空气的压缩与净化系统

自然界的空气中含有一些固体颗粒、灰尘及水份等，经过压缩时，压缩机中又有部分润滑油会混入到压缩空气中去。因此，经压缩机产生的压缩空气实际上是一种不干净、不干燥、含有固体灰尘、碳粉、水和油等各种杂质的压缩气体。在气动回路中,直接使用这种未经净化处理的气体,会使气动元件的寿命降低或损坏，引起气动回路故障,导致生产效率下降,维修成本增高。因此,净化压缩气体是气压传动系统中必不可少的一个重要环节。对压缩气体进行净化处理,就是要去掉气体中那些影响气压控制系统正常工作的水份、油份、固体尘埃和一些碳化物，满足系统正常工作的需要。
3.1空气压缩机的工作原理与分类

空气压缩机能将电机或内燃机的机械能转化为压缩空气的压力能。空气压缩机分为往复式与回转式两大类。往复式可细分为活塞式与膜片式，回转式可细分为叶片式与螺杆式。

一、
单级活塞式空气压缩机

图3.3
膜片式压缩机

图3.2
两级活塞式压缩机

图3.1是一个活塞式空气压缩机的原理图,图中的曲轴连杆机构在原动机的驱动下作旋转运动。与连杆相连的活塞下移时,把大气抽进来，当活塞上移时,把空气压缩出去。依靠这种动力转换,便可得到具有一定压力的压缩空气。这种型式的压缩机通常用于需要3～7bar的气压传动系统。二、
两级活塞式压缩机

在单级活塞式压缩机中，若空气压力超过6巴，产生的过热将大大地降低压缩机的效率.因此，工业中使用的活塞式压缩机通常是两级的。即由两个阶段将吸入的大气压空气压缩到最终的压力。

如果最终压力为7巴，第一级通常将它压缩到约3巴，然后被冷却，再输送到第二级中压缩到7巴。
压缩空气通过中间冷却器后温度大大下降，再进入第二级气缸。因此，相对于单机提高了效率。两级活塞式压缩机最后输出的温度可控制在120℃左右。
三、膜片式压缩机

图3.3所示的膜片式压缩能提供5巴的压缩空气。由于它完全没有油，因此广泛用于食品、医药和相类似的工业中。膜片使气室容积发生变化，在下行程时吸进空气，上行程时压缩空气。

四、旋转叶片式压缩机

图3.4所示的这种旋转叶片式压缩机安装有一个偏心转子，其上有一组可在径向槽中滑动的叶片。
当转子旋转时，离心力使得叶片与定子内壁相接触，从进口到出口，相邻两叶片间的空间逐渐减少，因此能压缩空气。

在进气口的附近向气流喷油目的是起润滑和密封作用，油同时也能带走一部分压缩空气时产生的热量，把输出的温度限制在190℃左右。

五、螺杆式压缩机

图3.5所示的螺杆式压缩机，由电动机带动两个啮合的螺旋转子以相反方向运动，它们当中自由空间的容积沿轴向减少，从而压缩两转子间的空气。利用喷油来润滑密封的两旋转螺杆，油分离器将油与输出空气分开。

此类压缩机可连续输出流量可超过400m3／min，压力高达10巴。

和叶片式压缩机相比，此类压缩机能输送出连续的无脉动的压缩空气。 虽然螺杆式和叶片式压缩机愈来愈受青睐，但目前工业上最普遍使用的仍然是往复式压缩机。

3.2 空压机的特性参数

一、压缩机的容量

压缩机的容量或输出量用标准容积流量来表示，单位为：

—立方米/秒 ， —立方米/分,
——升/分。

其下标n表示是在自由空气状态下的容积流量，称为标准容积流量。容量也可用排量或“理论输入量”来表示，对活塞式压缩机来说：

Q(l／min)=活塞面积(dm2)×行程(dm)×第一级气缸数×转速(rpm)

对于两级压缩机，仅考虑其第一级气缸。由于容积和热量损失，输出量通常比输入量为少。在压缩冲程末端，不可能将所有的压缩空气排出，因此容积损失是难免的。压缩后还留有一定的空间，称之为“死容积”。热量损失是由于压缩过程中温度很高，因此容积增大，当冷却至室温时，其容积又减少。(见第二章中的查理定律)。

