一种节能地源热泵油气分离器

摘要

本发明公开了一种节能地源热泵油气分离器，属于石油开发领域。所述发明包括圆柱形壳体，壳体外侧嵌套有第一保温层，第一保温层的外侧固定有梯形的第二保温层，在第二保温层的外侧固定有矩形的第三保温层，在所述壳体的上端面设置有进气管，在壳体的外侧面的上端和下端分别设置有排气管以及排油管。通过在油气分离器的壳体外侧设置有不同高度的多个保温层对壳体进行保温，能够对壳体的不同位置起到不同的保温效果，并且由于不同的保温层具有不同高度，相对于现有技术中的方案，还可以降低油气分离器的制造成本。

权利要求

1.一种节能地源热泵油气分离器，其特征在于，所述节能地源热泵油气分离器，包括：圆柱形壳体，在所述圆柱形壳体外侧嵌套有第一保温层，所述第一保温层具有第一高度值；

在所述第一保温层的外侧固定有梯形的第二保温层，所述第二保温层具有第二高度值；

在所述第二保温层的外侧固定有矩形的第三保温层，所述第三保温层具有第三高度值；

其中，在所述壳体的上端面设置有进气管，在所述壳体的外侧面的上端设置有依次穿过所述第一保温层、所述第二保温层和所述第三保温层的排气管，在所述壳体的外侧面的下端设置有穿过所述第一保温层的排油管。

2.根据权利要求1所示的节能地源热泵油气分离器，其特征在于，所述节能地源热泵油气分离器，包括：所述第一保温层的上半部分的形状符合高斯分布曲线，所述高斯分布曲线的拟合方程为其中，H为所述油气分离器高度，D为圆柱形壳体的截面半径，所述拟合方程的坐标原点为壳体底部中心。

3.根据权利要求1所示的节能地源热泵油气分离器，其特征在于，所述节能地源热泵油气分离器，包括：所述第一高度值大于所述第二高度值；

所述第二高度值大于所述第三高度值。

说明书

一种节能地源热泵油气分离器

技术领域

[0001] 本发明属于石油开发领域，特别涉及一种节能地源热泵油气分离器。

背景技术

[0002] 油气分离器是热泵系统的重要组成部分。在传统热泵系统四大件，即蒸发器、冷凝器、压缩机、节流阀工作时，压缩机需要润滑油以减少能耗及磨损。然而，润滑油如果一旦进入蒸发器及冷凝器这两个换热组件，将极大的影响此类换热组件的换热效率，所以需要在压缩机喷出的带有制冷剂与润滑油的混合流体中，将液态的润滑油与气态的制冷剂气体分离。这就是使用油气分离器的目的。油气分离器的工作原理为：将压缩机派出的带有氟里昂和润滑油的混合气体，通过油气分离器中较大的腔体得到减速，这样雾状的油气就会聚集在受冲击的腔体表面上，等到雾状的油气聚集成较大的油滴后，就可以流向油气分离器的底部，最终通过回油装置返回压缩机内。

[0003] 在油气分离器工作时，出于两方面考虑，避免冷凝温度变化从而导致工况点偏移，制冷量输出不稳定，以及避免冷能损失，引起不必要的能力浪费的目的，需要对油气分离器进行保温：

[0004] 但是，现有油气分离器少有考虑这方面的内容，如：采用圆柱形壳体设计的油气分离器(CN201010237134)，其壳体壁面等厚度；采用凸台型壳体设计的旋风式油气分离器(CN201410793967)，其壳体壁面等厚度；采用胶囊型壳体设计的油气分离器(CN201010538303)，其壳体壁面等厚度。

[0005] 上述油气分离器均采用等厚壳体设置，如果需要对油气分离器进行保温，则只能无限制的加大等厚壳体，同时在油气分离器的壳体面上不可能处处热量散发量一致，采用加大等厚壳体的方式会极大的提高油气分离器的制造成本。

发明内容

[0006] 为了解决现有技术的问题，本发明提供了一种节能地源热泵油气分离器，，所述节能地源热泵油气分离器，包括：

[0007] 圆柱形壳体，在所述圆柱形壳体外侧嵌套有第一保温层，所述第一保温层具有第一高度值；

[0008] 在所述第一保温层的外侧固定有梯形的第二保温层，所述第二保温层具有第二高度值；

[0009] 在所述第二保温层的外侧固定有矩形的第三保温层，所述第三保温层具有第三高度值；

[0010] 其中，在所述壳体的上端面设置有进气管，在所述壳体的外侧面的上端设置有依次穿过所述第一保温层、所述第二保温层和所述第三保温层的排气管，在所述壳体的外侧面的下端设置有穿过所述第一保温层的排油管。

