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      干貨-壓縮空氣系統知識大全

      發布時間:2023-02-13 瀏覽量:1

      壓縮空氣系統知識大全


      壓縮空氣系統,狹義的來說由氣源設備、氣源凈化設備和相關管路構成,廣義上來說,氣動輔助元件、氣動執行元件、氣動控制元件、真空元件等都屬于壓縮空氣系統的范疇。

      通常一個空壓機站的設備即為一個狹義的壓縮空氣系統,下圖為一個典型的壓縮空氣系統流程圖:


      氣源設備(空氣壓縮機)吸入大氣,將自然狀態下的空氣壓縮成為具有較高壓力的壓縮空氣,經過凈化設備除去壓縮空氣中的水分、油分和其它雜質等污染物。


      自然界的空氣是由多種氣體(O?、N?、CO?...等)混合而成的,水蒸氣也是其中的一種。含有一定量水蒸氣的空氣叫濕空氣,不含水蒸氣的空氣叫干空氣。我們周圍的空氣都是濕空氣,所以空氣壓縮機工作介質自然也就是濕空氣。

      濕空氣的水蒸氣含量相較而言雖然不大,但其含量對濕空氣空氣的物理性質影響很大,在壓縮空氣凈化系統中,對壓縮空氣的干燥是主要的一項內容之一。


      在一定的溫度和壓力條件下,濕空氣中水蒸氣的含量(即水蒸氣密度)是有一定限度的。在某一溫度下,所含水蒸氣的量達到最大可能含量時,這時的濕空氣叫飽和空氣。水蒸氣未達最大可能含量時的濕空氣叫未飽和空氣。


      未飽和空氣在成為飽和空氣的瞬間,濕空氣中會有液態水珠凝結出來,這一現象稱為“結露”。結露現象是常見的,例如夏天空氣濕度很大,容易在自來水管的表面結成水珠,冬天早晨,住戶的玻璃窗上會出現水滴等,這些均是濕空氣在定壓下冷卻而結露的結果。


      如上所述,未飽和空氣在保持水蒸氣分壓不變(即保持絕對含水量不變)情況下降低溫度,使之達到飽和狀態時的溫度叫露點。溫度降低至露點溫度時,便有“結露”。


      濕空氣的露點不僅與溫度有關,而且與濕空氣中水分含量的多少有關。含水量大的露點高,含水量少的露點低。


      露點溫度在壓縮機工程中有重要用途,如空壓機出口溫度過低時,油氣桶內會因溫度過低而造成油氣混合物結露,使潤滑油含水,影響潤滑效果。因此??諌簷C出口溫度設計時必須保證不低于相應分壓力下的露點溫度。


      常壓露點也就是大氣壓下的露點溫度,同理,壓力露點指的是壓力空氣的露點溫度。


      壓力露點與常壓露點之間的對應關系與壓縮比有關,在壓力露點相同情況下,壓縮比越大,所對應的常壓露點越低。


      從空氣壓縮機中出來的壓縮空氣是很臟的。主要污染物有:水(液態的水滴、水霧和呈氣態水蒸氣),殘留的潤滑油霧(霧狀油滴及油蒸氣),固體雜質(銹泥、金屬粉末、橡膠細末、焦油粒及濾材、密封材料的細末等)、有害的化學雜質以及其它雜質等。


      變質的潤滑油會使橡膠、塑料、密封材料變質,造成閥類動作失靈,污染產品。水分和粉塵會造成金屬器件,管道生銹腐蝕,造成運動部件卡死或磨損,使氣動元件動作失靈或漏氣,水分和塵土還會堵塞節流小孔或過濾網,在寒冷地區,水分結冰后造成管道凍結或凍裂。


      由于空氣質量不良,使氣動系統的可靠性和使用壽命大大降低,由此造成的損失往往大大超過氣源處理裝置的成本和維修費用,故正確選用氣源處理系統是絕對必要的。


      壓縮空氣中水分的主要來源是什么?


