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    氦制冷机油气分离器设计及除油效果测试

    放大字体  缩小字体 发布日期:2021-11-03 10:13:00    浏览次数:146    评论:0
    导读

    摘 要:对高压氦气的除油过程进行理论分析,将过程分为捕集-聚结-排液3个部分,并对捕集过程进行理论计算,在不考虑二次夹带的情况下,一级、二级油气分离器对油滴的理论捕集效率应大于97%和99.6%。对油气分离器进行结构设计,并通过实验检验设计的油气分离器的除油效果。测试结果显示一级油气分离器除油效率达到97.625%,

    摘 要:对高压氦气的除油过程进行理论分析,将过程分为捕集-聚结-排液3个部分,并对捕集过程进行理论计算,在不考虑二次夹带的情况下,一级、二级油气分离器对油滴的理论捕集效率应大于97%和99.6%。对油气分离器进行结构设计,并通过实验检验设计的油气分离器的除油效果。测试结果显示一级油气分离器除油效率达到97.625%,与理论捕集效率较为一致;二级油气分离器除油效率67.37%,对二级除油效率与理论捕集效率存在偏差进行了分析。综合除油效率达到99.25%,满足工程设计要求。

    关键词:氦制冷机 除油 气液分离

    1 引 言

    500 W制冷机的设计模式为纯制冷模式,设计制冷容量为550 W/4.5 K。压缩机出口氦气压力1.4 MPa(绝压,下同),制冷机冷箱进口氦气压力1.3 MPa,高压氦气流量72.95 g/s。氦气经过压缩机增压,出口压力1.4 MPa,制冷系统压缩机为喷油螺杆压缩机,油在压缩机运行时起冷却、润滑、密封和降噪作用,喷入的油呈微滴状,与被压缩的氦气混合,极大的换热面积迅速吸收氦气的压缩热,降低排气温度,提高压缩机能效[1]。不同压缩机的出口含油量区别较大,500 W/4.5 K制冷机选用的压缩机组经压缩机自带的除油装置后可将出口氦气含油量控制在5×10-6(W)以下,即每1单位质量的氦气中油杂质的质量低于5×10-6单位质量,一些螺杆压缩机出口的含油量达到10-4(W)量级或更高。随着制冷系统运行,系统温度降低,这些杂质气体会液化、固化,积聚在换热器、管路、透平叶轮、传感器、阀门等系统部件上,会恶化换热器的性能,系统压力损失将会增大,使系统功耗增大,系统运行稳定性受到影响,甚至会对系统部件造成损伤。氦低温系统中氦气的纯净程度将直接影响低温系统运行时的稳定性和系统的可靠性。刘冰[1]、李永祥[2]、K W Lee和B Y H Liu[3]等研究了滤材、过滤器的性能测试方法,搭建纤维过滤器的过滤效率测试平台;Tao-Chih Hsiao[4]、Ryan Mead-Hunter[5]等研究了纤维过滤器的压损特性;A Charvet等[6]使用过滤模型对纤维滤料聚结除液过程进行研究,并进行实验进行比对。上述研究均针对连续相为常压空气的气液分离、过滤过程。本文借鉴其研究方法,对高压氦气除油过程展开研究,计算了纤维滤材对氦气中油杂质的理论捕集效率,对除油过滤器进行结构设计,并测试其实际除油效率。

    2 氦气除油装置

    2.1 氦气除油装置结构设计及关键参数

    氦气除油装置是氦气制冷系统重要子系统之一,图1为500 W氦制冷机除油系统装配图及三维图,根据500 W制冷机的设计要求,压缩机出口的氦气经过除油装置后油的质量浓度需低于10×10-9,即每1单位质量的氦气中油杂质的质量低于10×10-9单位质量。除油装置中油气分离器、活性炭吸附器、干燥器用于分离、过滤氦气中的油杂质,粉尘过滤器用于除去氦气经过活性炭、分子筛后夹带的粉尘。

    图1 500W氦制冷机除油系统装配图及三维图
    Fig.1 Oil-gas separator of 500W helium refrigerator

    表1是制冷系统选用的压缩机的主要参数,压缩机出口的油为悬浮在氦气中的微米量级的油滴,以及微量的油蒸气。

    2.2 油气分离器结构设计及滤材参数

    根据表1中压缩机出口氦气的参数,对油气分离器进行设计。设计采用两级油气分离器,目标使氦气中的油杂质降低到10-9(W)量级。如图2a所示,过滤器壳体的气流采用下进上出,下方设积液层及回油口,此种过滤器壳体构造便于更换油分滤芯,并且在氦气进入过滤器后对直径大于1μm的大液滴起到机械分离分效果。油气分离器的滤芯结构图见图2b,由支撑结构、内层玻璃纤维聚结层、外层聚酯纤维排液层、密封圈等构成。选用的玻璃纤维滤材的扫描电镜照片见图3,滤材参数见表2。含有油颗粒的氦气在通过玻璃纤维滤芯时,直径较小的油颗粒由于惯性碰撞、拦截效应、扩散效应、静电捕集、重力捕集等作用机理被玻璃纤维捕集,并在玻璃纤维滤材中聚结形成直径较大的油滴或液膜,最后由滤材外侧的排液层排出滤芯,由过滤器底部的排液口排出。

    表1 氦喷油螺杆压缩机主要技术参数

    Table 1 Main technical parameters of oil-injected screw helium compressor

    3 玻璃纤维滤材捕集效率计算及分析

    3.1 玻璃纤维滤材捕集效率计算

    可以按照以下3种方法计算聚结层玻璃纤维滤材对油滴的捕集效率。

    3.1.1 经典公式[2]

