空压机100课之025：螺杆压缩机的油气分离理论知识与实际应用

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喷油螺杆压缩机中，为了降低排气含油量和循环使用机组中的润滑油，必须利用油气分离器把润滑油有效地从气体中分离出来，因此，油气分离器是喷油螺杆压缩机机组系统中的重要设备之一。

喷油螺杆压缩机在压缩气体的同时，大量的油被喷入压缩机的齿间容积。这些油和被压缩气体气体形成的油气混合物，在经历形同的压缩和排气过程后，被排到机组的的油气分离器中。

1、油气混合物的特性

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，其数量的多少取决于油气混合物的温度和压力外，还与润滑油的饱和蒸汽压有关。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。

显然，降低气相油含量的最有效方法是降低排气温度。但如前所述，在喷油螺杆空气压缩机中，排气温度不允许低到发生水蒸气将被冷凝的程度。减少气相油含量的另一种方法，是采用饱和蒸气压较低的润滑油，合成油和半合成油往往具有相当低的饱和蒸气压力，所以在改善润滑油性能的同时，能有效地降低压缩机排气中的含油量。

值得指出的是，在一般运行工况下，油气混合物中处于气相的润滑油很少。这是因为在通常的排气温度下，混合物中润滑油蒸气的分压力很低；另外，是由于润滑油从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到了所有被喷入油中的绝大部分。这种液相油滴的尺寸范围分布很广，大部分油滴直径在1~50μm的范围内，少部分的油滴可小至与气体分子具有同样的数量级，仅有0.01μm。显然，大油滴和小油滴的性质会有较大的差异。

在重力作用下，只要油气混合物的流速不是太快，大的油滴最终都会落到油气分离器的底部。当然，油滴直径越小，其下落过程的时间就越长。对于直径很小的润滑油微粒，却可以长时间悬浮在气体中，无法在自身重力的作用下，从气体中被分离出来。

2、油气分离的方法

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：

①机械碰撞法，即依靠油滴自身重力的作用，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，都可采用机械碰撞法被有效地分离出来。

②亲和聚结法，既通过特殊材料制成的元件，使直径在1μm以下的油滴，先聚结为直径更大的油滴，然后再分离出来。

采用机械碰撞法进行油气分离时，要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碰撞后，混合物中的油滴就会聚集在障碍物的表面，并在重力的作用下，落到分离器的底部。

值得注意的是，采用机械碰撞法进行油气分离时，油气混合物撞击障碍物时的速度有一定的范围，其最佳数值与被压缩气体和润滑油的密度有关。对于喷油螺杆空气压缩机，最佳的撞击速度为3m/s左右。当速度太低时，混合物中的油滴会象气体一样，绕着障碍物流动，而不能聚集在障碍物的表面。当速度太高时，聚集在障碍物表面的油滴又会被高速流动的气体吹散，并回到气流中。

采用机械碰撞法进行油气分离时，所设的障碍物可以是分离器的壁面，也可以是专门制造的网状元件，有时也采用两者的组合，即先让油气混合物撞击分离器的壁面，然后再利用网状元件进一步分离。这种网状元件广泛采用不锈钢编造，具有制造简单、耐腐蚀、价格低廉等优点。只有在压缩非常特殊的气体时，才考虑用镍、铝、铜等其它金属材料，或聚丙烯、尼龙、涤纶等非金属材料。

亲和聚结法主要用于分离直径为1μm以下的油滴，由过滤和聚结两个过程组成。这种分离方法中采用的元件，实际上是一种多孔过滤材料，当油气混合物流入过滤元件之前，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。

很显然，亲和聚结法中过滤元件的孔径将决定分离效果的好坏。如果材料的孔径较大，则许多小直径的油滴将无法被分离出来。然而，也没有必要把材料的孔径做得太小，这主要是因为随着被过滤出来的大油滴在过滤材料上的聚结，元件材料孔径的有效流通面积被明显减小，从而可使更小直径的油滴被分离出来。

当分离元件材料的孔径太小时，不但会使流动阻力增加和产生较大的压降，而且会使一部分油在气体压差的作用下，通过分离元件。另外孔径越小，也越容易被进入元件的灰尘等其它杂物所堵塞。