[0011] 可选的，所述节能地源热泵油气分离器，包括：

[0012] 所述第一保温层的上半部分的形状符合高斯分布曲线，所述高斯分布曲线的拟合方程为

[0013]

[0014] 其中，H为所述油气分离器高度，D为圆柱形壳体的截面半径，所述拟合方程的坐标原点为壳体底部中心。

[0015] 可选的，所述节能地源热泵油气分离器，包括：

[0016] 所述第一高度值大于所述第二高度值；

[0017] 所述第二高度值大于所述第三高度值。本发明提供的技术方案带来的有益效果是：

[0018] 通过在油气分离器的壳体外侧设置有不同高度的多个保温层对壳体进行保温，能够对壳体的不同位置起到不同的保温效果，并且由于不同的保温层具有不同高度，相对于现有技术中的方案，还可以降低油气分离器的制造成本。

附图说明

[0019] 为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

[0020] 图1是本发明提供的一种节能地源热泵油气分离器的俯视结构示意图；

[0021] 图2是本发明提供的一种节能地源热泵油气分离器的第一保温层上半部分拟合的曲线示意图；

[0022] 图3是本发明提供的一种节能地源热泵油气分离器的第二保温层梯形的拟合曲线示意图；

[0023] 图4是本发明提供的一种节能地源热泵油气分离器的第三保温层矩形的拟合曲线示意图；

[0024] 图5是本发明提供的一种节能地源热泵油气分离器未设置非等厚壳体时的壳体正面热流密度示意图；

[0025] 图6是本发明提供的一种节能地源热泵油气分离器未设置非等厚壳体时的壳体背面热流密度示意图；

[0026] 图7是本发明提供的一种节能地源热泵油气分离器未设置非等厚壳体时的壳体正面速度场及速度划分度示意图；

[0027] 图8是本发明提供的一种节能地源热泵油气分离器未设置非等厚壳体时的壳体背面速度场及速度划分度示意图；

[0028] 图9是本发明提供的一种节能地源热泵油气分离器设置非等厚壳体后的壳体正面热流密度示意图；

[0029] 图10是本发明提供的一种节能地源热泵油气分离器设置非等厚壳体后的壳体背面热流密度示意图。

具体实施方式

[0030] 为使本发明的结构和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的结构作进一步地描述。

[0031] 实施例一

[0032] 本发明提供了一种节能地源热泵油气分离器，所述节能地源热泵油气分离器，包括：

[0033] 圆柱形壳体，在所述圆柱形壳体外侧嵌套有第一保温层，所述第一保温层具有第一高度值；

[0034] 在所述第一保温层的外侧固定有梯形的第二保温层，所述第二保温层具有第二高度值；

[0035] 在所述第二保温层的外侧固定有矩形的第三保温层，所述第三保温层具有第三高度值；

[0036] 其中，在所述壳体的上端面设置有进气管，在所述壳体的外侧面的上端设置有依次穿过所述第一保温层、所述第二保温层和所述第三保温层的排气管，在所述壳体的外侧面的下端设置有穿过所述第一保温层的排油管。

[0037] 在实施中，为了解决现有技术中存在的油气分离器制造成本较高的问题，本发明提供了一种节能地源热泵油气分离器，结合图1，该油气分离器的详细结构如下：

[0038] 该油气分离器的主体为圆柱形壳体1，在该圆柱形壳体1外侧嵌套有第一保温层2，在第一保温层2的外侧固定有梯形的第二保温层3，在第二保温层3的外侧固定有矩形的第三保温层4，即从壳体1向外依次为第一保温层2、第二保温层3、第三保温层4，通过三个不同形状的保温层实现对壳体1的分区域保温效果。

[0039] 当然，为了实现将油气进行分离的目的，在壳体1的上端面设置有进气管5用于向油气分离器中输入带有氟里昂和润滑油的混合气体，而在壳体1外侧面的上端则设置有排气管6，用于将汽油分离器中气体的排出，为了排除油气分离器中的石油，在壳体1外侧面的下端设置有排油管7，该排油管7依次穿过所述第一保温层2、所述第二保温层3和所述第三保温层4。

