1、第9章 氣源裝置及壓縮空氣凈化系統(tǒng),9.1 壓縮空氣 9.2 氣源系統(tǒng)及空氣凈化處理裝置 9.3 壓縮空氣的輸送 思考題與習(xí)題,9.1 壓縮空氣,9.1.1空氣的物理性質(zhì) 1.空氣的濕度與露點 自然界的空氣是由很多氣體混合而成的。其主要成分有氮（N2）和氧（O2），其他氣體占的比例極小，此外，空氣中常含有一定量的水蒸氣。水蒸氣的含量取決于大氣的濕度和溫度。把含有水蒸氣的空氣稱為濕空氣，大氣中的空氣基本上都是濕空氣； 把不含水蒸氣的空氣稱為干空氣。標(biāo)準狀態(tài)下（即溫度為0、 壓力為p=0.1013 MPa）干空氣的組成如表9-1所示。,表9-1 干空氣的組成,濕空氣的壓力稱為全壓力p，是干空氣的分

2、壓力pg和水蒸氣的分壓力ps之和， 即 p=ps+pg (9-1） 分壓力是指濕空氣的各個組成氣體，在相同溫度下，獨占濕空氣總?cè)莘e時所具有的壓力。 平常所說的大氣壓力就是指濕空氣的全壓力。 露點是指在規(guī)定的空氣壓力下，當(dāng)溫度一直下降到成為飽和狀態(tài)時， 水蒸氣開始凝結(jié)的那一剎那的溫度。露點又可分為大氣壓露點和壓力露點兩種， 大氣壓力露點是指在大氣壓下水分的凝結(jié)溫度。圖9-1給出了溫度在-30 +80 范圍內(nèi)每立方米大氣所含有水分的克數(shù)，而壓力露點是指氣壓系統(tǒng)在某一高壓下的凝結(jié)溫度。以空氣壓縮機為例，其吸入口為大氣壓露點， 輸出口為壓力露點。 ,圖9-2為大氣壓露點與壓力露點之間的換算表。 如要求

3、大氣壓露點為-22 ，在壓力為7 bar狀況下的壓力露點， 則可在圖9-2中查到壓力露點為4，意為在壓力為7 bar， 當(dāng)空氣冷卻到4 時，若將其減壓成大氣壓，則水分在-22以下會凝結(jié)，濕空氣便有水滴析出。降溫法清除濕空氣中的水分利用的就是此原理。相對濕度因空氣濕度和氣候狀況而異。常把相對濕度定義為 相對濕度=100%絕對濕度/飽和水含量 式中，絕對濕度是指單位立方米空氣中所含的水分的量； 飽和水含量是指單位立方米空氣在所述溫度下能夠吸收水分的量。 空氣在不同溫度下的飽和水含量可由圖9-1查得。,圖9-1 露點表,圖9-2 壓力露點與大氣壓露點的換算,2. 空氣的密度 空氣具有一定質(zhì)量，其密度

4、是單位體積內(nèi)空氣的質(zhì)量，用表示，即 式中，m表示空氣的質(zhì)量（kg）；V表示空氣的體積（m3）。 空氣的密度與溫度、壓力有關(guān)，三者滿足氣體狀態(tài)方程式。,(9-2),9.1.2氣體狀態(tài)方程 氣體的三個狀態(tài)參數(shù)是壓力p、溫度T和體積V。 氣體狀態(tài)方程是描述氣體處于某一平衡狀態(tài)時，這三個參數(shù)之間的關(guān)系。本節(jié)介紹幾種常見的狀態(tài)變化過程。 1理想氣體的狀態(tài)方程 所謂理想氣體，是指沒有粘性的氣體。一定質(zhì)量的理想氣體在狀態(tài)變化的某一穩(wěn)定瞬時， 有以下氣體狀態(tài)方程成立：,(9-3),式中，p1、 p2分別為氣體在1、2兩狀態(tài)下的絕對壓力（Pa）； V1、V2分別為氣體在1、2兩狀態(tài)下的體積(m3)；T1、T2分

5、別為氣體在1、2兩狀態(tài)下的熱力學(xué)溫度(K)；為氣體的密度（kg/m3 ）； R為氣體常數(shù)(J/（kgK）)，其中，干空氣Rg2871 J/(kgK)， 濕空氣Rs =46205 J/(kgK)。 由于實際氣體具有粘性，因而嚴格地講它并不完全符合理想氣體方程式。實驗證明：理想氣體狀態(tài)方程適用于絕對壓力不超過20 MPa、 溫度不低于20 的空氣、氧氣、氮氣、二氧化碳等， 不適用于高壓狀態(tài)和低溫狀態(tài)下的氣體。、V、T的變化決定了氣體的不同狀態(tài)，在狀態(tài)變化過程中加上限制條件時，理想氣體狀態(tài)方程將有以下幾種形式。,2 理想氣體的狀態(tài)變化過程 （1）等容過程（查理定律）：一定質(zhì)量的氣體， 在體積不變的條

