CN109909078B - 一种旋风式油气分离器筒体尺寸的设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及离心分离设备领域，具体涉及一种旋风式油气分离器筒体尺寸的设计方法，本发明推导出了切向速度和筒体直径之间的关系，通过选取合适的筒体直径使得外旋涡的平均切向速度大于临界切向速度，以此确定筒体直径，并根据筒体直径和有效分离高度之间的关系确定有效分离高度。然后采用CFD数值模拟得到旋风分离器的流场分布和油滴颗粒的运动轨迹，对理论计算进行一定的修正，最终确定合适的筒体尺寸。目前，旋风式油气分离器的尺寸设计基本依赖实际工程经验，缺乏理论的指导，没有系统的设计方法。本发明提出了适合于旋风式油气分离器的设计方法，可以根据具体的油滴粒径分离要求而设计相应的尺寸。

Description

一种旋风式油气分离器筒体尺寸的设计方法

技术领域

本发明涉及离心分离设备领域，具体涉及一种旋风式油气分离器筒体尺寸的设计方法。

背景技术

旋风式油气分离器是气液分离设备的一种，由于其体积小、结构简单、分离效率高等优点，是高效油气分离设备发展的重要分支，目前在喷油压缩机系统中广泛采用。压缩机排气携带油滴切向进入油气分离器，大部分油滴颗粒在离心力作用下被甩到油气分离器筒体壁面实现一次分离，未分离的微小油滴通过滤芯进行二次过滤分离。

关于旋风式油气分离器的设计，筒锥形分离器的设计已有许多标准模型，但是对于特殊用途的旋风分离器，如直筒形旋风式油气分离器，这些标准模型是不适用的。目前，旋风式油气分离器的尺寸设计基本依赖实际工程经验，缺乏理论的指导，没有系统的设计方法。更复杂的是对压缩机系统的节能要求日益提高，变工况调节时需要旋风式油气分离器的一次分离效率能在流量调节范围内均满足要求，就更凸显出理论设计依据的重要性。

发明内容

为解决现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提出一种旋风式油气分离器筒体尺寸的设计方法，以实现对旋风式油气分离器设计的理论指导，根据油滴粒径分离要求设计出合适的筒体尺寸。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种旋风式油气分离器筒体尺寸的设计方法，包括如下步骤：

S1：根据停留时间分离原理计算外旋涡的平均切向速度和分离预定临界粒径颗粒所需的最小切向速度；根据所述平均切向速度和最小切向速度确定旋风式油气分离器筒体的直径；根据直径确定旋风式油气分离器筒体的有效分离高度；

S2：对S1得到的旋风式油气分离器筒体的直径以及有效分离高度进行修正，得到最终的旋风式油气分离器筒体的直径以及有效分离高度。

S1中，根据下式确定的平均切向速度v_ta和分离预定临界粒径颗粒所需的最小切向速度v_tc之间的关系确定旋风式油气分离器筒体直径D：

根据该式作出外旋涡气体的平均切向速度v_ta与最小切向速度v_tc随直径D的变化曲线，根据该变化曲线确定旋风式油气分离器筒体直径D，然后根据旋风式油气分离器筒体直径D确定旋风式油气分离器筒体的有效分离高度。