[0040] 本发明的目的在于，提供一种节能水源热泵油气分离器，该油气分离器结合分离器壳体内特殊的流场结构，在不等厚壳体壁面的设置下，在壁面流速高容易散热处的壁厚大，壁面流速小不容易散热处的壁厚小，从而达到既对油气分离器内的制冷剂进行保温，又节省材料的目的。

[0041] 本发明提供了一种节能地源热泵油气分离器，该油气分离器包括圆柱形壳体，壳体外侧嵌套有第一保温层，第一保温层的外侧固定有梯形的第二保温层，在第二保温层的外侧固定有矩形的第三保温层，在所述壳体的上端面设置有进气管，在壳体的外侧面的上端和下端分别设置有排气管以及排油管。通过在油气分离器的壳体外侧设置有不同高度的多个保温层对壳体进行保温，能够对壳体的不同位置起到不同的保温效果，并且由于不同的保温层具有不同高度，相对于现有技术中的方案，还可以降低油气分离器的制造成本。

[0042] 可选的，所述节能地源热泵油气分离器，包括：

[0043] 所述第一保温层的上半部分的形状符合高斯分布曲线，所述高斯分布曲线的拟合方程为

[0044]

[0045] 其中，H为所述油气分离器高度，D为圆柱形壳体的截面半径，所述拟合方程的坐标原点为壳体底部中心。

[0046]

[0047] 在实施中，将第一保温层的上半部分的形状设计成为符合高斯分布曲线的形状，曲线的拟合形状如图2所示，这样可以提高对壳体1的保温效果，具体理论依据在后文中进行描述。

[0048] 可选的，所述节能地源热泵油气分离器，包括：

[0049] 所述第一高度值大于所述第二高度值；

[0050] 所述第二高度值大于所述第三高度值。

[0051] 在实施中，为了达到最佳的保温效果，需要对三层保温层的高度进行限定，在最需要保温的区域适当的增加保温层的层数，在保温需求不是很强的区域适当的减小保温层的层数，这样才能在提供足够保温效果的同时，最大程度的降低油气分离器的制造成本。

[0052] 根据图1可知，第二保温层从正视图角度为梯形，该梯形的拟合示意图如图3所示，上边从‐0.1D至0.1D，下边从‐0.22D至0.22D，高从0.06H至1H。

[0053] 第三保温层上部从图1所示的角度来看为矩形，宽度从‐0.08D至0.08D，高度从0.3H至1H。H为油气分离器高度，该矩形的拟合示意图如图4所示，D为油气分离器半径，坐标原点为壳体1底部中心。

[0054] 这里对三层保温层的高度值进行限定，使得最贴近壳体1的第一保温层2具有最大的高度值，在第一保温层2外侧嵌套的第二保温层3具有适中的高度值，而位于最外层的第三保温层4则具有最小的高度值，从图1中可以很容易看出，壳体1外侧的三层保温层由内到外呈现出高度逐渐降低的设计，并且随着壳体1高度的降低，其外侧的保温层厚度逐渐增加。这里之所以这样设计，理由如下：

[0055] 通过已知的转热公式可知：

[0056]

[0057] 式中，Q为传热量，tn、tw为壳体内外温度，hn、hw为壳体内外对流换热系数。d为保温层厚度。A为散热面积。

[0058] 由上式可知，k、A在选定壳体时即为常数，tw为壳体外温度，也为常数，tn主要受hn、hw及d的影响，在稳定条件下(也即本油气分离器长时间稳定运行条件下)也为常数。一般工作环境下，壳体一般安装在设备间内，所以外部环境稳定，hw也为常数。

[0059] 所以，传热量Q主要受到hn和d的影响，传统做法是，对于整个壳体进行加厚，也即增大d，从而使得传热量Q减少，保持油气分离器内制冷剂低温，从而达到节能的目的。

[0060] 实际上，这种做法实际上浪费了大量材料，且并不节能。如图5，图6所示，在油气分离器工作时，当壳体外壳的d一定时，壳体壁面上的热流量分布并不均匀。有的地方热流量高，而另一些地方热流量低。造成此现象的主要原因是hn在壁面各处有所不同。hn高的地方热流高，hn低的地方热流低。那么，接下来需要考虑的是如何在hn高的地方加厚壳体厚度d，从而使得在最节省材料的前提下达到保温效果？