      壓縮空氣中水分的主要來源是隨同空氣一起被空壓機吸入的水蒸氣。濕空氣進入空壓機后,在壓縮過程中大量水蒸氣被擠壓而成液態水,會使空壓機出口處壓縮空氣的相對濕度大為降低。


      如系統壓力為0.7MPa、吸入空氣相對濕度為80%的情況下,從空壓機輸出的壓縮空氣盡管在壓力下呈飽和狀態,但若折合到壓縮前的大氣壓狀態,其相對濕度只有6~10%。就是說,經壓縮后的空氣含水量已經大大減少。但在輸氣管道和用氣設備里隨著溫度的逐漸下降,壓縮空氣中繼續會有大量液態水凝結出來。


      壓縮空氣中的油污染是怎樣引起的?


      空氣壓縮機的潤滑油、環境空氣中的油蒸氣和懸浮油滴及系統中氣動元件的潤滑用油是壓縮空氣中油污染的主要來源。


      目前在使用的空壓機,除了離心式和膜片式空壓機外,幾乎所有的空壓機(包括各類無油潤滑空壓機)都會或多或少有污油(油滴、油霧、油蒸氣及碳化裂變物)帶入用氣管道。


      空壓機壓縮腔的高溫會引起大約5%~6%的油汽化、裂化和氧化,以碳和漆狀膜的形式積沉于空壓機管道內壁中,輕的餾分就以蒸汽和微小懸浮物的形式被壓縮空氣帶進系統中。


      總之,對工作時不需要加潤滑材料的系統,所使用的壓縮空氣中,混有的一切油類和潤滑材料都可看作是油污染材質。對工作中需加進潤滑材料的系統,壓縮空氣中所含的一切防銹漆、壓縮機油均認為是油污染雜質。


      固體雜質是怎樣進入壓縮空氣的?


      壓縮空氣中的固體雜質來源主要有:


      ①周圍大氣中混有各類粒徑不一的雜質,即使空氣壓縮機吸氣口裝有空氣過濾器,但通常5μm以下的“氣溶膠”類雜質還是能隨吸入空氣進入到空壓機內部,在壓縮過程中與油、水混合進入排氣管道。


      ②空壓機工作時各零件之間的互相摩擦、撞擊,密封件的老化脫落,潤滑油在高溫下的碳化裂變都會講金屬微粒,橡膠粉塵及碳質裂變物等固體微粒帶入用氣管道。


      氣源設備是什么?有哪些?

      源設備就是壓縮空氣的產生裝置——空壓機(空氣壓縮機)??諌簷C的種類很多,常見的有活塞式、離心式、螺桿式、滑片式、渦旋式等。


      從空壓機輸出的壓縮空氣中,含有大量的水分、油分和粉塵等污染物,必須使用凈化設備適當清除這些污染物,以避免它們對氣動系統的正常工作造成危害。


      氣源凈化設備是多個設備、裝置的統稱。氣源凈化設備在行業里也常稱為后處理設備,通常是指儲氣罐、干燥機、過濾器等。


      ● 儲氣罐

      儲氣罐的作用是消除壓力脈動,依靠絕熱膨脹及自然冷卻降溫,進一步分離掉壓縮空氣中的水分和油分,儲存一定量的氣體。一方面可緩和短時間內用氣量大于空壓機輸出氣量的矛盾,另一方面可在空壓機出現故障或停電時,維持短時間的供氣,以便保證氣動設備的安全。


      ● 干燥機

      壓縮空氣干燥機,顧名思義是一種壓縮空氣的除水設備。常用的有冷凍式干燥機、吸附式干燥機兩種,另外還有潮解式干燥機、高分子隔膜式干燥機等型式。

      冷凍式干燥機是最常用的壓縮空氣除水設備,通常應用在一般氣源品質要求的場合。冷凍式干燥機是利用壓縮空氣中水蒸氣分壓由壓縮空氣溫度的高低決定的特性來進行降溫脫水干燥。

      壓縮空氣冷凍式干燥機,行業一般簡稱為“冷干機”。其主要作用是降低壓縮空氣中的含水量,即降低壓縮空氣的“露點溫度”。在一般工業用壓縮空氣系統中,是壓縮空氣干燥凈化(也稱后處理)的必備的設備之一。