6、件下， 所進行的狀態(tài)變化過程， 稱為等容過程。 等容過程的狀態(tài)方程為 式（9-4）表明：當(dāng)體積不變時，壓力上升，氣體的溫度隨之上升；壓力下降，氣體的溫度隨之下降。 （2） 等壓過程（蓋呂薩克定律）：一定質(zhì)量的氣體， 在壓力不變的條件下， 所進行的狀態(tài)變化過程，稱為等壓過程。 等壓過程的狀態(tài)方程為,式（9-5）表明：當(dāng)壓力不變時，溫度上升，氣體的體積增大（氣體膨脹）； 溫度下降， 氣體的體積縮小。 （3）等溫過程（波意耳定律）： 一定質(zhì)量的氣體， 在溫度保持不變的條件下， 所進行的狀態(tài)變化過程， 稱為等溫過程。氣體狀態(tài)變化很慢時，可視為等溫過程，如氣動系統(tǒng)中的氣缸運動、管道送氣過程等。等溫過程的

7、狀態(tài)方程為,(9-6),式（9-6）表明： 在溫度不變的條件下，氣體壓力上升時，氣體體積被壓縮；氣體壓力下降時，氣體體積膨脹。 （4）絕熱過程：一定質(zhì)量的氣體，在其狀態(tài)變化過程中，和外界沒有熱量交換的過程稱為絕熱過程。 當(dāng)氣體狀態(tài)變化很快時，如氣動系統(tǒng)的快速充、排氣過程， 可視為絕熱過程。其狀態(tài)方程式為,(9-7),由式（9-3）和 式（9-7）可得 上式中，k為絕熱指數(shù)， 對于干空氣k=1.4，對于飽和蒸氣k=1.3。 在絕熱過程中，系統(tǒng)靠消耗自身內(nèi)能對外做功。 ,【例9-1】由空氣壓縮機往儲氣罐內(nèi)充入壓縮空氣，使罐內(nèi)壓力由0.1 MPa(絕對)升到0.25 MPa(絕對)，氣罐溫度從室溫2

8、0 升到t，充氣結(jié)束后，氣罐溫度又逐漸降至室溫，此時罐內(nèi)壓力為p， 求p和t各為多少。（提示： 氣源溫度也為20 。） 解 此過程是一個復(fù)雜的充氣過程， 可看成是簡單的絕熱充氣過程。 已知：p10.1MPa，p2=0.25MPa，T1= (20+273) K=293 K 由式(9-8) 得,所以有 t=T-273=(380.7-273) ()=107.7 () 充氣結(jié)束后為等容過程,根據(jù)式(9-4)得,9.2 氣源系統(tǒng)及空氣凈化處理裝置,在氣動控制系統(tǒng)中， 壓縮空氣是工作介質(zhì)。 壓縮空氣在氣動系統(tǒng)中的主要作用如下： （1） 決定傳感器的狀態(tài)； （2） 處理信號； （3） 通過控制元件控制執(zhí)行機

9、構(gòu)； （4） 實現(xiàn)動作（執(zhí)行元件）。 氣源系統(tǒng)是為氣動設(shè)備提供滿足要求的壓縮空氣動力源。 氣源系統(tǒng)一般由氣壓發(fā)生裝置、 壓縮空氣的凈化處理裝置和傳輸管路系統(tǒng)組成。 典型的氣源及空氣凈化處理系統(tǒng)如圖9-3所示。 ,圖9-3 氣源及空氣凈化處理系統(tǒng),9.2.1空氣壓縮機（Air compressor) 空氣壓縮機簡稱空壓機，是氣壓發(fā)生裝置。 空壓機將電機或內(nèi)燃機的機械能轉(zhuǎn)化為壓縮空氣的壓力能。 1. 分類 空壓機的種類很多，可按工作原理、 結(jié)構(gòu)形式及性能參數(shù)分類。 1） 按工作原理分類按工作原理，空壓機可分為容積式空壓機和速度式空壓機。容積式空壓機的工作原理是使單位體積內(nèi)空氣分子的密度增加以提高壓

