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单螺杆压缩机喷油雾化的理论分析和实验研究

发布日期:2015-04-06 来源: 中国压缩机网 查看次数: 543 作者:
核心提示:  压缩腔中喷入润滑油或其它液体。一方面,喷入的润滑油减少了气体的泄漏量,降低了排气温度另一方面,润滑油的存在增加了粘性
    
  压缩腔中喷入润滑油或其它液体。一方面,喷入的润滑油减少了气体的泄漏量,降低了排气温度另一方面,润滑油的存在增加了粘性剪切、摩擦、搅拌和吸气预热等方面的损失,直接影响压缩机的性能。本文根据喷油雾化理论,引入维勃数来评价润滑油在压缩腔中的雾化程度,为合理选取单螺杆压缩机的喷油参数提供了依据。实验中通过改变喷油量、喷油温度和喷油孔径等参数,得到不同喷油参数下单螺杆压缩机的容积效率和绝热效率,结合喷油雾化理论,对所得到的实验数据进行了仔细的分析。实验证明,依据维勃数来选取喷油参数是可取的。为了保证润滑油在压缩腔中雾化良好,所研究的单螺杆压缩机喷油的维勃数应不小于60 .
  单螺杆压缩机自20世纪60年代问世以来,发展很快,尤以其力平衡性能好、摩擦损失小、容积效率高、结构简单、操作维修方便、以及排气脉动性小等特点,在石油化工、船舶及制冷等诸多领域得到广泛的应用。
  单螺杆压缩机与其他回转式压缩机一样,为了解决气体从压缩腔向外泄漏等问题,需要向压缩腔中喷入润滑油或者其他液体。喷入的油在工作腔周壁上形成一油膜层,使各泄漏通道的实际间隙减小,从而减少了气体通过间隙向外的泄漏量,起到密封作用除此之外喷入的油呈微滴状,与被压缩的气体均匀混合,起到冷却高温气体、降低排气温度和机体温度的作用,使压缩机工作过程趋近于等温压缩过程而工作腔中喷入的油附着在基元容积的内壁上,使星轮凸齿与螺杆槽之间得以润滑,减少了磨损,功耗也得以降低。但另一方面,油的存在增加了粘性剪切、摩擦、搅拌和吸气预热等方面的损失,直接影响压缩机的性能。下面根据油的雾化机理和实验结果对喷油参数进行分析。单螺杆压缩机的工作原理、泄漏通道及泄漏量的详细计算参见文献[ 1~2] .
  1喷油参数对单螺杆压缩机性能影响单螺杆压缩机的喷油参数主要包括喷油量、喷油温度、喷油孔位置及喷油孔径,在设计时应对这些参数进行合理选择。如在转速一定时,喷油量过低,喷入齿槽间的油量不足以使气体得到良好的冷却,不仅造成多变指数上升,而且使星轮、齿槽和壳体之间的泄漏通道所形成的油膜不稳定,气体从工作腔向外泄漏量大,能量损失严重,使容积效率下降,比功率增大。随着喷油量的增大,工作腔中气体得以良好的冷却,多变指数呈下降趋势,气体向外泄漏量逐渐减少,容积效率增大,比功率开始下降当泄漏通道间已形成稳定的油膜后,喷油量的增加对气体泄漏量的减少影响不大,但转子搅拌润滑油所引起的动力损失和油气混合物在排气口处造成的阻力损失加大,从而抵销了喷油量增加使比功率降低的作用,如继续增大喷油量有可能造成比功率不降反升。另外,油的粘度大小取决于喷油温度的高低。喷油温度低,油的粘度大,油对壁面材料的吸附性好,泄漏通道中的润滑油膜稳定,这对减少气体泄漏量及压缩过程更接近等温过程是有利的,但油温低,各部件之间摩擦功耗增加,各种搅拌损失增大油温过低还会使排气温度过低,吸入气体中所含有的水分在压缩过程中析出过多,造成油的乳化,缩短了油的使用寿命。反之油温过高对降低泄漏量、减小压缩性能指数、减少功耗均为不利。至于喷油口位置,其主要是保证向螺槽中的喷油是在吸气封闭之后,因为在此之前向螺槽喷油或向吸气腔喷油会减小有效吸气容积,增加吸气预热。但喷油口设在气缸上不易采用雾化器,这样只有通过调整喷油孔径改变喷油速度来增加喷油的雾化效果。而喷油孔径是与喷油量、喷油温度相关联的,孔径大小关系到油的雾化程度好坏。