      1基本原理

      壓縮空氣可通過加壓、冷卻、吸附等方法來達到去除水蒸氣的目的。冷凍式干燥機就是應用了冷卻的方法。

      我們知道,空壓機壓縮的空氣包含各種氣體以及水蒸氣,所以均為濕空氣。濕空氣的含濕量與壓力總體上成反比,即壓力越高,含濕量越少??諝鈮毫μ岣吆?,空氣中超出可能含量的水蒸氣將凝析成水(也就是說壓縮后的空氣體積變小,不能容納原有的水蒸氣)。

      這就相對于原來吸入時的空氣來說,含濕量變小了(這里指的是這部分壓縮空氣恢復到未壓縮狀態相比較而言)。

      但空壓機的排氣仍然是壓縮狀態的空氣,其水蒸氣含量處于最大可能值,也就是處于一種氣態和液態的臨界狀態。這時的壓縮空氣稱為飽和狀態,所以只要再稍微加壓,馬上就有水蒸氣由氣態變為液態,也就是凝析出水。

      假設空氣是一團吸了水的濕海綿,其含濕量就是吸入的水分。如果用力從海綿中擠壓出一些水,那么,這團海綿的含濕量相對就減小了。如果放手讓海綿恢復,自然就比原來的海綿要干燥。這也就達到了通過加壓來除水干燥的目的。

      如果在擠壓海綿不斷有水流出的過程中,到達某一個力度后不再加力,則水被擠出將停止,這就是飽和狀態。繼續再加大擠壓的力度,仍然還有水流出。

      所以,空壓機本體本身就具有除水的功能,用到的方法就是加壓,只不過,這不是空壓機的目的,而是“討厭”的累贅。

      為什么沒有將“加壓”作為壓縮空氣的除水手段呢?這主要是因為經濟性,提高1公斤壓力。消耗7%左右的能耗是相當不劃算的。

      而“冷卻”除水則相對比較經濟,冷凍式干燥機是利用如空調除濕相似的原理達到目的。因為,飽和水蒸氣的密度都是有極限的,在氣動壓力(2MPa范圍內),可以認為飽和空氣中水蒸氣的密度只取決于溫度高低,而與空氣壓力無關。

      溫度越高,飽和空氣中的水蒸氣的密度越大,水也就越多,反之,溫度越低水越少(這個從生活常識就能理解到,冬季干冷,夏季濕熱)。

      將壓縮空氣冷卻到盡量低的溫度,使其所含水蒸氣的密度變小,形成“結露”,匯聚這些結露形成的小水滴,并且排出去,就達到了去除壓縮空氣中水分的目的。

      因為涉及到結露凝析成水這一過程,所以溫度也不能低于“冰點”,否則出現結冰現象將不能有效排水。通常冷凍式干燥機的標稱“壓力露點溫度”大多為2~10℃。

      如0.7MPa的10℃的“壓力露點”換算成“常壓露點”為-16℃??梢岳斫鉃?,在不低于-16℃的環境下使用時,壓縮空氣向大氣排氣不會有液態水出現。

      壓縮空氣的所有除水方式都只是相對干燥,滿足某一要求的干燥度。絕對的去除水分是不可能辦到的,超出使用需求的追求干燥度也是非常不經濟的。

      2工作原理

      壓縮空氣冷凍式干燥機,通過對壓縮空氣冷卻降溫,使壓縮空氣中的水蒸氣凝結成液滴,從而達到減少壓縮空氣含濕量的目的。

      凝結出的液滴經過自動排水系統排出機外。只要干燥機出口的下游管路所處的環境溫度不低于蒸發器出口露點溫度,就不會產生二次結露的現象。


      3工作流程


      壓縮空氣流程:

      壓縮空氣進入空氣熱交換器(預熱器)【1】,將高溫的壓縮空氣溫度初步降低,再進入氟利昂/空氣熱交換器(蒸發器)【2】,壓縮空氣在其中被極速冷卻,大幅降低溫度至露點溫度,析出的液態水與壓縮空氣在水分離器中【3】進行分離,被分離出來的水份利用自動排水裝置將水份排出機外。