S1中，外旋涡气体的平均切向速度v_ta满足下式：

式中，v_in为旋风式油气分离器入口速度，单位为m·s^-1；L为外旋涡径向长度，单位为m；n为切向速度指数，

T为气体温度，单位为K；T₀为室温，单位为K。

S1中，旋风式油气分离器筒体的有效分离高度H^*满足下式：

H^*＝N_s×πD tanα

式中，α为螺旋角角度；N_s为转圈数，D为旋风式油气分离器筒体直径。

S1中，

S2中，通过CFD数值模拟理论对S1得到的旋风式油气分离器筒体的直径以及有效分离高度进行修正。

S2的具体过程如下：

通过对旋风式油气分离器内两相流动的数值模拟得到旋风式油气分离器内的流场分布和油滴运动轨迹；

通过模拟不同直径的旋风式油气分离器的流场，得到外旋涡的平均切向速度v_ta随旋风式油气分离器筒体直径D的变化关系；

根据模拟油滴颗粒的运动轨迹判断有效分离高度H^*的大小是否合适，根据大小合适的有效分离高度H^*，得到修正后的最小切向速度v_tc随直径D的变化关系；

经过数值模拟后得到了修正的平均切向速度v_ta与最小切向速度v_tc随直径D的变化曲线，根据该变化曲线选择合适的旋风式油气分离器筒体的直径和有效分离高度。

根据模拟油滴颗粒的运动轨迹判断有效分离高度H^*的大小是否合适的过程为：

在模拟油滴颗粒的运动轨迹中，根据油滴在旋风式油气分离器筒体内的运动高度及是否从旋风式油气分离器的气体出口逃逸判断有效分离高度是否合适

如果油滴从旋风式油气分离器气体出口逃逸的情况，则表明有效分离高度过小；

如果所有的油滴到达旋风式油气分离器底部后刚好完全分离，则有效分离高度合适；

如果油滴在旋风式油气分离器底部之上就已完全分离，则表明有效分离高度过高。

还包括S3，根据S2得到的旋风式油气分离器筒体的有效分离高度H^*确定旋风式油气分离器筒体的高度H，旋风式油气分离器筒体的高度H等于有效分离高度H^*、顶部高度H_t和储油高度H_o之和。

本发明具有如下有益效果：

本发明旋风式油气分离器筒体尺寸的设计方法根据停留时间分离原理计算外旋涡的平均切向速度和分离预定临界粒径颗粒所需的最小切向速度；根据所述平均切向速度和最小切向速度确定旋风式油气分离器筒体的直径；根据直径确定旋风式油气分离器筒体的有效分离高度；再对得到的旋风式油气分离器筒体的直径以及有效分离高度进行修正，得到最终的旋风式油气分离器筒体的直径以及有效分离高度；综上，本发明结合了颗粒分离理论与数值模拟方法进行尺寸设计，科学性强，在理论计算的基础上，对理论计算的结果进行修正，最终设计出符合分离要求的筒体尺寸。本发明的设计方法能够根据不同的油滴粒径分离要求而确定不同的尺寸，设计准确可靠，能够适用于不同的工业场合，同时该设计方法是不仅适用于直筒形旋风分离器，也适用于筒锥形旋风分离器。该设计方法弥补了旋风式油气分离器设计方法的空白，对于指导旋风分离器的设计具有重要的实际应用价值。

附图说明

图1是旋风式油气分离器结构示意图；

图2是本发明实施例中外旋涡的平均切向速度v_ta与临界切向速度v_tc随直径D的变化曲线图；

图3是本发明实施例中容积流量变化时平均切向速度v_ta与临界切向速度v_tc随直径D的变化曲线图；

图4是本发明实施例中数值模拟使用的分离器结构示意图；

图5是本发明实施例中数值模拟得到的外旋涡截面图；

图6是本发明实施例中数值模拟得到的油滴颗粒运动轨迹图，其中图6(a)为模拟的旋风分离器有效分离高度为300mm(1D)时的油滴颗粒运动轨迹图，图6(b)为模拟的旋风分离器有效分离高度为450mm(1.5D)时的油滴颗粒运动轨迹图，图6(c)为模拟的旋风分离器有效分离高度为600mm(2D)时的油滴颗粒运动轨迹图；

图7是本发明实施例中修正后的关系曲线图；

图8是本发明实施例中数值模拟得到的不同容积流量工况下5μm颗粒运动轨迹，其中，图8(a)为容积流量为100％时的工况下5μm颗粒运动轨迹；图8(b)为容积流量为75％时的工况下5μm颗粒运动轨迹；图8(c)为容积流量为50％时的工况下5μm颗粒运动轨迹。

图中，1-进口，2-出口，3-油，4-排油口。

具体实施方式

下面结合附图和实施例来详细说明本发明的实施方式，借此来说明实际工业现场中如何应用本发明的方法。

本发明提出的旋风式油气分离器筒体尺寸的设计方法，筒体尺寸主要包括筒体的直径D和有效分离高度H^*，本发明的设计方法是根据停留时间分离原理推导出筒体尺寸的理论计算模型，根据理论计算模型计算出外旋涡的平均切向速度和分离一定临界粒径颗粒所需的最小切向速度，最小切向速度即临界切向速度，根据平均切向速度和临界切向速度之间的关系确定筒体直径，根据筒体的直径确定筒体的有效分离高度；然后采用CFD数值模拟得到旋风分离器的流场分布和油滴颗粒的运动轨迹，利用流场分布和油滴颗粒的运动轨迹对理论计算的外旋涡的平均切向速度和有效分离高度进行修正，最终确定合适的筒体尺寸。具体步骤如下：