[0061] 另外，在加厚壁面时，加厚的量并不是永无止境的，最好使得壳体壁面处处热流密度Q相等。再次条件下，可以壁面由于壁面热流不均所造成的“冷桥”效应(“冷桥”效应为领域内公知)。

[0062] 由传热公式1可知，在稳定工作条件下要另壳体处处热流量Q为常数，则[0063]

[0064] 其中，C为常数，k为保温层导热系数，所以可以观察壳体内hn的变化情况，根据不同的hn调整d，从而达到使得壳体表面热流一致的目的。

[0065] 从工程角度可知：

[0066] hn＝a×V+b             (3)

[0067] 其中，a及b为对流换热常数1及对流换热常数2，其值与不同的材料种类有关，在各大设计手册可查。V为壁面出的空气流速。将式3带入2中可以得出：

[0068]

[0069] 假设风速V为0时的保温层厚度为标准厚度d0，则当风速V不为0时的附加厚度di为：

[0070]

[0071] 整理得，附加厚度di为：

[0072]

[0073] 可见，附加厚度di仅与经过流体表面的流速有关，流速V越大，则di应越后。

[0074] 为了便于此类油气分离器的壳体体制作，这里假设壳体周围的最大风速为Vmax，按照流速V不同将壳体厚度分为4层：

[0075] ①第0层，也即风速为0时的保温层厚度，厚度按照V＝0时进行计算。

[0076] ②第1层，也即风速为0到1/3Vmax时的保温层厚度，厚度按照V＝1/3Vmax时进行计算。

[0077] ③第2层，也即风速为2/3Vmax时的保温层厚度，厚度按照V＝2/3Vmax时进行计算。

[0078] ④第3层，也即风速为Vmax时的保温层厚度，厚度按照Vmax时进行计算。

[0079] 以热泵系统而言，管道中的制冷剂流速为10m/s(公知，各大手册可查)，进入油气分离器后横截面积变大，最大流速为3m/s。也即，根据前述内容，本发明将壳体厚度分为四层，也即：

[0080] ①第0层，也即风速为0时的保温层厚度，厚度按照V＝0时进行计算，附加厚度为0。

[0081] ②第1层，也即风速为0到1m/s时的保温层厚度，厚度按照1m/s时进行计算，附加厚度为

[0082] ③第2层，也即风速为1m/s到2m/s时的保温层厚度，厚度按照2m/s时进行计算，附加厚度为

[0083] ④第3层，也即风速为2m/s到3m/s时的保温层厚度，厚度按照3m/s时进行计算，附加厚度为

[0084] 基于此，这里在计算了制冷剂进入油气分离器后的壁面流速场，并将流速场按照上述流速梯度0m/s，1m/s，2m/s，3m/s划分各个层次，如图7，图8。在此基础上,通过非线性拟合描述不同层次下的边界曲线结构。最终得出即节能，又节省材料的壳体结构形式。

[0085] 基于上述理论，可以得知，根据气体流速的不同，需要在油气分离器的不同部位设置不同厚度的保温层。

[0086] 在此不均匀厚度壳体的设置下。油气分离器在工作时，流速大处的厚度大，流速小处的壳体厚度小，从而达到热流密度沿着壳体各面各处完全相等的目的，见图9和图10。从而在最节省壳体材料的前提下，极大的提高了壳体的保温性能。

[0087] 本发明提供了一种节能地源热泵油气分离器，该油气分离器包括圆柱形壳体，壳体外侧嵌套有第一保温层，第一保温层的外侧固定有梯形的第二保温层，在第二保温层的外侧固定有矩形的第三保温层，在所述壳体的上端面设置有进气管，在壳体的外侧面的上端和下端分别设置有排气管以及排油管。通过在油气分离器的壳体外侧设置有不同高度的多个保温层对壳体进行保温，能够对壳体的不同位置起到不同的保温效果，并且由于不同的保温层具有不同高度，相对于现有技术中的方案，还可以降低油气分离器的制造成本。

[0088] 需要说明的是：上述实施例提供的一种节能地源热泵油气分离器进行油气分离的实施例，仅作为该油气分离器在实际应用中的说明，还可以根据实际需要而将上述油气分离器在其他应用场景中使用，其具体实现过程类似于上述实施例，这里不再赘述。

[0089] 上述实施例中的各个序号仅仅为了描述，不代表各部件的组装或使用过程中的先后顺序。

[0090] 以上所述仅为本发明的实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。