在早期的设计中，曾采用纯羊毛、改性化纤织物，以及烧结金属和陶瓷作为亲和聚结法的过滤元件材料。近年来，已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。通常这类过滤元件可使气体中的含油量降至PPM级。

但无论这种过滤元件的结构多么复杂，经其分离后的气体中仍会含有某些润滑油。这是因为机械碰撞法和亲和聚结法，都无法把处于气相的润滑油有效地分离出来。

进一步的油气分离需要采用化学的方法，通常是利用活性碳元件的吸附作用，经过吸附过程后的气体含油量，甚至比普通大气环境中的含油量低的多。

另外，往往这些过滤元件不具备自净功能，油气混合物中的灰尘等杂质进入元件后，会滞留其中。所以，在运行过程中，过滤元件的压降降逐渐增大，当压降过量时，就需要更换过滤元件。

为了尽可能减少气体流过过滤元件时的压力损坏和提高分离效果，气体在其间的流速不能太高。然而，流速越低，所需的过滤材料就越多，过滤元件的成本就越高。

合理的压降和流速，与被压缩元件的密度和润滑油的粘度等因素有关。一般通过洁净过滤元件的压降为0.025~0.03MPa，当此压降增加到0.07~0.1MPa时，就需更换过滤元件。

对于喷油螺杆空气压缩机，气体流过过滤元件时的速度应在0.1m/s左右。

3、油气分离器设计

喷油螺杆压缩机的机组系统，可以分为开式和闭式两类。

在开式系统中，气体经过压缩机提高压力后，直接被输往使用场所，而不再回到压缩机中。喷油螺杆空气压缩机和喷油螺杆天然气压缩机的系统都属于此类。

在闭式系统中，气体经过压缩机提高压力和在使用场所利用后，又会回流到压缩机中。喷油螺杆制冷压缩机的系统是典型的闭式系统。

开式系统和闭式系统中的油气分离器设计有所不同。

对于开式系统，机组排气中所含的润滑油就是油的消耗，所以其油气分离器采用机械碰撞法和亲和聚结法的组合形式，以尽量降低润滑油的消耗量。

在一些闭式系统中，机组排气中所含的润滑油，可以随着被压缩气体再次回到压缩机中。所以，在很多闭式系统中，通常只采用机械碰撞法进行油气分离。不过，当过多的润滑油随气体进入使用场所后，可能会产生一定的危害，例如制冷机组中的润滑油进入冷凝器和蒸发器后，就会影响这些换热器的传热特性。因此，在闭式系统的油气分离器中，也越来越多地采用机械碰撞法和亲和聚结法的组合形式。在油气分离器中，通常把利用机械碰撞法的分离器称为一次分离器，把利用亲和聚结法的分离器称为二次分离器。

如上图所示的一种喷油螺杆空气压缩机的油气分离器结构。该机构把一次分离器和二次分离器组合为一体，油气混合物进入分离器后，首先撞击分离器中设置的挡板壁面，利用机械碰撞法进行一次分离。然后，油气混合物以较低的速度进入过滤元件，利用亲和聚结法进行二次分离。通过过滤元件底部的回油管，可将过滤元件分离出的润滑油引出。

喷油螺杆工艺压缩机中的油气分离器，可能比喷油螺杆空气压缩机中的结构复杂，以便适应更高的压力和尽量减少排气中的含油量。如上图所示的一种喷油螺杆工艺压缩机的油气分离器结构，该结构也把一次分离器和二次分离器组合成为一体，但在其中加装了网状元件。二次分离采用内进外出的形式，并对由过滤元件分离出的润滑油设置了液位显示，确保回油可靠。

在喷油螺杆制冷压缩机中，油气分离器结构形式有多种。在封闭式机组中，一般仅采用机械碰撞法进行一次分离，不设过滤元件。在开启式机组中，多数机组采用如上图所示的结构，即仅采用机械碰撞法进行油气分离。但为了减少润滑油对冷凝器和蒸发器换热的影响，已有越来越多的制冷机组采用一次分离和二次分离组合的方式，在利用机械碰撞法进行一次分离后，进一步利用亲和聚结法进行二次分离。

以上原作者：邢子文

以下原作者：郭树清

国内外各品牌空压机油气分离罐特性

喷油螺杆空压机，其排气含油量是螺杆压缩机大多数使用者比较关心的主要指标之一，如何达到螺杆空压机排气含油量小于等于3mg/m³，的确需要对油气分离罐油气分离机理进行长期的试验研究，以便达到更佳油气分离效果和提高油气分离滤芯的使用寿命。