步骤一：根据理论计算模型得到外旋涡的平均切向速度和分离一定临界粒径颗粒所需的最小切向速度的理论计算值，具体如下：

(a)临界粒径的计算

停留时间分离原理：当颗粒径向运动时间小于轴向运动时间时，认为颗粒会被分离，把颗粒到达分离器底部之前径向运动的距离等于整个进口宽度的最小颗粒粒径作为临界粒径，推导得到临界粒径的计算公式如下：

式中，d_c为临界粒径，单位为m；μ_g为气体的动力粘度，单位为Pa·s；q_d为进入分离器的气体流量，即压缩机排气量，单位为m³·s^-1；ρ_p为油滴颗粒的密度，单位为kg·m^-3；ρ_g为气体的密度，单位为kg·m^-3；v_ta为外旋涡气体的平均切向速度，单位为m·s^-1；H^*为有效分离高度，单位为m。

利用式(1)推导得到式(2)：

式(2)说明：要分离一定的临界粒径，外旋涡的平均切向速度需要大于一定值，该值是分离该临界粒径颗粒所需的最小切向速度，称为临界切向速度。

(b)平均切向速度的计算

在旋风式油气分离器中切向速度随半径的变化如下：

v_t·rⁿ＝C (3)

式中，C为常数；n为切向速度指数：

式中，T为气体温度，单位为K；T₀为室温，单位为K。

外旋涡切向速度近似是线性关系，得到平均切向速度的计算公式如下：

式中，v_in为入口速度，单位为m·s^-1；L为外旋涡径向长度，单位为m。

(c)临界切向速度的计算

临界切向速度v_tc的计算由式(2)得到，即：

旋风式分离器中外旋涡是螺旋运动，有效分离高度H^*与筒体直径D之间有螺旋三角形的关系，即：

H^*＝N_s×πD tanα (7)

式中，α为螺旋角角度；N_s为转圈数：

(d)设计方法

由式(2)可知，要分离一定临界粒径d_c的油滴，外旋涡的平均切向速度v_ta需要大于临界切向速度v_tc。另外由式(5)确定了平均切向速度v_ta是筒体直径D的函数，由式(6)确定了临界切向速度v_tc是临界粒径d_c与筒体直径D的函数。因此，由式(2)、式(5)和式(6)确定了：

v_ta(D)≥v_tc(D,d_c) (9)

式(9)表示通过平均切向速度和临界切向速度将临界粒径d_c与筒体直径D联系起来。根据式(9)作出平均切向速度v_ta与临界切向速度v_tc随筒体直径D的变化曲线，选择合适的筒体直径D满足上式即可确定筒体的直径，然后根据式(7)表示的高度与直径之间的几何关系来确定高度。

步骤二：通过CFD数值模拟对理论计算的外旋涡的平均切向速度和有效分离高度进行修正，具体如下：

理论计算的平均切向速度v_ta和有效分离高度H^*与实际情况一般会存在偏差，因此需要对其进行修正。方法是使用CFD数值模拟得到旋风分离器内的流场分布和油滴运动轨迹；

通过模拟不同直径的旋风分离器的流场，得到外旋涡的平均切向速度v_ta，通过模拟油滴颗粒的运动轨迹修正有效分离高度H^*，然后根据得到的旋风式油气分离器筒体的有效分离高度H^*确定旋风式油气分离器筒体的高度H，旋风式油气分离器筒体的高度H等于有效分离高度H^*、顶部高度H_t和储油高度H_o之和。

经过数值模拟的修正后重新作出平均切向速度v_ta与临界切向速度v_tc随直径D的变化曲线，根据油滴粒径的分离要求确定合适的筒体尺寸。

最后通过CFD数值模拟检验设计的分离器的性能：根据分离器中油滴颗粒的运动轨迹，来检验是否可以分离一定粒径的油滴。

实施例

本实施例的额定工况为容积流量6m³·min^-1、排气压力0.8MPa(A)的喷油空气压缩机系统，并且根据实际工业应用要求，该喷油空气压缩机系统的容积流量会在50％-100％范围内调节。要求设计适合于此压缩机系统的旋风式油气分离的筒体尺寸，其可以分离10μm以上的油滴颗粒。