      壓縮空氣與低溫制冷劑在蒸發器【2】中換熱,此時的壓縮空氣溫度是很低的,近似等于露點溫度2~10℃。如果沒有特殊要求(即對壓縮空氣沒有低溫的要求),通常壓縮空氣將再回到空氣熱交換器(預熱器)【1】中,與剛進入冷干機的高溫壓縮空氣進行換熱。這樣做的目的:

      ① 有效利用干燥后的壓縮空氣的“廢冷”對剛進入冷干機的高溫壓縮空氣進行預冷卻,以降低冷干機的制冷負荷;

      ② 防止干燥后的低溫壓縮空氣引起后端管道外部出現結露、滴水、生銹等二次問題。

      制冷流程:

      制冷劑氟利昂進入壓縮機【4】,經過壓縮后壓力升高(溫度也升高),到稍大于冷凝器內的壓力時,高壓制冷劑蒸氣排入冷凝器【6】中。在冷凝器內,溫度和壓力較高的制冷劑蒸氣與溫度較低的空氣(風冷)或冷卻水(水冷)進行熱交換,從而將制冷劑氟利昂冷凝為液態。

      這時液態制冷劑再經毛細管/膨脹閥【8】降壓(降溫)后進入氟利昂/空氣熱交換器(蒸發器)【2】,在蒸發器內吸收壓縮空氣的熱量而氣化。被冷卻物體-壓縮空氣得到冷卻,而氣化的制冷劑蒸氣又被壓縮機吸走,開始下一個循環。


      制冷劑在系統中經過壓縮、冷凝、膨脹(節流)、蒸發四個過程完成了一個循環,通過連續不斷制冷循環,實現了冷凍壓縮空氣的目的。

      4各部件功能

      空氣熱交換器

      為防止外接管路的外壁形成冷凝水,經過冷凍干燥后的空氣離開蒸發器,在空氣熱交換器內與高溫、濕熱的壓縮空氣再次進行熱交換。同時進入蒸發器的空氣溫度大大降低。


      熱交換

      制冷劑在蒸發器內吸熱、膨脹,由液態變為氣態,壓縮空氣換熱降溫,使壓縮空氣中的水蒸氣由氣態變成液態。


      水分離器

      析出的液態水在水分離器與壓縮空氣分離,水分離器的分離效率越高,液態水重新揮發進入壓縮空氣的比例越小,壓縮空氣的壓力露點就越低。


      壓縮機

      氣態制冷劑進入制冷壓縮機經過壓縮,變為高溫、高壓氣態制冷劑。


      旁通閥

      如果析出的液態水溫度降到冰點以下,凝結的冰就會導致冰堵。采用旁通閥可以控制制冷溫度,將壓力露點控制在穩定的溫度(1~6℃之間)。


      冷凝器

      冷凝器降低制冷劑的溫度,制冷劑由高溫的的氣態變為低溫的液態。


      過濾器

      過濾器將制冷劑的雜質有效過濾。


      毛細管/膨脹閥

      制冷劑通過毛細管/膨脹閥后體積膨脹、溫度降低,變為低溫、低壓的液體。


      氣液分離器

      由于液態的制冷劑進入壓縮機會產生液擊現象,可能導致制冷壓縮機損壞,通過制冷劑氣液分離器保證只有氣態的制冷劑才能進入制冷壓縮機。


      自動排水器

      自動排水器定時將積聚在分離器底部的液態水排出機外。


      冷凍式干燥器具有結構緊湊,使用維護方便,維護費用較低等優點,適用于對壓縮空氣壓力露點溫度不是太低(0℃以上)的場合。


      吸附式干燥機是利用干燥劑對強制流過的壓縮空氣進行脫濕干燥。日常多采用再生型吸附式干燥機。


      ● 過濾器

      過濾器分為主管路過濾器、氣水分離器、活性炭除味過濾器、蒸汽除菌過濾器等等,它們的作用是清除空氣中的油污、粉塵、水分及其它雜質,以獲得潔凈的壓縮空氣。


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