10、縮空氣的壓力。速度式空壓機的工作原理是提高氣體分子的運動速度以此增加氣體的動能，然后將氣體分子的動能轉(zhuǎn)化為壓力能以提高壓縮空氣的壓力。,2） 按結(jié)構(gòu)形式分類 按結(jié)構(gòu)形式空壓機的分類如圖9-4所示。,圖9-4空壓機分類,3）按空壓機輸出壓力大小分類 按空壓機輸出壓力大小,可將其分為如下幾類：低壓空壓機,輸出壓力在0.21.0 MPa范圍內(nèi)； 中壓空壓機,輸出壓力在1.010 MPa范圍內(nèi)； 高壓空壓機,輸出壓力在10100 MPa范圍內(nèi)； 超高壓空壓機,輸出壓力大于100 MPa。 4） 按空壓機輸出流量(排量)分類 按空壓機輸出流量(排量)可分為如下幾類： 微型空壓機,其輸出流量小于1 m3/

11、min； 小型空壓機,其輸出流量在110 m3/min范圍內(nèi)； 中型空壓機,其輸出流量在10100 m3/min范圍內(nèi);大型空壓機,其輸出流量大于100 m3/min。 ,2. 工作原理 常見的空壓機有活塞式空壓機、葉片式空壓機和螺桿式空壓機三種。 以下介紹它們的工作原理。 1） 活塞式空壓機 活塞式空壓機的工作原理如圖9-5所示。當(dāng)活塞下移時,氣體體積增加,氣缸內(nèi)壓力小于大氣壓，空氣便從進氣閥門進入缸內(nèi)。在沖程末端，活塞向上運動,排氣閥門被打開,輸出空氣進入儲氣罐?；钊耐鶑?fù)運動是由電動機帶動的曲柄滑塊機構(gòu)形成的。這種類型的空壓機只由一個過程就將吸入的大氣壓空氣壓縮到所需要的壓力, 因此稱之

12、為單級活塞式空壓機。 ,圖9-5 活塞式空壓機的工作原理,單級活塞式空壓機通常用于需要0.30.7MPa壓力范圍的系統(tǒng)。在單級壓縮機中，若空氣壓力超過0.6 MPa，產(chǎn)生的過熱將大大地降低壓縮機的效率。因此當(dāng)輸出壓力較高時，應(yīng)采取多級壓縮。多級壓縮可降低排氣溫度，節(jié)省壓縮功，提高容積效率，增加壓縮氣體排量。 工業(yè)中使用的活塞式空壓機通常是兩級的。圖9-6所示為兩級活塞式空壓機。由兩級三個階段將吸入的大氣壓空氣壓縮到最終的壓力。如果最終壓力為0.7Mpa, 第一級通常將它壓縮到0.3 MPa，然后經(jīng)過中間冷卻器被冷卻，壓縮空氣通過中間冷卻器后溫度大大下降，再輸送到第二級氣缸，壓縮到0.7MPa。

13、因此,相對于單級壓縮機它提高了效率。圖9-7為活塞式空壓機的外觀。,圖9-6 兩級活塞式空壓機,圖9-7活塞式空壓機的外觀 (a) 單級活塞式空壓機； (b) 兩級活塞式空壓機,2） 葉片式空壓機 葉片式空壓機的工作原理如圖9-8所示。把轉(zhuǎn)子偏心安裝在定子內(nèi)， 葉片插在轉(zhuǎn)子的放射狀槽內(nèi)，且葉片能在槽內(nèi)滑動。葉片、轉(zhuǎn)子和定子內(nèi)表面構(gòu)成的容積空間在轉(zhuǎn)子回轉(zhuǎn)（圖中轉(zhuǎn)子順時針回轉(zhuǎn)）過程中逐漸變小， 由此從進氣口吸入的空氣就逐漸被壓縮排出。這樣，在回轉(zhuǎn)過程中不需要活塞式空壓機中有吸氣閥和排氣閥。在轉(zhuǎn)子的每一次回轉(zhuǎn)中， 將根據(jù)葉片的數(shù)目多次進行吸氣、壓縮和排氣， 所以輸出壓力的脈動較小。,圖9-8 葉片式

14、空壓機的工作原理,通常情況下,葉片式空壓機需使用潤滑油對葉片、轉(zhuǎn)子和機體內(nèi)部進行潤滑、冷卻和密封,所以排出的壓縮空氣中含有大量的油分,因此在排氣口需要安裝油氣分離器和冷卻器，以便把油分從壓縮空氣中分離出來，進行冷卻,并循環(huán)使用。 通常所說的無油空壓機是指用石墨或有機合成材料等自潤滑材料作為葉片材料的空壓機,運轉(zhuǎn)時無需添加任何潤滑油,壓縮空氣不被污染，滿足了無油化的要求。 此外,在進氣口設(shè)置空氣流量調(diào)節(jié)閥，根據(jù)排出氣體壓力的變化自動調(diào)節(jié)流量，使輸出壓力保持恒定。葉片式空壓機的優(yōu)點是能連續(xù)排出脈動小的額定壓力的壓縮空氣,所以，一般無需設(shè)置儲氣罐,并且其結(jié)構(gòu)簡單, 制造容易, 操作維修方便, 運轉(zhuǎn)噪