1.初步理论计算

1)确定入口速度v_in

由克拉贝隆状态方程计算出压缩机排气量q_d为0.0153m³·s^-1，进口管内径D_in确定为41mm，由q_d和D_in得到入口速度v_in为11.6m·s^-1。

2)确定平均切向速度v_ta

计算切向速度指数：

n＝0.7159D^0.14-0.07 (10)

认为外旋涡的径向长度L等于进口管内径D_in，能够得到外旋涡的平均切向速度v_ta：

3)确定临界切向速度v_tc

由式(8)得到转圈数3.3圈，取螺旋角α为15°，由式(7)得到有效分离高度H^*与直径D之间的关系式：

H^*＝2.8D (12)

由式(6)和(12)得到临界切向速度v_tc：

4)确定平均切向速度v_ta与临界切向速度v_tc关系图

根据式(11)和式(13)，得到平均切向速度v_ta与临界切向速度v_tc随筒直径D的变化曲线，如图2所示，通过选取合适的直径D要使得v_ta大于v_tc，例如对于临界粒径是10μm的粒径分离要求，不同的直径D都会满足v_ta大于v_tc，因此对D的选取没有限制；然而对于临界粒径是3μm的分离要求，直径D需要大于280mm才满足v_ta大于v_tc。因此，通过两个速度随直径的变化关系即可确定需要的筒体直径。

5)变工况分析

当压缩机的容积流量变化时，排气量即进入旋风分离器的流量q_d改变，入口速度v_in改变，转圈数N_s改变，使得H^*和D之间的关系改变，最终使平均切向速度v_ta与临界切向速度v_tc改变，如图3所示。当D为300mm时，额定流量下可以分离的油滴粒径是3μm，但当流量下降到50％以后，只能分离5μm以上的颗粒。因此在设计分离器时应该考虑流量变化的影响。

2.CFD数值模拟

使用CFD数值模拟得到旋风分离器内的流场分布和油滴运动轨迹来对理论计算进行修正，关于模拟模型的处理：网格的划分对计算结果的准确性有很大的影响，六面体网格可以保证高阶离散格式的计算精度，而为了很好的生成六面体网格，将实际的入口圆管改变为方管，并保证两者的截面积和径向距离一致，图4表示的是模拟的旋风分离器的模型。

1)修正平均切向速度v_ta

通过数值模拟得到不同直径的旋风分离器的流场分布。为了得到外旋涡的平均切向速度v_ta，以轴向速度小于零作为条件，在三个不同的轴向高度截面上作出外旋涡的截面，即得到外旋涡的流域，如图5所示。并对三个截面的质量加权平均切向速度取平均值，即可得到外旋涡的平均切向速度，如表1所示，表1为不同直径的旋风分离器的外旋涡平均切向速度。

表1

2)修正有效分离高度H^*

使用DPM模型模拟油滴颗粒的运动轨迹，模拟的旋风分离器的直径D＝300mm，H^*分别是1D、1.5D和2D，从入口表面的每个节点处射入1个代表性粒子，查看1μm的油滴粒径颗粒的运动轨迹，如图6(a)～图6(c)所示，其中等值线表示颗粒的停留时间。如图6(a)，当H^*＝1D时，颗粒会逃逸，表明有效分离高度过小，不能满足需求；如图6(b)，当H^*＝1.5D时，分离器的有效分离高度是合适的；如图6(c)，当H^*＝2D时，分离器的有效分离高度过大。因此，而要满足分离1μm以上的颗粒，1.5倍直径的有效高度H^*是足够的，并不需要理论计算出的H^*＝2.8D。

3)确定筒体尺寸

根据平均切向速度v_ta和有效分离高度H^*的修正结果，将图3表示的容积流量变化时平均切向速度v_ta与临界切向速度v_tc随直径D的变化曲线重新绘制，得到修正后的关系曲线，如图7所示，由图7能够确定对于10μm的分离要求，筒体直径选择250mm。

确定分离器的高度H：由H^*＝1.5D得到H^*为375mm；设置的储油量为5L，储油高度H_o算得为100mm；顶部高度H_t主要为入口管道的高度，定为50mm。内筒的直径和高度定为150mm和100mm。

本实施例所设计的分离器的几何尺寸如表3所示，表3为本实施例设计的分离器的几何尺寸，除筒体直径和高度外，其他尺寸是管路系统的实际尺寸。

表3

4)验证设计的分离器性能

使用CFD中的离散相模型追踪颗粒的运动轨迹，如图8(a)～图8(c)为不同容积流量下5μm油滴颗粒的运动轨迹，结果表明，本实施例所设计的旋风式油气分离器可以实现分离5μm以上油滴颗粒的要求，因此完全符合所要求的分离目标。