以下记录国内外各知名品牌螺杆压缩机油气分离罐结构型式，并对其进行研究分析，供压缩机业内技术人员借鉴。

在21世纪初，喷油螺杆空压机油气分离芯通常采用德国“MANN”品牌的油气分离滤芯，装机运行一段时间后有时会发现压缩空气中含油量偏高的现象，经过长期观察发现原来是油气分离罐设计不合理所致。

众所周知，喷油螺杆空压机油气分离的机理，一是利用油气分离罐将油气混合的压缩空气进行离心和碰撞从而使大颗粒油滴分离(称之为机械分离)；二是通过油气分离芯中的纤维将细小的油滴进行拦截分离。

经多年研究和试验发现，喷油螺杆空压机通过油气分离罐的机械分离必须去掉95%以上的油滴，而剩余的5%有大部分是细小油滴，少部分是油雾，细小油滴则由油气分离滤芯来进行分离。少部分油雾是很难分离的只能随压缩空气跑掉。如何提高95%以上的分离效果，其重要的因素就是油气分离罐内机械分离型式和压缩空气在罐内的线速度。

油气分离罐结构形式

现将收集到的15种喷油螺杆空压机油气分离罐内的机械分离型式，提供给大家以便在今后的设计中参考。

1、英格索兰公司喷油螺杆空压机机型

图1～4均为英格索兰公司生产的喷油螺杆空气压缩机机型，是在不同年代中油气分离罐内使用的各种机械分离型式。

图1为20世纪70年代初英格索兰公司在移动式螺杆空压机中油气分离罐内使用的机械分离型式。图2为20世纪70年代中期英格索兰公司在固定螺杆空压机中油气分离罐内使用的分离型式，此种进气口为切向加中孔挡板式。

图3为20世纪80年代初、中期英格索兰公司在产品上进行了第3次设计更新，它采用了“向”字形的设计，其目的是延长分离路线形成降速沉降法，侧进侧出，油气分离芯采用了折叠式，以EP100、EP200机型为代表，在国内市场上更为常见，数量更多。

图4是20世纪90年代初英格索兰公司在其螺杆空压机主力机型上使用的机械分离型式，它除采用了原有的降速沉降法以外，还采用了上排气再分离的型式，此种方法分离效果更好。

2、阿特拉斯·科普柯公司螺杆空压机油气分离罐

图5是阿特拉斯·科普柯公司螺杆空压机油气分离罐切向离心分离的型式，此型式也是国内螺杆压缩机生产厂商用的更多的油气分离型式，但国内厂商设计的油气分离罐与阿特拉斯·科普柯公司设计的油气分离罐比较起来有4点不同之处：

(1)同等容积流量的油气分离罐体积大于阿特拉斯·科普柯油气分离罐2～2.5倍;

(2)进气口没有倾斜角，而阿特拉斯·科普柯有5毅的倾斜角，可形成螺旋切向流动，便于油气离心分离;

(3)国内油气切向分离速度低，而阿特拉斯·科普柯的油气切向线速度是18～22m/s，经试验在此切向线速度范围内，油气分离效果更佳;

(4)国内厂商设计的油气分离罐储油量大于阿特拉斯·科普柯公司产品的储油量。

从上述4点来看，我们的设计有许多不足之处，同等气量的油气分离罐体积大、成本高，更大的差距在于国内生产厂商的设计人员许多都不知道所采用的螺杆机机头，每产1m3的空气所需润滑油循环量;而依据阿特拉斯·科普柯提供的资料显示阿特拉斯·科普柯生产的螺杆机机头每产1m3的空气润滑油循环量为9L/m3，因此阿特拉斯·科普柯公司设计的油气分离罐体积小，成本也就低，其设计的油气分离滤芯尺寸都小于其它品牌的油气分离滤芯。

