CN104147877A - 一种油气分离器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种设置在制冷循环管路中的油气分离器，具体地说是一种用于CO₂压缩机出口处的油气分离器。具体的为一种油气分离器，包括油气分离器桶体，及设置在桶体上通入含油气体的进气管、排气管和出油管，所述的分离器桶体内腔包括上下连通设置的筒形腔体和锥形腔体，所述的排气管连通筒形腔体的顶部，所述的出油管连通锥形腔体的底部；在筒形腔体的上部设置有形成气体折返流道的折流装置。由于本发明以CO₂压缩气体的压力作为驱动力，故无需其他操控措施，操作简单；采用旋风分离法与亲和聚结法共同实现油气高效分离。

Description

一种油气分离器

技术领域

 本发明涉及一种设置在制冷循环管路中的油气分离器，具体地说是一种用于压缩机出口处的油气分离器。

背景技术

压缩机是一种提高气体压力或输送气体的机器，应用极为广泛。在制冷业、矿业、冶金业、机械制造业、土木工程、石油化学工与气体分离工程以及国防工业中，压缩机是必不可少的关键设备之一。此外，医疗、纺织、食品、农业、交通等部门的需求也与日俱增。压缩机因其用途广泛被称为“通用机械”。随着国家对环保和节能的持续关注,特殊气体压缩机需求量日益增多。

在制冷业，传统空调和热泵中使用的工质主要是CFCs和HCFCs，但由于对臭氧层破坏和大气变暖有重要影响，使寻找高效、绿色环保制冷工质成为当前国际社会共同关注的问题，自然工质CO₂作为传统工质的替代物重新兴起。自然环保工质CO₂因其具有无毒、不可燃、廉价、易得且对环境没有危害（温室效应潜能值 GWP=1、臭氧耗损潜能 ODP=0）的特性而倍受青睐。同时作为新一代空调和热泵核心部件——CO₂压缩机的需求量快速增长，且对压缩CO₂气体的质量要求进一步提高。如何获得含油量低、洁净的高品质压缩CO₂气体,此时与CO₂压缩机配套的油气分离器就显得尤为重要。

冷冻油被誉为压缩机的“血液”，能对压缩机的运转起到以下作用：在摩擦副之间形成一种保护膜，避免金属与金属之间直接接触，从而缓解了摩擦力作用，节约能耗，延长压缩机的寿命，提高经济效益；随时将摩擦热排出机外；防泄漏、防尘、防串气；抗腐蚀防锈，保护摩擦表面不受油变质或外来侵蚀；清净冲洗，把摩擦面积垢清洗排除等。 

在压缩机气缸高温的作用下，冷冻油以雾状形式与高压气体混合并一起以高流速经压缩机排气口排出。为了避免压缩机冷冻油的浪费，影响换热器的换热效率，提高压缩气体的品质，所以在压缩机排气口后设油气分离装置。

按分离机理的不同，压缩机通常采用两种油气分离方法。一种称为旋风分离法，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1μm的油滴，可采用旋风分离法可有效地分离出来。另一种称为亲和聚结法，通过特殊材料制成的元件，使直径在1μm以下的油滴先聚结为直径较大的油滴，然后再分离出来。

旋风分离法是在油气分离器中设置旋风通道，当含油气体进入油气分离器后，首先通过旋风通道，密度大于气体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。旋风分离法的压力损失小、设备结构简单，但对于直径在1μm以下的油滴分离效率低。

亲和聚结法主要由过滤和聚结两个过程组成。这种分离方法所采用的元件，实际上是一种多孔过滤材料，当含油气体进入过滤元件之前，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和大小的改变，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。亲和聚结法对于直径在1μm 以下的油滴分离效率高，但是当压缩气体中的固体粒子经过过滤材料时滞留在过滤层中，导致了过滤材料压差（阻力）不断增加。随着过滤材料使用时间增长，当过滤材料压差达到0.08到0.1Mpa时，过滤材料必须更换，否则增加压缩机运行成本。