15、聲小。其缺點是葉片、 轉(zhuǎn)子和機體之間機械摩擦較大， 產(chǎn)生較高的能量損失, 因而效率也較低。,3） 螺桿式空壓機 螺桿式空壓機的工作原理如圖9-9所示。 兩個嚙合的凸凹面螺旋轉(zhuǎn)子以相反的方向運動。 兩根轉(zhuǎn)子及殼體三者圍成的空間， 在轉(zhuǎn)子回轉(zhuǎn)過程中沿軸向移動， 其容積逐漸減小。 這樣,從進口吸入的空氣逐漸被壓縮,并從出口排出。轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時,兩轉(zhuǎn)子之間及轉(zhuǎn)子與機體之間均有間隙存在。由于其進氣、壓縮和排氣等各行程均由轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生, 因此輸出壓力脈動小，可不設(shè)置儲氣罐。,圖9-9螺桿式空壓機的工作原理 (a) 吸氣； (b) 壓縮； (c) 排氣,螺桿式空壓機與葉片式空壓機一樣,也需要加油進行冷卻、 潤滑

16、及密封, 所以在出口處也要設(shè)置油氣分離器。 螺桿式空壓機的優(yōu)點是排氣壓力脈動小,輸出流量大,無需設(shè)置儲氣罐,結(jié)構(gòu)中無易損件,壽命長,效率高。 其缺點是制造精度要求高,且由于結(jié)構(gòu)剛度的限制,只適用于中低壓范圍使用。 ,3. 空壓機的選用 首先根據(jù)氣動系統(tǒng)所需要的工作壓力和流量確定空壓機的輸出壓力pc和供氣量Qc。 空壓機的供氣壓力pc為 pc=p+p (9-9) 式中, p為氣動系統(tǒng)的工作壓力,單位為MPa；p為氣動系統(tǒng)總的壓力損失。 氣動系統(tǒng)的工作壓力應(yīng)為系統(tǒng)中各個氣動執(zhí)行元件工作的最高工作壓力。氣動系統(tǒng)的總壓力損失除了考慮管路的沿程阻力損失和局部阻力損失外,還應(yīng)考慮為了保證減壓閥的穩(wěn)壓性能所

17、必需的最低輸入壓力, 以及氣動元件工作時的壓降損失。,空壓機供氣量Qc的大小應(yīng)包括目前氣動系統(tǒng)中各設(shè)備所需的耗氣量，未來擴充設(shè)備所需耗氣量及修正系數(shù)k（如避免空壓機在全負荷下不停地運轉(zhuǎn)，氣動元件和管接頭的漏損及各種氣動設(shè)備是否同時連續(xù)使用等），其數(shù)學(xué)表達式為 Qc=kQ (m3/min)(9-10) 式中，Q為氣動系統(tǒng)的最大耗氣量，單位為m3/min；k為修正系數(shù)，一般可取k=1.31.5。 有了供氣壓力pc與供氣量Qc，按空壓機的特性要求， 選擇空壓機的類型和型號。 ,4. 使用時應(yīng)注意的事項 1） 空壓機的安裝位置 空壓機的安裝地點必須清潔,應(yīng)無粉塵、通風(fēng)好、 濕度小、溫度低,且要留有維護

18、保養(yǎng)的空間,所以一般要安裝在專用機房內(nèi)。 2） 噪音 因為空壓機一運轉(zhuǎn)就產(chǎn)生噪音,所以必須考慮噪音的防治,如設(shè)置隔聲罩,設(shè)置消聲器,選擇噪音較低的空壓機等。一般而言,螺桿式空壓機的噪音較小。 ,3) 潤滑 使用專用潤滑油并定期更換,啟動前應(yīng)檢查潤滑油位,并用手拉動傳動帶使機軸轉(zhuǎn)動幾圈,以保證啟動時的潤滑。啟動前和停車后都應(yīng)及時排除空壓機氣罐中的水分。 9.2.2儲氣罐 (Reservoir) 儲氣罐有如下作用： (1）使壓縮空氣供氣平穩(wěn), 減少壓力脈動。 (2）作為壓縮空氣瞬間消耗需要的存儲補充之用。 (3）存儲一定量的壓縮空氣,停電時可使系統(tǒng)繼續(xù)維持一定時間。 ,(4）可降低空壓機的啟動、停止頻率，其功能相當(dāng)于增大