  以下将综合以上各参数来分析压缩机工作腔中油的雾化程度及对压缩机性能的影响。
  2喷油雾化机理在油喷射破碎机理中起主要作用的是喷入油的粘性力、空气阻力和油的表面张力。气腔中空气阻力的作用是力图使喷入的油和分裂出的较大油滴扭曲变形。在油和空气间相对速度作用下产生摩擦,把由于流体内部扰动而形成的凸出于液体表面的部分撕裂掉,使其脱离油流主体分散开去,在油表面张力作用下形成液滴。油的粘性力和表面张力则抵抗扭曲变形,阻止分裂,力图维持流体和油滴完整,只有当空气阻力的作用大于油液或油滴的粘性力和表面张力形成的内力后,才会发生分裂,直到空气阻力与油滴具有的内力重新相平衡为止。图1为喷射孔径不同产生的油流分裂雾化形式。其中(1)为滴下液滴,(2)为光滑液流,(3)为波纹流,(4)为喷雾流。这里用维勃数We来判别以上雾化形式,计算式如下:其中:ρ:油的密度,kg/m:压缩工质密度,:喷油速度,m/sσ:油滴表面张力,N/m :喷油孔径, m .
  当维勃数We 20时,油滴可具有细小球形粒状,即图1中的喷雾流。我们要求在压缩机工作腔中油的雾化应呈喷雾流形式,油滴呈细小球形粒状。即使同为喷雾流,但油滴直径大小对油在压缩腔内的雾化好坏也有影响,其计算公式为其中:d:油滴直径,m g:重力加速度,m/s运动粘度,m下面就不同喷油孔径、喷油量及喷油温度下对单螺杆压缩机的容积效率和绝热效率进行测试,以期找到喷油参数的选取范围,同时验证上述理论分析的正确与否。
  3实验结果及分析实验所用的单螺杆压缩机的参数:额定排气量/min ,螺杆和星轮直径均为120mm ,设计转速3000r/min ,润滑油为透平30油。
  一般在设计中求取喷油孔径大小是以螺杆外圆速度作为喷油速度,按排气量的1 作为喷油量来设计的,这种选取是凭经验,缺少理论依据,对于单螺杆压缩机来讲不一定合理。如喷油温度为45℃时,在不同转速下,把按以上方法得到的喷油温度、喷油量和喷油孔径等数据代入式(1)、(2),计算其维勃数和油滴大小,结果如表1 .在转速为2000r/min时,喷入的油不是喷雾流,而转速为2500r/min、3000r/min时,油的雾化形式虽已为喷雾流形式,但油滴直径过大,油流雾化很差。因此采用这种方法来选取喷油量、喷油孔径等参数是不合理的。
  转速/喷油速度/喷油孔径/维勃数油滴直径/因为单螺杆压缩机中,电机多同压缩机直接联接,这样机器体积小,减少了变速传动机构,故这里以转速3000r/min为主要分析对象,实验中喷油孔西安石油学院学报(自然科学版)为转速3000r/min、喷油温度为45℃时的容积效率、绝热效率与喷油量的关系曲线图。可以看到曲线都随喷油量的增加由较陡趋于平缓。以图2、图3中喷油孔径Υ2 .0mm所对应的曲线为例,喷油量从4L/min增加到10L/min ,其容积效率增加了约10 ,绝热效率约为12 ,而喷油量从9L/min增加到16L/min ,容积效率仅增加了约3 ,绝热效率几乎不变。