氦低温系统中油过滤技术研究

　　EAST氦制冷机选用喷油螺杆压缩机组。就气体压力提高的原理而言，螺杆压缩机与活塞压缩机相同，都属于容积式压缩机；就主要部件的运动形式而言，又与透平压缩机相似。所以螺杆压缩机兼有上述两类压缩机的优点：（1）可靠性高，寿命长；（2）操作维护方便；（3）动力平衡性好；（4）适应性强；（5）多相混输，能耐液体冲击，可压缩含液气体。

　　螺杆压缩机润滑油选用32号合成油，润滑油在压缩机内起到如下几个方面的作用：（1）润滑轴承，降低噪声、提高寿命；（2）保证为机壳和转子之间提供足够的密封，减小轴向泄漏；（3）冷却压缩机，使压缩过程接近等温，提高效率；（4）冲去压缩机中的粉尘微粒，保护系统免于腐蚀。

　　由于润滑油的使用使压缩机排出的高压氦气含有大量油雾。氦气中若含有较高浓度的油雾，久而久之低温系统管道内壁会淤积形成油质薄膜，阻塞管道，不利于氦气的流动；氦气中的油雾严重影响了氦气的热物性，不利于氦气在膨胀机中的膨胀降温，降低了氦气良好的传热性能；同时对氦气的回收循环使用造成很大困难。因此压缩机排出的氦气必须进行油分离和气体纯化处理，使氦气中杂质含量低于5ppmV（1ppmV表示1体积的氦气中含有1X10 6体积的杂质气体），以满足低温系统运行要求。而分离出来的油需及时返回到压缩机，以保证压缩机的正常润滑。本研氦低温系统中油过滤技术研究究将主要介绍EAST低温系统中油的去除流程及原理；整个除油系统包括以下几个环节：压缩机机内的油分离，滤油器的过滤及活性炭吸附器对油蒸气的吸附。为EAST低温系统油过滤流程简图。

　　2压缩机机内的油过滤系统喷油螺杆压缩机中，在压缩氦气的同时大量的油被喷入压缩机的齿间容积，这些油和被压缩氦气形成的油气混合物，在经历相同的压缩和排气过程后被排到机组的油气分离器中。为了降低机组排气中的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。在压缩后的油气混和物中，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产生的。其数量的多少取决于压缩机出口油气混和物的温度压力，以及润滑油的饱和蒸气压。

　　EAST低温系统油过滤流程简压缩机；2油分离器；3.水冷却器；4油冷却器；5.油泵；6.放油阀；7滤油器；8活性炭吸附器。

　　——氦气路；……油回路处于液相的润滑油占了所有喷入润滑油中的绝大部分，但这种液相油滴的尺寸范围分布很广。大部分油滴直径通常处在1m~50！少部分的油滴可小至与气体分子具有同样的数量级，仅有0.01 m.显然，大油滴和小油滴的性质会有较大的差异。其中直径在0.5rtn左右的油滴*难分离。

　　在压缩机组采用卧室油分离器，从压缩机排出的高压氦气，进入油分离器后先通过气液分离用的不锈钢丝滤网，然后降低流速，改变方向，向油分离器的另一端排去。在这个过程中，分离器的壁面及设置的挡油板可作为流动方向上的障碍物，油气混和物与障碍物碰撞后，大量的润滑油因为惯性及重力的作用沉降到油分离器底部，剩余的含有微量油份的氦气以较低的速度再通过油分离滤芯，被*后分离，并通过油分离器底部的回油阀回到压缩机中，以确保挡油板之后的筒体底部尽量少存油。靠近油分离器出口的滤芯采用的是化纤网，分油效果好，价格低廉，当分油效果不够理想时即可更换。

　　经过油分离器后氦气中大量的润滑油得以分离，氦气的含油量大约可降至30~50ppmW（1ppmW表示Ig氦气中含有1X1￡的油\并且此时的油滴直径多在1Mm以下。油分离器分离出的油通过油循环路冷却加压后返回至压缩机继续润滑压缩机组。

　　在压缩机组后面配有1台卷板式水冷却器，经过水冷却器后氦气从100°C冷却至常温25°C.在此过程中一部分气相的油冷凝后沉积在冷却器中，并通过油回路返回至压缩机继续使用。这样使得氦气中的油蒸气量大大减少，减轻了后续除油的负担。

　　3高效滤油器的过滤压缩机内的油分离器可以很有效的分离直径大于1Mm的油滴，而对于直径小于1，um油滴的过滤，需由多级的高效滤油器来完成。滤油器采用亲和聚结法，由过滤和聚结两个过程组成。这种分离方法中所采用的元件为多孔过滤材料，当油气混和物到流入过滤元件之前，直径大于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的变化，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为大的油滴并被过滤出来。

　　亲和聚结法中过滤元件的孔径将决定分离效果的麻如果材料的孔嫩，贝浒多小直径的油滴将无法被分离出来。然而，也不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。事实上，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他杂物所堵塞。在亲和聚结法分离油滴时，氦气的流速也不能太大而导致氦气的二次污染；滤油器I、滤油器n采用中等过滤效率、快速排油的过滤器，滤油器in、滤油器w采用过滤效率高、慢速排油的过滤器，这样可以减少二次污染，提高总的除油效率。

　　表1 4台滤油器的滤芯规格滤油器编号滤芯型号滤油器I超精过滤器滤芯10支滤油器n LG120型压缩气体高效除油器上下两级各12支ARS滤芯滤油器ni滤油器w中4台滤油器的过滤机理基本相似，其中第二个滤油器经改进后采用了上下两级过滤，且氦气从滤芯的下部流进。仅以滤油器I中的一个滤芯进行分析，来研究它们的除油机理，如所示。

　　滤芯视图氦气进滤油器结构简图效率及较低的压降；两层涂层可确保不被合成油侵蚀；氦气从滤芯的上端入口进入滤芯的内部，过滤后从滤芯的外层流出，*终从滤油器的出口流入到下一环节。玻璃纤维滤芯的过滤机理如下。

　　显示的是直径大于3rtn油滴的惯性碰撞。

　　这些油微粒具有很高的动量，使得它们可以沿着氦气的流线运动，并与纤维材料发生碰撞；显示的是直径介于05Mm~31油滴的直接拦截。这些油微粒沿着流线运动，并当其路径十分接近纤维组织时，这些油微粒就会聚结。但也不是所有的油滴都被聚结；显示的是直径小于05Mm油滴的布朗运动。直径很小的油滴与氦气分子碰撞后可自由运动，粒径越小，布朗运动越剧烈，油滴微粒与纤维组织碰撞的可能性也就越大。

　　惯性碰撞滤芯采用超细玻璃纤维滤会纸内外衬采用不锈钢从上述分离过程可以看出，较大的油微粒经过玻材质确保滤芯的防腐和高强度；大表面积可确保更高璃纤维时机械碰撞后被直接过滤，流到滤油器底部。

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(完)