深入探討壓縮空氣系統:涵蓋氣源設備、濕空氣處理和凈化技術的全方位解析!

壓縮空氣系統,狹義的來說由氣源設備、氣源淨化設備和相關管路構成,廣義來說,氣動輔助元件、氣動執行元件、氣動控制元件、真空元件等都屬於壓縮空氣系統的範疇。

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,將自然狀態的空氣壓縮成為具有較高壓力的壓縮空氣,經過淨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(O₂、N₂、CO₂…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乾空氣。 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,在壓縮空氣淨化系統中,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。

未飽和空氣成為飽和空氣的瞬間,濕空氣中會有液態水珠凝結出來,此現象稱為「結露」。 結露現像是常見的,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,使其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寡有關。 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。 空壓機出口溫度設計時必須確保不低於相應分壓力下的露點溫度。

常壓露點也就是大氣壓力下的露點溫度,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係與壓縮比有關,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。

從空氣壓縮機出來的壓縮空氣是很髒的。 主要污染物有:水(液態的水滴、水霧及呈氣態水蒸氣),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、塑膠、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裝置,管道生鏽腐蝕,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 冰後造成管道凍結或凍裂。

由於空氣品質不良,使氣動系統的可靠性和使用壽命大大降低,所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麼?

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。 濕空氣進入空壓機後,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幅降低。

如係統壓力為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儘管在壓力下呈飽和狀態,但若折合到壓縮前的大氣壓力狀態,其相對濕度只有6~ 10%。 就是說,壓縮後的空氣含水量已經大大減少。 但在輸氣管路和用氣設備裡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麼引起的?

空氣壓縮機的潤滑油、環境空氣中的油蒸氣及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造成大約5%~6%的油汽化、裂解和氧化,以碳和漆狀膜的形式積沉於空壓機管道內壁中,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視為油污染材質。 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。

固體雜質是怎麼進入壓縮空氣的?

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。

  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 。

氣源設備是什麼? 有哪些?

氣源設備就是壓縮空氣的產生裝置-空壓機(空氣壓縮機)。 空壓機的種類很多,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,必須使用淨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。

氣源淨化設備是多個設備、裝置的統稱。 氣源淨化設備在業界也常稱為後處理設備,通常是指儲氣罐、乾燥機、過濾器等。

  • 儲氣罐
    儲氣罐的功能是消除壓力脈動,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於空壓機輸出氣量的矛盾,另一方面可在空壓機故障或停電時,維持短時間的供氣,以便確保氣動設備的安全。
  • 乾燥機
    壓縮空氣乾燥機,顧名思義是一種壓縮空氣的除水設備。 常用的有冷凍式乾燥機、吸附式乾燥機兩種,另外還有潮解式乾燥機、高分子隔膜式乾燥機等型式。

    冷凍式乾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需求的場合。 冷凍式乾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乾燥。

    壓縮空氣冷凍式乾燥機,業界一般簡稱為「冷乾機」。 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,是壓縮空氣乾燥淨化(也稱為後處理)的必備的設備之一。

1、基本原理

壓縮空氣可透過加壓、冷卻、吸附等方法來達到去除水蒸氣的目的。 冷凍式乾燥機就是要應用了冷卻的方法。

我們知道,空壓機壓縮的空氣包含各種氣體以及水蒸氣,所以都是濕空氣。 濕空氣的含濕量與壓力整體成反比,即壓力越高,含濕量越少。 空氣壓力提高後,空氣中超出可能含量的水蒸氣將凝析成水(也就是說壓縮後的空氣體積變小,無法容納原有的水蒸氣)。

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

但空壓機的排氣仍是壓縮狀態的空氣,其水蒸氣含量處於最大可能值,也就是處於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成液態,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,那麼,這團海綿的含濕量相對就減少了。 如果放手讓海綿恢復,自然就比原來的海綿乾。 這也就達到了透過加壓來除水乾燥的目的。