    (1)

    图2 油气分离器及滤芯结构图
    Fig.2 Schematics diagram of oil-gas separator and glass fiber filter

    图3 一级(左)、二级(右)油气分离滤芯滤材扫描电镜照片
    Fig.3 SEM photographs of fiberglass in first-stage separator(left)and second-stage separator(right)

    表2 油气分离滤芯滤材参数

    Table 2 Parameters of fiberglass in oil-gas separator

    式中为单纤维总捕集效率,为单纤维拦截捕集效率,为单纤维惯性捕集效率,为单纤维扩散捕集效率,为单纤维扩散拦截捕集效率。

    (1)单纤维拦截捕集效率:

    (2)

    式中:Dp为油滴直径,Df为纤维直径,Ku为Kuwabara动力学因子,Ku=-0.5lnα+α-0.75-0.25α2,α为滤材填充度。

    (2)单纤维惯性捕集效率:

    (3)

    式中:St为斯托克斯C为滑动修正系λ为分子平均自由程,kB为玻尔兹曼常数,T为热力学温度,d为氦气分子动力学直径,P为氦气压力。

    (3)单纤维扩散捕集效率:

    (4)

    式中:Pe为培克列数,D为气体扩散系数。

    (5)

    (4)单纤维扩散拦截捕集效率:

    (5)

    3.1.2 Lee和Liu计算公式[5]

    (6)

    3.1.3 修正Lee和Liu计算公式[6]

    (7)

    (8)

    (9)

    3.2 玻璃纤维滤材捕集效率计算结果分析

    当取过滤速度v=0.044 m/s时,通过上述3个计算方法,计算两种玻璃纤维对0.1—1μm的油滴颗粒的捕集效率,结果如图4、图5所示。

    图4 一级油分滤材对不同粒径油滴捕集效率
    Fig.4 Efficiency of fiberglass in first-stage separator

    图5 二级油分滤材对不同粒径油滴捕集效率
    Fig.5 Efficiency of fiberglass in second-stage separator

    图4、图5显示,使用不同的算法,在滤速为0.044 m/s时,选取的两种油分滤材及厚度对不同粒径油滴的捕集效率可达到99.7%以上,两种滤材对1.6—2.8 μm左右的油滴捕集效率较低。

    最易透过粒径(MPPS)(m)的理论计算值可使用式(10)算出[2]

    (10)

    由式(10)得到一级油分滤材DP.MAX=0.227 μm,二级油分滤材DP.MAX=0.192 μm,与上述3种计算方法得出数据符合。

    在理论计算中未考虑一些实际运行中的问题,可能造成计算误差的因素有:(1)被玻璃纤维捕集到的油滴没有聚结成为大油滴,并从纤维上飞散重新进入气流;(2)聚结产生的油滴、液膜被氦气吹散进入下游气流,而理论计算未考虑二次夹带,造成计算计算结果偏大;(3)取样装置管道、阀门上附着的油进入测量装置,造成测量结果偏高;(4)过滤器上下游的压力降致使滤材压缩,使滤材在运行时的填充度变大,增大了理论计算的误差。

    4 油气分离器除油效率测试

    安装设计滤芯,对滤芯在500 W制冷机除油系统中的除油效率进行实验测试,测试流程见图6。用压缩空气/气体悬浮污染物(液体/固体)检测仪TC5000A,对减压到1大气压的系统内氦气进行油浓度检测。同时监测一、二级油气分离器的压力损失。测试过程中使用的测量仪器TC5000A可测量浓度范围为(0.005—900)×10-6(W),测量精度±1%,可测量0.1—10 μm粒径的微粒。开启压缩机,待压缩机及除油系统稳定运行后,使用TC5000A对3个采样点的氦气进行取样检测,每个采样点采样10组数据,每组数据检测时间1 min,计算每组油含量平均值。

    图6 除油实验流程图
    1-压缩机;2-氦气取样口;3-流量计;4-压力表;5-温度计;6-压差计;7-油气分离器;8-吸附器;9-干燥器;10-粉尘过滤器
    Fig.6 Flow chart of oil removal experiment

    5 测试结果及总结

    通过实验测试,得到压缩机出口氦气含油量0.8×10-6(W),一级油气分离器出口处氦气含油量0.019×10-6(W),二级油气分离器出口处氦气含油量0.0062×10-6(W)。可算得一级油气分离器除油效率为97.625%,二级油气分离器除油效率为67.37%

    3种理论计算得出的结论显示,一级油气分离器的滤材对不同直径颗粒的捕集效率大于97%,二级油气分离器的滤材对不同直径颗粒的捕集效率大于99.6%。试验结果显示一级油气分离器除油效率为97.625%,二级油气分离器除油效率为67.37%,二级除油效率较低,造成这种现象的原因可能为:含油杂质的氦气经过一级油气分离器后,大多数油杂质被分离出来,余下的油杂质中以蒸气形式存在较多,需使用吸附方法去除;二级油气分离器出口处氦气含油量6.2×10-9(W),已接近TC5000A的测量浓度下限,对于更低杂质浓度的测量数值误差较大。

    两级油气分离器使氦气中的油杂质从0.8×10-6(W)降低到6.2×10-6(W),综合除油效率达到99.25%,可有效降低下游除油设备的负荷,满足工程设计的要求。


     
    (文/小编)
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