二、容积效率

比值： 用百分数表示时，叫做容积效率，它随压缩机尺寸大小、型号、结构、级数和最终的压力变化而改变。二级压缩机的容积效率小于一级，因为第一、二级气缸之间有“死容积”。

三、热效率及总效率

除了上述损失外，热量的影响也使压缩空气的效率降低.这些损失使总效率进一步减少，减少的程度取决于压缩比和负荷。满量工作的压缩机积聚了大量的热量从而降低了效率。在两级压缩机中，压缩比逐渐减小，部分在第一级中被压缩的空气在第二级气缸被压至最终压力前，经过中间冷却器冷却。

例如，如果第一级气缸吸入的大气被压缩到它体积得1/3，那末，在输出处它的绝对压力将达3bar（ABS），相对来说，由于压缩比小而产生的热量相对较低，压缩空气通过中间冷却器后输入第二级气缸，然后又被压缩到它的体积的1/3，于是空压机的最终输出压力为9bar（ABS）。

在一级压缩机中直接把大气压缩到9bar（ABS）,其产生的热量要比二级压缩机要多得多，总效率也将大大下降。从图3.6中可知，最终压力为9bar（ABS）时，单级空压机的总效率为65%，而双级空压机的总效率为80%。

单级压缩机的最终压力较低，其纯容积效率较高。然而，随着最终压力的逐渐增加，热量损失变得愈来愈重要，具有较高热效率的二级压缩机的优越性就体现出来了。

“单位能量消耗”是衡量总效率的指针，并且能用于估计制造压缩空气所需的费用。平均估算：1kw电能产生120—150l／min(=0.12—0.15 ／min／kw)工作压力为7巴的压缩空气。确切的数据需根据压缩机的尺寸大小和型号来确定。
图3.7
压缩后的粉尘

四、压缩机的入口过滤器及精度

典型的城市空气含有4000万单位／m3的固体颗粒，即灰尘、油泥、花粉等。如果这种空气被压缩到7巴，那么浓度将达到3.2亿单位／m3。压缩机工作可靠的一个重要条件是必须提供合适且有效的过滤器，以免气缸和活塞环过量损耗，这种损耗主要是由于这些不纯物质的摩擦而引起的。压缩机的进气过滤器不需太细密，因为压缩机的效率随空气阻力的增加而减少。因此，细小的颗粒(2～5μ)不能滤掉。空压机的吸气口应设置得尽可能远，干净的干燥空气向上流动，进气管的直径应足够大，以避免遇大的压力降。当应用消声器时，过滤器应放在它的上端以尽可能减小空气流的脉动。

经压缩机压缩产生的压缩空气,除含有水份外,还含有油份和粉尘。它们在压缩空气中的形态如图3.7所示。在一个大气压下，单位体积的空气里所含的粉尘,经压缩后,含尘量并不改变。其结果是压缩空气中单位体积里所含有的粉尘的密度增高。这种含有固体颗粒、粉尘的压缩空气进入气动回路的各元件中,将会破坏元件的运动表面,堵塞一些窄小的阻尼小孔和喷咀,影响压缩空气的正常流动,导致元件的误动作,使系统难于正常工作。
3.3 空气的品质及处理过程

一、
压缩空气的品质分级与应用场合

压缩空气根据其过滤程度不同可分为八个等级，如图3.8所示。各等级的压缩空气可应用于不同的场合，具体情况如表3-1所示。

二、后冷却器

压缩后空气将很热，当冷却时，将不可避免地在空气管道上产生大量的凝结水，除去们的最有效方法是在压缩后立即将空气送人后冷却器。后冷却器是一种热交换器，既可用空气冷却又可用水冷却。

空气冷却式后冷却器原理入图3.9 所示，压缩空气通过一束束管道，由风扇产生的冷空气，强迫吹向管道，被冷却的压缩空气输出口温度大约比室温高15℃。空气冷却式后冷却器：