目前的CO₂冷媒系统中往往是直接把传统冷媒的油气分离器借用过来，由于CO₂的特性与传统冷媒差异较大，且CO₂冷媒与其冷冻油的相溶情况与传统冷媒的情况也明显不同，所以一般在压缩机的排气口设备设置滤芯进行油气分离，存在分离效率低、压损大、滤料需经常更换等问题，使系统运行费用高，经济性降低、维护操作复杂。所以，设计专门针对CO₂压缩机的油气分离器亟待开发。

发明内容

本发明提供一种油气分离器，能够克服上面提到的不足，通过气态冷媒在油分离器桶体中反复的冲撞流动，多次分离使得排出冷媒的含油量明显降低。特别的，本发明提供一种用于CO₂压缩机出口处，超临界状态下CO₂与冷冻油分离，进一步的目的在于在较小压力损失，减少滤芯更换的前提下实现压缩机CO₂气体与冷冻油的高效分离，使气体中含油量降到1ppm以下。

具体提供一种油气分离器，包括油气分离器桶体，及设置在桶体上通入含油气体的进气管、排气管和出油管，其中，所述的分离器桶体内腔包括上下连通设置的筒形腔体和锥形腔体，所述的排气管连通筒形腔体的顶部，所述的出油管连通锥形腔体的底部；在筒形腔体的上部设置有形成气体折返流道的折流装置。

所述的进气管为至少一个，该进气管水平切向安装于圆筒体上，且设置在筒形腔体靠近折流装置。

所述的锥形腔体的内表面设置有内螺纹，螺纹的旋转方向与进气管的进气方向一致。

所述的排气管上套接有滤芯，该滤芯为双层结构,其中第一层为细微粒层,由具有一定厚度和孔隙的硼硅酸盐玻璃纤维制成，第二层由聚酯合成纤维制成。

所述的进气管切向安装于圆筒体的折流装置和锥形腔体之间，且进气管向下有大于零度小于30度夹角。

所述的气体依此通过所述的第一折流部与第二折流部，所述的第一折流部的流通孔在第二折流部的投影处是封闭的；且所述的第二折流部的流通孔在第一折流部的投影处是封闭的。

所述的第一折流部为中部设置有流通孔，四周为与内腔壁贴合的盘状物；所述的第二折流部为中部封闭，四周设置有多个与内腔壁形成通孔的盘状物。

所述的第一折流部11为向下凸出的漏斗型，而与其对应设置的第二折流部12为向上凸出的帽型，这样在上下两个折流部之间形成了中间厚，两边略薄的空腔。

所述的出油管5与锥形腔体7之间还设置有油杯15。

另一方面，本发明还提供一种用于超临界CO₂的油分离器，所述的CO₂的压力或者温度的范围，或者某个参数，可以使其有更好的效果的。所述的油分离器采用了如上所述的结构。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：提供一种CO₂压缩机旋流油气分离器，该装置包括进气管、圆筒体、锥体、折流板、出油管、油杯、滤芯和排气管，其主要特征在于：进气管切向布置于距圆筒体下端1/3～1/2圆筒体长度的位置上，并且为了避免气流在入口处形成乱流，进气管深入圆筒体内部，在进气管和排气管之间的圆筒体内相间布置了两组锥形漏斗折流板和边缘开孔的弧形帽状折流板，在圆筒体上端中心处设有排气管，在排气管进气口设有滤芯，在圆筒体下端设有锥体，在锥体的内表壁加工间距合理的旋转内螺纹，在锥体下端设有油杯，油杯底部采用锥形，便于冷冻油回流。