3、寿力公司螺杆空压机的螺杆油气分离罐

图6为寿力公司螺杆空压机的油气分离型式，它为下沉离心式机械分离，油气混合气通过管道将气体引入油气分离罐下半部距液面30～50mm，其中管道的下水平导向板长度长于上水平导向板50mm，以防止气流带动液面被搅拌，形成二次气带油，此类分离型式的特点是油气混合气通过离心碰撞后，大颗粒的油滴下沉，小颗粒的油雾上升由油气分离滤芯进行分离，另外寿力公司使用的润滑油为闪点比较高的合成油和硅基油，这样使得润滑油很难形成油蒸气，从而也降低了压缩空气中的含油量。

4、康普艾公司油气分离罐

图7、图8为康普艾公司典型的底部喷吹式油气分离型式，它依靠油气分离滤芯底部凹面的圆弧使含有油气混合气的气流通过碰击，从而使得大颗粒油滴以自重方式下降，小颗粒油雾待油气分离滤芯进行分离，为延长分离距离，增加了反吹罩，反吹罩的深度延长了机械分离距离的长度，此类分离型式要求滤芯底部凹面的圆弧要设计的恰到好处，否则分离效果很难保证。

5、日本神钢油气分离罐

图9为日本神钢20世纪70年代末出产的油气分离罐的型式，它将螺杆机机头立着埋入油气分离罐内，油气分离滤芯安装在螺杆机机头出风口的背面，并采用了内进气油气分离滤芯，此机型在当时是较为先进的，噪声相当于室内柜式空调机组的声音，而且埋入式机头的设计，也是一种新型的降噪理念，在当时进口机型中更为先进，噪声更小，此种机械分离形式采用了罐体喷吹双向反流体流动型式，使机械反吹方向距离更长，大油滴分离更彻底，此种机型基本在3m3/min以下，体积显的更小，还可与冷冻式干燥器拼装成一体机。

6、台湾天鹅油气分离罐

图10为台湾天鹅牌螺杆压缩机的油气分离型式，立式油气分离罐，切向分离，油气分离芯采用立式内进气旋装油气分离芯，在滤芯下部有一个回油单压阀可与进气端连接使油气分离滤芯分离出来的油重新回到负压段，进入主机继续循环使用，特点回油彻底通畅，调整螺纹联接尺寸可保证消耗品市场利润不被丢失，此种型式属于切向旋风的机械分离型式，结构简单，成本低，分离芯更换简便。

7、其他

图11、图12均为T字型卧式机械分离，采用立式内进气油气分离芯，台湾力霸和向阳均采用此款型式，图11和图12为改型版，机械分离采用喷吹碰撞加长距离迂回的降速沉降的型式，图12为加高滤芯安装距离，加大分离后油的储量，设计了2个二次出油口，降低了二次回油过多造成被压缩空气吹走的可能。

图13为T字型卧式机械分离，采用喷吹碰撞加长距离迂回的降速沉降的机械分离型式，采用立式外进气油气分离滤芯，适合于较大流量的机型，此种类型的分离型式，可较好的降低成本，结构紧凑。

图14为T字型卧式机械分离，均采用水平喷吹碰撞加长距离迂回的降速沉降法，此种型式采用了立式倒装旋装外置油气分离滤芯，螺杆机头、油气分离滤芯均安装在卧式油气分离罐的上侧，此种型式以台湾复盛为代表传入大陆，被国内企业大力仿造，广为流行。

图15为螺杆机机头水平放置在卧式油气分离罐内，排气管像英文字母大写G的形状伸出油面，此种结构型式有较好的降噪功能和冷却螺杆机头的功能，油气分离效果与图14型式差不多。

结论

从上述15种类型的油气分离罐中我们看出，无论采用何种型式，都是想方设法将油气混合气中的油，在油气分离罐内与压缩空气尽量多的分离出来，以便减轻油气分离芯的分离负担，从而减少螺杆压缩机排气含油量。

除此之外，润滑油的高闪点也是非常重要的，它避免了润滑油在高温时产生大量的油蒸气，油蒸气的颗粒非常小，很难被油气分离滤芯所拦截。跑掉的油和油蒸气会随着压缩空气进入管道系统中，从而造成油污染，严重时会使吸附式干燥机中的吸附剂失效，油和油蒸气随着压缩空气跑到用户生产线上造成更大的损失。如何减少甚至除掉喷油螺杆空气压缩机的排气含油在行业中是比较棘手的问题。

本文整理自

前半段，原作者：邢子文

后半段，原作者：郭树清

《025课》完

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