如果在擠壓海綿不斷有水流出的過程中,到達某一個力度後不再加力,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。

為什麼沒有將「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划算的。

而「冷卻」除水則相對比較經濟,冷凍式乾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範圍內),可以認為飽和空氣中水蒸氣的密度只取決於溫度高低,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,冬季乾冷,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,並且排出去,就達到了去除壓縮空氣中水分的目的 。

因為涉及結露凝析成水這一過程,所以溫度也不能低於“冰點”,否則出現結冰現象將不能有效排水。 通常冷凍式乾燥機的標稱「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℃。 可以理解為,在不低於-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乾燥,滿足某一要求的乾燥度。 絕對的去除水分是不可能辦到的,超出使用需求的追求乾燥度也是非常不經濟的。

2、工作原理

壓縮空氣冷凍式乾燥機,透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。 只要乾燥機出口的下游管路所處的環境溫度不低於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

壓縮空氣冷凍式乾燥機,透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。 只要乾燥機出口的下游管路所處的環境溫度不低於蒸發器出口露點溫度,就不會產生二次結露的現象。

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,沉澱的液態水與壓縮空氣在水分離器中【3】分離,分離出來的水利用自動排水裝置將水排出機外。
壓縮空氣與低溫冷媒在蒸發器【2】中換熱,此時的壓縮空氣溫度是很低的,近似等於露點溫度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,與剛進入冷乾機的高溫壓縮空氣進行換熱。 這樣做的目的:

① 有效利用乾燥後的壓縮空氣的「廢冷」對剛進入冷乾機的高溫壓縮空氣進行預冷卻,以降低冷乾機的冷卻負荷;

② 防止乾燥後的低溫壓縮空氣造成後端管道外部出現結露、滴水、生鏽等二次問題。

冷凍流程:

冷媒氟利昂進入壓縮機【4】,經過壓縮後壓力升高(溫度也升高),到稍大於冷凝器內的壓力時,高壓冷媒蒸氣排入冷凝器【6】。 在冷凝器內,溫度和壓力較高的冷媒蒸氣與溫度較低的空氣(風冷)或冷卻水(水冷)進行熱交換,將冷媒氟利昂冷凝為液態。

這時液態冷媒再經毛細管/膨脹閥【8】降壓(降溫)後進入氟利昂/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,而氣化的冷媒蒸氣又被壓縮機吸走,開始下一個循環。

冷媒在系統中經過壓縮、冷凝、膨脹(節流)、蒸發四個過程完成了一個循環,透過連續不斷製冷循環,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,經過冷凍乾燥後的空氣離開蒸發器,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
冷媒在蒸發器內吸熱、膨脹,由液態變成氣態,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
沉澱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越低。

壓縮機
氣態冷媒進入冷凍壓縮機經過壓縮,變成高溫、高壓氣態冷媒。

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。 採用旁通閥可以控製冷凍溫度,將壓力露點控制在穩定的溫度(1~6℃之間)。

冷凝器
冷凝器降低冷媒的溫度,冷媒由高溫的的氣態變成低溫的液態。

過濾器
過濾器將冷媒的雜質有效過濾。

毛細管/膨脹閥
冷媒通過毛細管/膨脹閥後體積膨脹、溫度降低,變成低溫、低壓的液體。

氣液分離器
由於液態的冷媒進入壓縮機產生液擊現象,可能導致冷凍壓縮機損壞,透過冷媒氣液分離器確保只有氣態的冷媒才能進入冷媒。

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。

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

吸附式乾燥機是利用乾燥劑對強制流過的壓縮空氣進行脫濕乾燥。 日常多採用再生型吸附式乾燥機。

過濾器
過濾器分為主管路過濾器、氣水分離器、活性碳除味過濾器、蒸氣除菌過濾器等等,它們的作用是清除空氣中的油污、粉塵、水分及其它雜質,以獲得潔淨的壓縮 空氣。

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