本发明的技术原理是：首先采用旋风分离法对CO₂含油气体进行粗分离，然后采用亲和聚结法进行精分离。旋风分离法是利用气体和油滴密度不同，在离心力作用下密度不同的气体和油滴沿锥体半径分布呈现不同的规律，从而实现分离。CO₂气体的密度随着温度变化而变化，温度越高密度越小，冷冻油的密度随着温度的升高基本不变，且压力越高，这种规律越明显。在0℃附近，CO₂气体与冷冻油的密度接近，在高于0℃时，CO₂的密度小于冷冻油的密度，且温度越高两者之间密度差越大。经过压缩机绝热压缩的CO₂气体温度、压力均很高，与冷冻油的密度差很大。当CO₂含油气体由进气管进入油气分离器时，CO₂气流由直线运动变为圆周运动，旋转的含油CO₂气流沿器壁自圆筒体呈螺旋形向下，朝锥体运动，此时称为外旋流。含油CO₂气体在旋转过程中产生离心力，将密度大于CO₂气体的油滴甩向器壁。由于油滴的粘性较大而弹性较小，故一旦与器壁接触便失去惯性力，粘附在器壁表面，顺着旋转内螺纹流下。旋转下降的外旋流CO₂气流在到达锥体时，因圆锥形的收缩而向中心靠拢，其切向速度不断提高。当CO₂气流到达锥体的下端某一位置时，即以同样的旋转方向从锥体中心由下向上继续做螺旋运动，即形成内旋流。内旋流CO₂气流向上运动由锥体进入圆筒体后，首先通过锥形漏斗折流板的中心孔进入下一级折流板，然后由边缘开孔弧形帽状折流板的边缘进入下一级折流板，以此类推，与相间布置锥形漏斗折流板和边缘开孔的弧形帽状折流板不断碰撞且改变方向，由于油滴的惯性大于CO₂气体，所以其运动轨迹与CO₂气体轨迹不同，从而使其与CO₂气体分离。经过旋风分离，其中约99.7%的冷冻油会被分离出来，由于在折流装置间的流动速度变化很快，经过多次折流约99.93%的冷冻油会被分离出来，此时未分离的油滴直径多在1μm 以下。在油气分离器的排气管入口，设置有多孔材料滤芯， 从而使排出气体中含油量降到1ppm以下。

由于本发明以CO₂压缩气体的压力作为驱动力，故无需其他操控措施，操作简单；采用旋风分离法、折返分离与亲和聚结法多层次分离，提高分离效率，提高亲和聚结寿命，共同实现油气高效分离。

附图说明

图1 为本发明实施例一的油气分离器结构示意图；

图2 为本发明实施例一的油气分离器A-A剖面的剖视图；

图3 为本发明实施例二油气分离器的进气管处仰视图；

图4 为本发明实施例二的油气分离器B-B剖面的剖视图；

图5 为本发明一种实施例的第一折流部的俯视图；

图6 为本发明一种实施例的第二折流部的俯视图。

具体实施方式

实施例一

根据图1和图2所示，油气分离器1包括油气分离器桶体2，及设置在桶体2上通入含油气体的进气管3、排气管4和出油管5，其中分离器桶体2内腔包括上下连通设置的筒形腔体6和锥形腔体7，排气管4连通筒形腔体6的顶部，出油管5连通锥形腔体7的底部；在筒形腔体6内设置有形成气体折返流道的折流装置8。含有冷冻油的冷媒经过进气管3流入桶体2内，经由与内壁的接触，以及与折流装置的接触和冲撞，利用离心作用实现冷冻油从冷媒中分离出来。分离出来的冷冻油不断凝聚，沿锥形腔体7的内壁面逐渐流到出油管5中，实现油气的分离。

其中含油气体从进气管3通入到桶体中的筒形腔体6中，在本实施例中，如图1和图2所示，有一根进气管3水平切向安装于圆筒体上，以罐体上俯视桶体的视角看，含油气体沿罐体内壁流动的方向是逆时针方向，含油气体沿罐体的内壁面高速运动，由进气管3流入的含油冷媒气体在离心力的作用下，密度相对冷媒气体大的油滴被甩到壁上，由于冷冻油的粘度较大,使得密度较大的油滴会附着并聚集在内壁面上。结合图2，锥形腔体7为上部空腔大，下部空腔小的锥形，在锥形腔体7的内表面存在螺旋形的内螺纹9，该内螺纹9为连续的螺旋，沿含油气体流动的方向旋转的同时，也向下延伸而半径逐渐变小。当含油气体高速沿壁面旋转时，螺旋形的内螺纹9一方面会增加含油气体与壁面的接触面积，另一方面内螺纹9会有导流作用，引导含油气体逐步转动到锥形腔体的下端，增加含油气体与锥形腔体内壁面的接触面积。同时，含油气体会促进凝聚的冷冻油向下流动，利用压缩机冷冻油粘性较大而弹性较小这一特点实现已分离的压缩机冷冻油快速流入出油管5。经过旋风分离，其中约99.7%的冷冻油会被分离出来，是主要处理油份的手段，通过设置在下部的锥形腔体的搜集，易于汇集到下部的出油口。