Claims (6)

1.一种旋风式油气分离器筒体尺寸的设计方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1：根据停留时间分离原理计算外旋涡的平均切向速度和分离预定临界粒径颗粒所需的最小切向速度；根据所述平均切向速度和最小切向速度确定旋风式油气分离器筒体的直径；根据旋风式油气分离器筒体的直径确定有效分离高度；

S2：对S1得到的旋风式油气分离器筒体的直径以及有效分离高度进行修正，得到最终的旋风式油气分离器筒体的直径以及有效分离高度；

S1中，根据下式确定的平均切向速度v_ta和分离预定临界粒径颗粒所需的最小切向速度v_tc之间的关系确定旋风式油气分离器筒体直径D：

式中，d_c为临界粒径，单位为m；μ_g为气体的动力粘度，单位为Pa·s；q_d为进入分离器的气体流量，单位为m³·s^-1；ρ_p为油滴颗粒的密度，单位为kg·m^-3；ρ_g为气体的密度，单位为kg·m^-3；v_ta和v_tc的单位为m·s^-1；H^*为有效分离高度，单位为m；

根据该式作出外旋涡气体的平均切向速度v_ta与最小切向速度v_tc随直径D的变化曲线，根据该变化曲线确定旋风式油气分离器筒体直径D，然后根据旋风式油气分离器筒体直径D确定旋风式油气分离器筒体的有效分离高度H^*；

S1中，外旋涡气体的平均切向速度v_ta满足下式：

式中，v_in为旋风式油气分离器入口速度，单位为m·s^-1；L为外旋涡径向长度，单位为m；n为切向速度指数，

T为气体温度，单位为K；T₀为室温，单位为K。

2.根据权利要求1所述的一种旋风式油气分离器筒体尺寸的设计方法，其特征在于，S1中，旋风式油气分离器筒体的有效分离高度H^*满足下式：

H^*＝N_s×πD tanα

式中，α为螺旋角角度；N_s为转圈数，D为旋风式油气分离器筒体直径。

3.根据权利要求1所述的一种旋风式油气分离器筒体尺寸的设计方法，其特征在于，S2中，通过CFD数值模拟理论对S1得到的旋风式油气分离器筒体的直径以及有效分离高度进行修正。

4.根据权利要求3所述的一种旋风式油气分离器筒体尺寸的设计方法，其特征在于，S2的具体过程如下：

通过对旋风式油气分离器内两相流动的数值模拟得到旋风式油气分离器内的流场分布和油滴运动轨迹；

通过模拟不同直径的旋风式油气分离器的流场，得到外旋涡的平均切向速度v_ta随旋风式油气分离器筒体直径D的变化关系；

根据模拟油滴颗粒的运动轨迹判断有效分离高度H^*的大小是否合适，根据大小合适的有效分离高度H^*，得到修正后的最小切向速度v_tc随直径D的变化关系；

经过数值模拟后得到修正的平均切向速度v_ta与最小切向速度v_tc随直径D的变化曲线，根据该变化曲线选择合适的旋风式油气分离器筒体的直径和有效分离高度。

5.根据权利要求4所述的一种旋风式油气分离器筒体尺寸的设计方法，其特征在于，根据模拟油滴颗粒的运动轨迹判断有效分离高度H^*的大小是否合适的过程为：

在模拟油滴颗粒的运动轨迹中，根据油滴在旋风式油气分离器筒体内的运动高度及是否从旋风式油气分离器的气体出口逃逸判断有效分离高度是否合适：

如果存在油滴从旋风式油气分离器气体出口逃逸的情况，则表明有效分离高度过小；

如果所有的油滴到达旋风式油气分离器底部后刚好完全分离，则有效分离高度合适；

如果油滴在旋风式油气分离器底部之上就已完全分离，则表明有效分离高度过高。

6.根据权利要求1所述的一种旋风式油气分离器筒体尺寸的设计方法，其特征在于，还包括S3，利用S2得到的旋风式油气分离器筒体的有效分离高度H^*确定旋风式油气分离器筒体的高度H，旋风式油气分离器筒体的高度H等于有效分离高度H^*、顶部高度H_t和储油高度H_o之和。

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