喷油孔径为Υ2 .0mm、Υ1 .6mm所对应的曲线大约在喷油量在10L/min时,曲线开始变平坦,其螺杆和星轮间已经形成稳定油膜,气体向外泄漏量大为减少。而喷油量继续增加,其所需背压要加大,油泵功耗及管道阻力损失随之增加,对提高绝热效率不利,而Υ3 .0mm时,压缩机的效率值太低。根据以上数据分别计算它们的维勃数和油滴直径,如雾化为喷雾流形式。只是Υ3 .0mm时的油滴直径过大,油的雾化情况较差,Υ2 .0mm、Υ1 .6mm的油滴直径比Υ3 .0mm的小得多,雾化情况好。
  喷油孔径/喷油量/喷油速度/维勃数油滴直径/在喷油量为10L/min处,作喷油温度为45℃时的容积效率、绝热效率与喷油孔径的关系曲线,如图4、图5所示,从图上看到,喷油孔径Υ3 .0mm时的容积效率和绝热效率比Υ2 .0mm、Υ1 .6mm的低。
  喷油孔径Υ3 .0mm的容积效率比喷油孔径Υ2 .0的低约4 ,绝热效率低约5 左右,说明此时油的雾化差,气体向外泄漏严重。而Υ2 .0mm、Υ1 .6mm的效率值相差不大,但此时它们所需的喷油背压分别为4M Pa和6M Pa .压缩机工作时所需的喷油背压是靠油气分离器中的压力来保证的,在效率值相近的情况下,建议喷油孔径选取较大值,以降低实际运行中的喷油压力,对本次实验用压缩机,喷油量应在10~12L/min范围内为好。此外,对不同喷油温度下的效率值进行了测试,图6为转速3000r/min ,喷油量为10L/min时,容积效率、绝热效率与喷油温度的变化曲线,看到,油温低,气体泄漏少,容积效率高。在油温高时,绝热效率很低,这是因泄漏量大所造成的,随着油温变小,绝热效率逐渐增大,但趋势变缓。喷油温度低对容积效率的提高始终是有利的,对绝热效率就存在一个泄漏损失和摩擦、搅动损失所占比例大小的问题,当间隙内形成稳定油膜后,降低喷油温度对泄漏的改善效果不显著,而其他不利因素对绝热效率的影响加大,如图6所示,在油温为303K时的绝热效率值反而比油温为308K时的绝热效率低,就是这一缘故。喷油温度的选取还要林强等:单螺杆压缩机喷油雾化的理论分析和实验研究综合其他一些因素,如为减小油冷凝器的体积及冷却形式为风冷的情况下,油温应取高一点再如螺杆与星轮间间隙过大其喷油温度应取低一些。从实验结果分析看出,喷油参数的选取好坏对压缩机工作腔中油的雾化影响很大,直接影响了压缩机的性能。
  对这种小型单螺杆压缩机,喷油速度不应太小,应比螺杆外圆速度大,喷油孔径应取适当,不能太小。喷油参数的选取应保证油在压缩腔中雾化良好,从以上实验结果分析,喷油的维勃数应不小于60 .
  4结论1)喷油参数对单螺杆压缩机性能影响很大。从实验结果可以看出,仅靠经验来选取喷油参数的方法不适用于本机器,由维勃数来判定喷油雾化的好坏,从而确定喷油参数的方法是合理的,它为压缩机的设计提供了更为可靠的理论依据。
  2)从容积效率和绝热效率与喷油参数的关系曲线中可以看出,当效率曲线变为平坦后,继续增加喷油量对提高压缩机的效率影响不大,而所需的喷油压力却随之增大,管道阻力也加大。喷油温度也应适度选取,如油温过低,会造成油的粘性阻力加大,使绝热效率降低。实验结果与在第二节中对喷油参数的理论分析是相吻合的。
    

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