如图2所示，筒形腔体6内还在折流装置8，结合图2，进气管3设置在锥形腔体7与折流装置8之间，在本实施例中，折流装置8有两组，也可以是多组，具体根据冷媒气体的流量和对油分离效率的要求进行设计。折流装置8包括成对设置的第一折流部11和第二折流部12，当冷媒气流到达锥形腔体7的下端某一位置时，形成向上的内旋流，内旋流冷媒气体进入筒形腔体6后，会通过第一折流部的气流通道，并发生折流才能起到分离冷冻油的效果，所以为了避免经过折流部的空气短路地通过第二折流部的气流通道，在结构设置上，第一折流部的流通孔在第二折流部的投影处是封闭的；且所述的第二折流部的流通孔在第一折流部的投影处是封闭的。具体到本实施例中，如图5和图6所示，分别为第一折流部11和第二折流部的俯视图，第一折流部11为中部设置有流通孔13，四周为与内腔壁贴合的盘状物；第二折流部12为中部封闭，四周设置有多个凹孔部14与内腔壁形成通孔的盘状物。当第一折流部11设置在气流通道的前部时，筒形腔体6中流动的冷媒气体先经过第一折流部11中部设置的流通孔13向上流动，向上的气流冲击到第二折流部12中部的封闭面，向四周流动，并从第二折流部12四周设置的多个凹孔部14与内腔壁形成通孔向上流动。而从筒形腔体6四周流出的冷媒气体又因为下一层的第一折流部11四周为与内腔壁贴合，而无法继续向上流动，不得不折返回第一折流部11中部设置的流通孔13向上流动，如此循环流动，气流在第一折流部11、第二折流部12和内壁面上进行反复的转向和冲撞，有利于冷冻油从冷媒气流中分离出来。

进一步的，结合图2所示，高速通过第一折流部11中部的流通孔13的冷媒气体冲撞在第二折流部12底面，由于流通道变大，而流速降低，向四周流动是流通道变窄在折返入凹孔部14与内腔壁形成的通孔时，流速又明显提高，从而增加了冲撞的效果，使得冷冻油易于从冷媒气流中分离出来。

为了避免较多的冷冻油滴被吸附在滤芯10，从而提高滤芯10的流动阻力，通过螺旋形的内螺纹9和折流装置8两级分离，使得尽量多的冷冻油被分离，通过出油管排出。由于经过折流装置可以设置多个层次，所以可以根据需要进行设计和设置，通过高速气流在折流通道中的折返冲撞，经过折流装置后，其中约99.8—99.95%的冷冻油会被分离出来，是主要进行进一步分离的手段，使尽量多的油份被分离，延长过滤芯10的工作寿命。在本实施例中，对于该工况下的CO₂气体，可以实现99.91%的高效分离。

如图2所示，筒形腔体6上部中心设有排气管4，排气管4上套接有滤芯10所述滤芯10为双层结构（图中未示出）,第一层为细微粒层,由具有一定厚度和孔隙的硼硅酸盐玻璃纤维制成，第二层由聚酯合成纤维制成。通过双层过滤，可以把已经处理过的含油气体进一步分离，对冷媒气流进行精分离，将直径小于1μm 的油滴分离出来，使冷媒气体的含油量降到1ppm以下。