（一）应安装在容易维修和保养的位置。

（二）保持良好通风效果，冷却器与墙
壁最少保持20公分距离。

（三）保持散热片清洁。

（四）确保凝聚的水份能适当排掉。

水冷却式后冷却器原理入图3.10 所示。在钢壳式管左侧为水进出端，上部为压缩空气进出端，它们以相反的方向通过冷却器。水冷却的后冷却器必须保证输出空气的温度比冷却水的温度高大约10℃左右。通常在冷却器的底部有一个自动排水器和后冷却器连接或做成一体以除去水分等凝结物。

水泠却式后冷却器在安装时应注意：

（一）
应装上安全阀，压力表，并建议装入水和空气的温度计。

（二）
应安装在容易维修和保养的位置。

（三）
避免污染物降低冷却效能，在入口前应加装10μm的过滤器。

（四）
采用洁净冷却水避免冶却管道被腐蚀。

（五）
警告开关显示水源供应问题。

（六）
经常检测出水温度并保持管度洁净畅通。

（七）
安装自动排水器并确保凝聚的水份能被适当排掉。

表3-1
空气的品质定义和应用

系统

组合

去除程度

空气氯质量

应用

1

过滤器

尘埃粒子>5μ

油雾>99％

饱和状态的湿度>96％

允许有一点固态的杂

质、湿度和油的地方。

用于车间的气动夹具，夹盘，吹扫压缩空气，和简单的气动设备。

2

油雾分离器

尘埃粒子>0.3u，

油雾>99.9％

饱和状态的湿度99％

要去除灰尘，油，但

可存在相当量冷凝水。

一般工业用的气动元件和气动控制装置，驱动气动工具和气动马达。

3

冷干机+

过滤器

湿度到大气压露点

-17℃，其它同(1)

绝对必要去空气中的水份，但可允许少量细颗粒的灰尘和油的地方。

用途同(1)，但空气是干燥

的，也可用于一般的喷涂。

4

冷干机+

油雾分离器

尘埃粒子>0.3μ，

油雾>99.9％

湿度到大气压露点

-17℃

无湿度，允许有细小的灰尘和油的地方。

过程控制，仪表设备，高质量的喷涂，冷铸压铸模

5

冷干机+

油雾分离器

尘埃粒子>0.01μ

油露>99.9999％

湿度同(4)

清洁空气需要去除任何杂质。

气动精密仪表装置，静电喷涂，清洁和干燥电子组件。

6

冷干机+

微雾分离器

7

冷干机+

油雾分离器

微雾分离器

除臭过滤器

同(5)，并除臭

绝对清洁空气，同(5)，且用于需要完全没有臭气的地方。

制药，食品工业包装，输送机和啤酒制造设备，空气呼吸。

8

冷干机+

油霜分离器

无热再生式干燥机

微雾分离器

所有的杂质如(6)，

且大气压露点在

<-30℃

必须避免当膨胀和降低温度时出现冷凝水的地方。

干燥电子组件，储存药品，舶用仪表装置，使用真空输送粉末。

三、储气罐及选择计算

储气罐是由钢板焊接制成的压力容器，水平或垂直地直接安装在后冷却器后面来储存压
缩空气。因此，可以减少空气流的脉动。它的重要功能是贮备足够的空气来满足超出压缩机容量的要求，尽可能减少压缩机经常发生的“满载”与“空载”现象，同时它可进一步冷却压缩空气，凝结从后冷却器中出来的油和水份，对压缩空气作初步净化处理。因此，最好将储气罐放在阴凉处。

在储气罐上装有安全阀、压力表、排水阀以及便于检查和清洁其内部的入孔盖。

储气罐尺寸大小的选择计算是根据压缩机的输出量，系统的尺寸大小以及需求量是否恒定来确定的。

通常将若干个压缩机组成一个供气网络，以保证在最小用气量与最大用气量之间进行切换。压缩机的压力通常通过“自动控制”，在最小压力和最大压力之间切换。这就需要一个“最小储气罐容积”以避免这种频繁的切换。

