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500 W制冷机的设计模式为纯制冷模式，设计制冷容量为550 W/4.5 K。氦气经过压缩机增压，出口压力1.4 MPa，制冷系统压缩机为喷油螺杆压缩机，油在压缩机运行时起冷却、润滑、密封和降噪作用，喷入的油呈微滴状，与被压缩的氦气混合，极大的换热面积迅速吸收氦气的压缩热，降低排气温度，提高压缩机能效。不同压缩机的出口含油量区别较大，500 W/4.5 K制冷机选用的压缩机组经压缩机自带的除油装置后可将出口氦气含油量控制在5×10-6（W）以下。随着制冷系统运行，系统温度降低，这些杂质气体会液化、固化，积聚在换热器、管路、透平叶轮、传感器、阀门等系统部件上，会恶化换热器的性能，系统压力损失将会增大，使系统功耗增大，系统运行稳定性受到影响，甚至会对系统部件造成损伤。氦低温系统中氦气的纯净程度将直接影响低温系统运行时的稳定性和系统的可靠性。
本文针对连续相为常压空气的气液分离、过滤过程，对高压氦气除油过程展开研究，计算了纤维滤材对氦气中油杂质的理论捕集效率，对除油过滤器进行结构设计，并测试其实际除油效率。
氦气除油装置
（1）氦气除油装置结构设计及关键参数
（2）油气分离器结构设计及滤材参数
如图2a所示，过滤器壳体的气流采用下进上出，下方设积液层及回油口，此种过滤器壳体构造便于更换油分滤芯，并且在氦气进入过滤器后对直径大于1μm的大液滴起到机械分离分效果。油气分离器的滤芯结构图见图2b，由支撑结构、内层玻璃纤维聚结层、外层聚酯纤维排液层、密封圈等构成。选用的玻璃纤维滤材的扫描电镜照片见图3，滤材参数见表2。含有油颗粒的氦气在通过玻璃纤维滤芯时，直径较小的油颗粒由于惯性碰撞、拦截效应、扩散效应、静电捕集、重力捕集等作用机理被玻璃纤维捕集，并在玻璃纤维滤材中聚结形成直径较大的油滴或液膜，然后由滤材外侧的排液层排出滤芯，由过滤器底部的排液口排出。
玻璃纤维滤材捕集效率计算及分析
在理论计算中未考虑一些实际运行中的问题，可能造成计算误差的因素有：（1）被玻璃纤维捕集到的油滴没有聚结成为大油滴，并从纤维上飞散重新进入气流；（2）聚结产生的油滴、液膜被氦气吹散进入下游气流，而理论计算未考虑二次夹带，造成计算计算结果偏大；（3）取样装置管道、阀门上附着的油进入测量装置，造成测量结果偏高；（4）过滤器上下游的压力降致使滤材压缩，使滤材在运行时的填充度变大，增大了理论计算的误差。
油气分离器除油效率测试
安装设计滤芯，对滤芯在500 W制冷机除油系统中的除油效率进行实验测试，测试流程见图6。用压缩空气/气体悬浮污染物（液体/固体）检测仪TC5000A，对减压到1大气压的系统内氦气进行油浓度检测。同时监测一、二级油气分离器的压力损失。测试过程中使用的测量仪器TC5000A可测量浓度范围为（0.005—900）×10-6（W），测量精度±1%，可测量0.1—10 μm粒径的微粒。开启压缩机，待压缩机及除油系统稳定运行后，使用TC5000A对3个采样点的氦气进行取样检测，每个采样点采样10组数据，每组数据检测时间1 min，计算每组油含量平均值。
主要结论
1. 通过实验测试，得到压缩机出口氦气含油量0.8×10-6（W），一级油气分离器出口处氦气含油量0.019×10-6（W），二级油气分离器出口处氦气含油量0.0062×10-6（W）。
2. 三种理论计算得出的结论显示，一级油气分离器的滤材对不同直径颗粒的捕集效率大于97%，二级油气分离器的滤材对不同直径颗粒的捕集效率大于99.6%。试验结果显示一级油气分离器除油效率为97.625%，二级油气分离器除油效率为67.37%，二级除油效率较低，造成这种现象的原因可能为：含油杂质的氦气经过一级油气分离器后，大多数油杂质被分离出来，余下的油杂质中以蒸气形式存在较多，需使用吸附方法去除；二级油气分离器出口处氦气含油量6.2×10-9（W），已接近TC5000A的测量浓度下限，对于更低杂质浓度的测量数值误差较大。
4. 两级油气分离器使氦气中的油杂质从0.8×10-6（W）降低到6.2×10-6（W），综合除油效率达到99.25%，可有效降低下游除油设备的负荷，满足工程设计的要求。
by《低温工程》