具体的，本实施例中的油气分离器是用于CO₂冷媒的压缩-蒸发循环系统，设置在压缩机的出口，由于冷冻油可以很好的溶于CO₂，并且可以充分的和CO₂气体混合，所以从CO₂气体中分离出冷冻油微粒的难度很大。特别是，本发明中的油气分离器应用于压缩机高压排气之后，这时的CO₂气体处于超临界状态，处于该状态的CO₂气体密度要远远大于传统冷媒在该工况下的密度，以R22为例，其该工况下的冷媒气体密度为66.9837 kg/m³，还不到该工况下CO₂气体密度的45%，所以CO₂气体中分离出冷冻油的难度要远远大于传统冷媒的油气分离器。在经过螺旋旋转流分离，折流装置的折返流分离，以及双层滤芯精分离后，将直径小于1μm 的油滴分离出来，使冷媒气体的含油量降到1ppm以下，并且，由于前两步的高效分离，使得双层滤芯精分离可以长时间使用。

第二实施例

如图3和图4所示为本发明的第二实施例，与第一实施例不同之处在于，本实施例采用对称设置的两个进气管3，且两个进气管3的进气方向相同，都是使得气体沿逆时针方向水平切向进入到筒形腔体6。图3为油气分离器的进气管处仰视图，结合图3中B-B出的剖视图图4，可以看到进气管3的位置靠近第一折流部11的下部，而第一折流部11的四周与筒体内壁贴合密封，所以从进气管进入的冷媒气体会沿内壁面向下侧流动，易于形成沿壁面向下流动，且在筒形腔体6和锥形腔体7中心形成向上的内旋流，这样会形成稳定的流动形态。

在出油管5与锥形腔体7之间还设置有油杯15，该油杯15用于累积从锥形腔体7内壁汇流下来的冷冻油，并把冷冻油从出油管5排出。

实施例三

第三实施例与第一实施例不同之处在于，本实施例采用较长的筒形腔体6，进气口朝向下有一定的倾斜角度，该角度与水平面的夹角为28度，通过设置一定的角度，可以使冷媒气体有较大的向下的流动趋势，提高油气分离的效率。当该角度的范围在大于0度，小于30度范围内都能取得较好的分离效果。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明具体实施只局限于上述这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种油气分离器，包括油气分离器桶体，及设置在桶体上通入含油气体的进气管、排气管和出油管，其特征在于：所述的分离器桶体内腔包括上下连通设置的筒形腔体和锥形腔体，所述的排气管连通筒形腔体的顶部，所述的出油管连通锥形腔体的底部；在筒形腔体的上部设置有形成气体折返流道的折流装置。

2.根据权利要求1所述的油气分离器，所述的进气管为至少一个，该进气管水平切向安装于圆筒体上，且设置在筒形腔体靠近折流装置。

3.根据权利要求1所述的油气分离器，所述的锥形腔体的内表面设置有内螺纹，螺纹的旋转方向与进气管的进气方向一致。

4.根据权利要求1所述的油气分离器，所述的排气管上套接有滤芯，该滤芯为双层结构,其中第一层为细微粒层,由具有一定厚度和孔隙的硼硅酸盐玻璃纤维制成，第二层由聚酯合成纤维制成。

5.根据权利要求1所述的油气分离器，所述的进气管切向安装于圆筒体的折流装置和锥形腔体之间，且进气管向下有大于零度小于30度夹角。

6.根据权利要求1-5中任一项所述的油气分离器，所述的气体依此通过所述的第一折流部与第二折流部，所述的第一折流部的流通孔在第二折流部的投影处是封闭的；且所述的第二折流部的流通孔在第一折流部的投影处是封闭的。

7.根据权利要求6所述的油气分离器，所述的第一折流部为中部设置有流通孔，四周为与内腔壁贴合的盘状物；所述的第二折流部为中部封闭，四周设置有多个与内腔壁形成通孔的盘状物。

8.根据权利要求7所述的油气分离器，所述的第一折流部为向下凸出的漏斗型，而与其对应设置的第二折流部为向上凸出的帽型，这样在上下两个折流部之间形成了中间厚，两边略薄的空腔。

9.根据权利要求7所述的油气分离器，所述的出油管与锥形腔体之间还设置有油杯。

10.一种用于超临界CO₂的油分离器，其特征在于，所述的油分离器采用如权利要求1至9中任一项所述的结构。