由内燃机驱动的流动压缩机将空气压到最大压力后也不停止，但吸气阀上升以便空气自由地进入气缸而不被压缩，压缩和空载运动之间压力差很小，这时仅需较小储气罐。

对工厂来说，计算储气罐尺寸的原则是：

储气罐容量≈压缩机每分钟压缩空气的输出量

(不是FREE AIR DELIVER)

例如，压缩机输出 的流量(自由空气)，平均压力为7巴，因此压缩空气每分钟输出量为18000／7≈2750l，即容积为2750 l的储气罐是合适的。

四、主路过滤器

在储气罐后应装一个大容量的主管道过滤器，除去从压缩机中带来的油雾和空气中的水份等杂质。过滤器必须保证最小的压降，并能除去压缩机中带来的油雾，以避免冷凝物在管道中的乳化作用。它没有那种标准空气过滤器中的导流板。而装在内部的自动排水器或接上外部的自动排水器能确保排出聚积的水。

这种过滤器的滤芯一般是快速更换筒型滤芯。过滤精度一般由3μm至5μm，滤芯由合成纤维制造，由于纤维以矩阵形式排列，气体需径过迂回途径才能离开滤芯，因而亦发挥过滤效能。

主路过滤器在安装中应注意：

1．
主路过滤器应安装在阴凉地方。

2．
安装自动排水器并确保凝聚的水份能自动排掉。

3．
滤芯的压力降可利用装在过滤器入口和出口的压力表来检测。压力降会由于滤芯堵塞而上升，若压力差超过(1 BAR)便需更换滤芯。

4．
滤芯为弃置形式，不能清洁，需更换新滤芯。


五、空气干燥器

后冷却器将空气冷却到比冷却媒介高10—15℃。气动系统控制和操作组件的温度通常为室温(大约20℃)。这意味着没有凝结物的进一步积聚，同时剩下的湿气通过输出同排气一起排入大气。但是，离开后冷却器的空气温度比管道输送的环境温度高，例如在晚间，这将进一步冷却压缩空气，将更多的水蒸汽凝结成水。

1-热解交换器
（输入、输出气体）
2-热交换器
（输入气体、氟里昂）
3-恒温阀
4-冷量调节阀
5-氟里昂压缩机
6-压力开关
7-气体过滤器
8-自动排水器
9-散热风扇
10-氟里昂冷却器

用于干燥空气的方法是降低露点，这个温度，空气完全使湿气达到饱和(即100％相对湿度)。露点越低，留在压缩空气中的水份就越少。

有三种主要型式的空气干燥器：冷冻式、吸收式和吸附式。

（一）
冷冻式空气干燥器

冷冻式空气干燥器是一个机械装置，它包含了一个冷冻回路和两个热交换器。潮湿高温空气通过第一级热交换器1将部分热量传递给冷却干燥后的输出空气，它就被预冷却。热交换器2中有一个制冷回路，在这个回路中蒸发氟里昂致冷剂需吸收热量，所以使空气进一步得到了冷却。此时水份和油雾凝结并自动排除。干燥冷空气再通过热交换器1，又从进入热交换器1的潮湿高温空气处得到热量，这就避免在输出口结露并增加了制效果冷。

尽管在一般应用中压缩空气的温度达到5℃就足够了，然而用现代方法使输出温度达到2℃是可能的。输入温度可高达60℃，但进行预冷以得到较低输入温度比较合乎经济。一般来说，用这种方法干燥空气的费用为压缩空气费用的10～20％。

（二）
吸收式(潮解式)干燥器

吸收式干燥器工作原理如图3.14说所示。压缩空气被强迫通过如干燥白垩、固态氯化镁、氯化锂或氯化钙等干燥剂时，湿气与这些物质产生化学反应，形成的乳化液从底部排除，穿过干燥剂的压缩空气从上部输出。

