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壓縮空氣因其特有的特性優(yōu)勢,被廣泛的應(yīng)用于各行各業(yè),隨著人工智能、自動化技術(shù)、凈化技術(shù)、節(jié)能技術(shù)的發(fā)展,壓縮空氣被應(yīng)用的領(lǐng)域得到了更大的拓展。但壓縮空氣中含有灰塵、水、水蒸氣、油、油蒸氣及其它機械摩擦雜質(zhì),如不進行有效的處理,將給后續(xù)壓縮空氣凈化設(shè)備、輸送管道及用氣設(shè)備和工藝造成不利的影響,也影響壓縮空氣作用的發(fā)揮。本文簡要介紹清除壓縮空氣中所含顆粒的幾種原理。
每立方米壓縮空氣中所含有的粒子數(shù)量稱為“含塵量”,用固體粒子的質(zhì)量濃度mg/m3來表示,即每m3氣體中所含的粒子個數(shù)。
在現(xiàn)代工業(yè)動力氣源系統(tǒng)中,常將固體粒子按其粒徑分成0~5μm、5~10μm、10~25μm、25~50μm、50~75μm等群落,對不同群落的粒子采用不同方法進行清除。
壓縮空氣中所含粒子有一個特性:干燥器前方的所有固體粒子幾乎全部懸浮在飽和空氣之中,即所有粒子表面都可能被液態(tài)水或油層所蒙復(fù),在固體粒子的清除過程中也能把水、油等雜質(zhì)除去一部分,這種分離方式稱為“濕態(tài)分離”。通常對于微小粒子,濕態(tài)分離的效率要比分離干燥的粒子更高些,但缺點是增加了分離設(shè)備負荷。
慣性,是物質(zhì)固有的屬性,是一種抵抗的現(xiàn)象,它存在于每一物體當(dāng)中,大小與該物體的質(zhì)量成正比,并盡量使其保持現(xiàn)有的狀態(tài),不論是靜止?fàn)顟B(tài),或是勻速直線運動狀態(tài)。若在壓縮空氣流動過程中,改變壓縮空氣流動規(guī)律,讓其旋轉(zhuǎn)起來或其前方突然有障礙物,有一定的質(zhì)量固體顆粒將被分離出來。慣性分離常有離心式分離和擋板式分離。
1)離心式分離是通過在濾筒中設(shè)計螺旋擋板或用其他方式,讓流經(jīng)的壓縮空氣在濾筒內(nèi)旋轉(zhuǎn)起來,通過離心效應(yīng)(如圖示)將固體顆粒分離出來。氣體旋轉(zhuǎn)速度愈大,由不同物質(zhì)慣性差異產(chǎn)生的分離效果也愈好,但同時壓力損失也愈大。具體原理如下:
在旋轉(zhuǎn)流體中,懸浮顆粒主要受到以下三個力的作用,即:⑴流體作圓周運動而產(chǎn)生的離心力;⑵顆粒本身的重力;⑶流體對顆粒向上的浮力。在這三種力的聯(lián)合作用下,受到離心力的較大的顆粒被拋向外壁,然后向下沉降,但微小的顆粒將隨氣流向上遷移。所能分離的顆粒最小粒徑稱為“切割粒徑”dp,
式中 C0 ——氣流在垂直方向上的平均速度,
qv ——進入分離器空氣的容積流量,Nm3/s;
D ——旋風(fēng)分離器直徑,m;
ρ——空氣在空壓機吸氣狀態(tài)下的密度,kg/m3;
ρp——粒子密度,kg/m3;
H ——粒子在分離器中垂直方向的移動距離,m;
L ——粒子在分離器中水平方向處的移動距離;
g——重力加速度,9.8m/s3
ac——平均向心加速度,m/s3,
cd——流體的圓周速度,
r——代表半徑,
ξ——阻力系數(shù),是雷諾數(shù)的函數(shù),數(shù)值參見下表;
k——球形系數(shù):球形1為1,錐形為1.5,長條形為1.76,針形為3.8。
利用慣性分離中離心式分離原理制造的過濾器,稱之為旋風(fēng)分離器,其流通能力可達0.04~400Nm3/min,壓力損失隨分離效率的提高而上升,一般在400~15000Pa左右。
2)擋板分離(如下圖參考圖形)
擋板常采用平板形和V形兩種類型,擋板放置時一定與迎風(fēng)面有一定的傾角。其切割粒徑dp=10~40μm。為增加捕集效果,可以采用幾塊擋板組合成“百葉窗式”,形成分級捕集,其效率可以到達50%,切割粒徑也可到13.5μm。
擋板分離的“濕態(tài)分離”效果比分離干燥粒子要好,因為包覆水滴、油霧的粒子一旦和擋板發(fā)生碰撞,很薄的一層水就順著擋板表面流下來,并在擋板邊緣積聚成更大粒徑的水珠,在重力作用下落入收集器。V形擋板的捕集率要大于平板形擋板,且壓力降也要小很多。
以上兩種以慣性分離的分離器經(jīng)久耐用、體積不大、初成本和運行費用低,對各種成分的污染物都有一定的凈化作用。但對于20μm以下的小粒徑顆粒的分離效率不高。
過濾凈化是去除壓縮空氣中固體微粒、霧狀水滴、油霧及有蒸汽的主要方法,其主要設(shè)備是多種類型的過濾器,是利用物理阻隔技術(shù)來分離介質(zhì)中其他成分的一種設(shè)備。根據(jù)過濾對象和凈化指標(biāo)的多樣性,可供使用的過濾材料也是各種各樣的。主要有粗效過濾器(過濾5μm以上的顆粒)、主管道過濾器(過濾1~10μm的顆粒)、除油過濾器(過濾0.01~1μm的顆粒)、除臭過濾器(過濾以0.01μm為準,常見活性炭過濾器)。
這種類型過濾器是非再生的,壓力損失也隨使用時間延長而增大(初始壓降為1500~2500Pa),使用壽命在2000h~8000h之間,與過濾材質(zhì)與使用條件有關(guān),
重力沉降是依靠地球引力場的作用,利用顆粒與流體的密度差異,使之發(fā)生相對運動而沉降。一種使懸浮在流體中的固體顆粒下沉而與流體分離的過程。也是從氣流中分離出塵粒的最簡單方法。只有顆粒較大,氣速較小時,重力沉降的作用才較明顯。利用該辦法來凈化壓縮空氣主要在儲氣罐中進行。
利用重力沉降法,能夠完全脫離氣流而沉積下來的最小微粒直徑由下式確定:
式中:μ——空氣的動力粘度,Pa·s;
ρp——微粒的密度,kg/m3 ;
ρa——壓縮空氣密度,kg/m3
g——重力加速度;
l和H——裝置沉降室的長和高,m;
c——在裝置中的空氣流速,m/s
利用重力沉降的凈化裝置使用壽命接近無限,壓力損失也非常小,主要用于清除顆粒大于60μm的固態(tài)粒子或液態(tài)水分,凈化效率可達到20~60%。
壓縮空氣中的顆粒污染物是混在壓縮空氣中的“壞蛋”,在其進入用氣設(shè)備、氣動工具或工藝之前,一定要將其過濾干凈。具體用什么原理與方法進行過濾,取決于具體的用氣需求,不可過分追求高精度。在不必要的場合,選用高精度的過濾方式,必須考慮其實用性、經(jīng)濟性與過濾效果。