0.4-0.6，数值越大越好。
3）分离器高度：分离器高度由如下部分组成：油箱高度、油气分离器滤芯高度、折流板高度。折流板与滤芯之间应留有必要的高度间隙，谨防此处气流速度过高，把下落的油滴重新带入混合物中。
4）进气口直径和位置：由于油气混合物中含有大量油滴，不同于压缩机所排出的气体，故而不能完全按压缩空气在不同压力下的常规流速选择管径，否则进气速度过高，造成初级分离效果不佳。进气口要尽量深入筒体内部，并与桶成切线方向，避免入口处形成乱流，并且离油面越高越好。
3、油气分离滤芯设计：油气混合物经分离器内的机械（初级）分离后，再经油气分离滤芯进行精细分离。任何一级的分离效果不佳均会影响排气含油量。经初级分离后的油气混合物，油滴直径在0.01-1微米之间，呈悬浮状存在；直径更小的则呈蒸气状态。悬浮状油滴可通过油气分离器滤芯的微米级玻纤维层滤料分离。准确选择滤材及其厚度，就可使流经精细玻纤层的压缩空气利用悬浮油粒的扩散，直接被过滤层拦截和惯性碰撞的凝聚结原理，捕集、分离压缩空气中的油微粒。大多数悬浮油粒被分离凝聚成大油滴，在重力及压差的作用下进入到滤芯内底部盖凹处，再由插入的回油管排出芯外。
1）油气分离滤芯制作型式：滤芯滤料的制作现为两种型式。一种为缠绕式滤芯，即把滤料缠绕在网筒外；另一种为折叠滤芯，将滤料夹在两层丝网内，在拍折机上进行折叠。单从滤料制作型式区分滤芯质量优劣是不科学的。平缠式滤料主要为滤纸缠绕的层数远较折叠滤料层数多，但折叠滤芯在相同直径及高度下容纳的滤料面积大，制作成本高于平缠式。两种滤料型式制作滤芯均属于多层玻纤，2级油气凝聚式分离滤芯。
2）滤芯流速：气流在滤芯表面（外进气）的流速一般分为两类：①俗称为低流速滤芯，其流速一般在0.086m/s以下；②高流速滤芯，其流速在0.18m/s左右。折叠式滤料滤芯一般属低流速范围；平缠式滤料制成的滤芯则有高流速范围的，亦有低流速范围的。只是两种流速滤芯尺寸不同，所用滤材不同。
3）含油量测试鉴定：滤芯流量、尺寸确定后，则不同滤料型式下的流速就能计算出来，确定滤料加工型式，在按流速选择滤材，新的滤芯就设计结束。验证新油气分离滤芯的质量，必须通过试验测试。测试方法参照ISO8573-2-96标准“一般压缩空气第二部分：悬浮油含量测试方法“，用自行设计制造的测试装置进行试验。新滤芯必须在运行达到饱和后方可进行含油量测试。一般成功的滤芯配料测试至少运行50-100h，此时测试排气含油量应在≦3mg/m3，滤芯阻力≦0.02MPa。只有经过不断测试、分析、提高、再实践，方可使油气分离滤芯质量达到先进、可靠。