干燥剂必须在一定的时间内进行补充，因为随着这类“盐”的消耗，露点会提高。但是7巴压力下露点为5℃是可能的。

这种方法的主要优点是它的基本建设和操作费用都较低。但是进口温度不得超过30℃，其中的化学物质是强烈腐蚀性的.必须仔细检查滤清，防止腐蚀性的雾气进入气动系统中。

三）吸附式(干燥剂)干燥器

图3.15是无热吸附式干燥器的原理图在2个直立的容器内的粒状硅胶或活性铝，可物理性吸收穿过它们的压缩空气中的水份。当干燥剂饱和后，可通过部分早先干燥的空气流过，使其再生。湿的压缩空气通过方向控制阀进入干燥筒1。干燥空气从输出口流出。10～20％的干燥空气通过节流孔02进入干燥筒2，相反吸收干燥剂中的水份而使它再生，这些再生空气然后被排入大气。

由一个定时器周期性地切换方向控制阀，让输入空气交替地进入一个干燥筒和另一个再生筒。从而不断地输出干燥空气。

在干燥箱内安装有一个颜色指示器，可监视饱和程度，在输出口必须装一个微过滤器防止夹带吸附剂的微粒雾气.采用这种干燥方式的初期投入和操作费用相对来说较高，但维护费用较低。当要求露点特别低的压缩空气时，如-40℃，可用此方法干燥。

这三种压缩空气的干燥方式并非需要同时应用。一般气源系统都加有冷冻干燥机，在露点温度要求特低时（如-40℃），可采用吸附式干燥器。而吸收式干燥器使用相对较少。

六、压缩空气的输送管道

空气主管道是一个固定安装的用于把空气输送到各处的耗气系统。必须安装断路阀，它能在维修和保养期间把空（一）终端管道：

在图3.16所示的典型终端管道系统中，为了有助于排水，管道应在流动方向上有1：100的斜度，这样就可适当排水。

在适当距离用两个长的清除直角弯头和一个装在低处的腿状排水管道，主管道就能达到最初的高度。

（二）环状管道

在图3.17所示的典型环状主管道系统中，压缩空气主要是从两边输入到达高的消耗点。这可减至最低的压力降。可是冷凝水会流向各个方向，因此必须提供足够的自动排水装置。 （三）分支管道
无论是终端管道还是环状管道，都需与分支管道相联，将压缩空气输送到气动设备上。如果系统不安装有效的后冷却器和空气干燥器，所有的工作管道将成为冷却表面，水和油会在整个管道长度上积聚。如图3.18a所示，分支管道从主管道的顶部引出，是为了防止主管道里的水流入分支管道内。而在管道底部积存的水必须排走，排水点是在气管的低处，安装相同的三通接头引出（图3.18b），排水可定期由人工完成或安装自动排水器完成。安装自动排水器花钱虽多，但节省人工操作时间，可解决人工排水时，因为忘了排放主管道内的冷凝水将会污染导致许多问题。
七、自动排水器

自动排水器分为浮子式排水器和电动排水器两种类型，如图3.19、图3.20所示。

（一）浮子式排水器

在图3.19所示的浮子式排水器中，管子导向浮子运动，且管子内部连接到大气是通过过滤器、溢流阀、弹簧压着的活塞和沿着手动操作杆的孔。

凝结物在水杯的底部聚集，当它上升到足以使浮子从浮子座上移开时，杯中的压力使活塞移动到右面位置打开排水器阀座放水。浮子因下降而切断作用在活塞上的输入空气。

溢流阀在浮子关闭喷嘴时限制滞留于活塞上的压力，当这一空气通过溢流阀起作用的泄漏口泄漏时，设定的值保证了恒定的活塞复位时间。

（二） 电机驱动的排水器

图3.20所示是自动排水器的一个类型，凸轮旋转，拨动杠杆操作截止阀，定期地排除凝结物。它具有在任何方位上都能工作的优点，并能很好地抵抗振动。因而，用于流动压缩机，公共汽车及卡车的气动系统中。

八、计算压缩空气主管道的大小

空气主管道的费用在压缩空气装置的最初费用中占很高比例，过小管子直径，尽管降低了费用，但会增加系统中空气的压力降，操作费用会增加并会超过使用较大直径管子的额外费用。安装费在总费用中占很大一部分，这费用对不同尺寸的管子差别很小，安装一个直径25mm的管子的费用与一个直径50mm的管子很接近，但是50mm管子的流量是四倍于25mm管子的流量。

在一死循环的环状管道系统中，任何输出点由两条管道途径供气，在确定管道尺寸时，这种双重供给应忽略不计，而假定在任何时刻空气只通过一个管道供给。

空气主管道和支路管道的尺寸是由空气速度的极限决定的，通常认为这个极限是6m／s，当支路的压力为6巴左右，长度上有好几米的情况下速度可达20m／s。从压缩机到支管道末端的压力降不应超过0.3巴，图3.21是我们决定管道直径的依据。

弯管和阀会形成附加摩擦阻力。这种摩擦阻力可换算成增加管道长度所产生的压力损失，表3.2给出了各种常用接头的换算长度。 表3.2
主要接头换算成管子长度表

十二个接头对流动的阻碍大致相当于10m的附加管子长度，这样管子的有效长度就是135m，因而每米ΔP：30kPa／135m=0.22kPa／m。再参照图3.21，管子尺寸现在大约画在65mm内径(I.D)处，名义尺寸为65mm，实际内径为68mm的管子在这里是可以的。

注意：在新安装主管道时，在尺寸上应考虑将来发展的可能性。

九、管子的材料及管径判别

压缩空气的输送管道分为标准气体管(SGP)、不锈钢管、铜管和橡胶软管四种。主管道和分支管道一般都采用标准气体管，在要求耐腐蚀、耐热和刚性好的场合，可采用铜管。在一般气动设备上，普遍使用橡胶软管或强化塑料管,而在需要很大很直的大直径主管道时，采用不锈钢管。
标准气体管(SGP)通常是钢管或可锻铁管，可通过发黑或电镀锌耐腐蚀。这种类型的管子适于拧入可锻接头。对直径超过80mm的管子采用焊接法兰形式通常比车制螺纹更经济。标准碳钢气体管的技术参数和橡胶软管的技术参数见表3.3和表3. 4。

气动设备上的压缩空气处理

经过分支管道输出的压缩空气仍然含有少量粉尘和水份。除此以外，还含有碳化了的油的细粒子、管子的绣斑、以及其它杂质，如管道密封件磨耗了的材料，呈胶状的物质等。所有这些物质都会致使气动设备受害，增加气动组件的橡胶密封件和零件的磨损，使密封件产生膨胀和腐蚀。从而使阀被卡住。因此，通常在气动回路的最前端，安装有过滤器以去除这些杂质，使空气得以比较清洁。

为了保证气动设备工作稳定及高速运动的需求，压缩空气在进入气动设备前还要安装调压阀与油雾器进行调压与加润滑剂的处理。过滤器、调压阀与油雾器通常称为气动三联件，常安装在气动设备的最前端。气动三联件如图3.29所示。它简称为FRL。F（Filter）、R（Regulator）、L（Lubricator）分别指过滤器、调压阀和油雾器。过滤器、减压阀和油雾器组件，可用夹子和隔板连接起来作为空气处理单元。下面将对这些元件作详细介绍。

一、过滤器

（一）标准过滤器

标准过滤器如图3.30所示，包括水分离器和过滤器。水份的分离主要产生在空气输入侧，通过导流板引起空气急速旋转。污物、水和油的较重的粒子向外抛到过滤器杯子的内壁，然后回转下降落到底部沉积。凝聚在过滤器内的大量水份又可阻止固体杂质，像粉尘和绣斑等物质等通过。液体通过手动排水塞或自动排水器排出。阻挡板在打旋空气下方产生一个静态区域，阻止分离出来的液体重新回到空气流中。

过滤芯去除尘埃、杂质和焦油的细粒，只让气流通过输出口。标准的过滤单元能去除污物小到5微米(um)的大小粒子。过滤芯因长期使用而阻塞，可造成严重压力降。因此需经常清洗，以便重复使用多次。

过滤器的杯子通常由聚碳酸脂材料制成，为了安全，这种杯子必须用一个金属的罩杯护套来保护。在化学危险品的环境中，必须使用专门的杯子材料。若需受热、有火花等环境，则必