气源净化装置及辅助装置

8.1.2　气源净化装置及辅助装置

1．气源的净化

在气源装置中使用的空压机，一般多为低压活塞式，此类空压机需用油润滑。由空压机排出的压缩空气温度很高（140℃～170℃），因此使部分润滑油及空气中的水分汽化，再加上从空气中吸入的灰尘，就形成了由油气、水蒸气和灰尘混合而成的杂质。这些杂质若被带进气动系统中，就会产生下述极坏的影响：

（1）油气聚集在气罐内，形成易燃物，甚至形成爆炸混合物。同时油分被高温汽化后会形成一种有机酸，对金属设备有腐蚀作用。

（2）由水、油、灰尘形成的混合物沉积在管道内或元件中，使流通面积减小，增大了气流阻力或者造成堵塞，致使整个系统工作不稳定甚至控制失灵。

（3）在冰冻季节，会使管道及附件因冻结而损坏，或是气路不畅通，或产生误动作。

（4）灰尘等固体杂质会引起缸、马达、阀等相对运动表面间的严重磨损，从而破坏密封，增加泄露，降低设备的使用寿命。

由此可见，在气源系统中设置干燥、除水及除尘等净化装置是十分必要的。在某些要求高的场合，压缩空气还必须经过多次净化后方能使用。

2．气源净化装置

气源的净化方法及设备有多种类型。下面介绍几种最常用的气源净化装置，包括：后冷却器、油水分离器、储气罐、干燥器、过滤器。

（1）后冷却器

后冷却器安装在空压机排气口处管道上。它的作用是将空压机排出的压缩空气温度由120℃～180℃降至40℃～50℃，使压缩空气中的油雾和水汽迅速达到饱和，凝结成水滴和油滴，以便经油水分离器排出。冷却器上应装有自动排水器，以排除冷凝油和油滴等杂质。后冷却器分为风冷式和水冷式两种，且都已形成系列产品。

① 风冷式后冷却器

风冷式后冷却器的工作原理如图8-5所示。从空压机排出的压缩空气进入冷却器后，经过较长而且多为弯曲的管道进行冷却后从出口排出。为了增强散热效果，压缩空气从切向进入分离器。压缩空气出口的温度比室温约高15℃。

图8-5　风冷式后冷却器工作原理

② 水冷式后冷却器

如图8-6所示为水冷式后冷却器的工作原理图。水冷式是通过强迫冷却水烟压缩空气流动反方向流动来进行冷却。冷却器的壳体是个高压容器，在壳体内排有冷却水罐，水管外壁装金属翅片，以增强冷却效果。在冷却过程中产生的冷凝水通过排水器排出。在此种冷却器上应安装安全阀、压力表，最好还应安装上水和空气的温度计。水冷式后却器适用的进口压缩空气的最高温度为180℃～200℃，压力为0.8MPa～1MPa。冷却后出口压缩空气的温度比冷却水温度最多高出约10℃。

图8-6　水冷式后冷却器工作原理图

（2）油水分离器

油水分离器的作用是分离压缩空气中凝聚的水分、油分和灰尘等杂质，使压缩空气得到初步净化。其结构形式有环形回转式、撞击并折回式、离心旋转式、水浴式及各种形式的组合使用等。

① 撞击环形回转式油水分离器

气动系统中经常采用的是使气流撞击并产生环形回转流动的油水分离器，其结构如图8-7所示。其工作原理是：当压缩空气由进气管4进入分离器壳体以后，气流先受到隔板2的阻挡，被撞击而折回向下；之后又上升并产生环形回转（如图8-7箭头所示流向），最后从输出管3排出。

为提高油水分离的效果，气流回转后上升的速度不能太快，一般不超过1m/s。通常油水分离器的高度H为内径D的3.5～5倍。

② 水浴式油水分离器

水浴式油水分离器结构如图8-8所示。压缩空气从管道进入分离器底部，经水洗后，产生强烈旋转，使压缩空气中的水滴、油滴等杂质，在惯性力作用下被分离出来而沉降到容器底部，再由排污阀定期排出。在气源系统中，油水分离器最好设置两套，替换使用以便排除污物和清洗。

图8-7　撞击和环形回转式油水分离器

1-支架；2-隔板；3-输出管；4-进气管；

5-橱板；6-放油、水阀

图8-8　水浴式油水分离器

（3）贮气罐

贮气罐有卧式和立式之分，它是用钢板焊接制成的压力容器，水平或垂直地安装在后冷却器后面来储存压缩空气。因此，贮气罐贮存一定数量的压缩空气，可以减少空气流的脉动。同时也是应急动力源，以解决空压机的输出气量和气动设备的耗气量之间的不平衡，尽可能减少压缩机经常发生的“满载”与“空载”现象。它也可以消除空压机排气的压力脉动，保证输出气流的连续性和平稳性，进一步分离压缩空气中的油、水等杂质。

贮气罐一般多采用焊接结构，以立式居多，其结构形式如图8-9所示。罐的高度一般为其内径的2～3倍。进气口在下，出气口在上，并尽可能加大两管口之间的距离，以利于充分分离空气中的杂质。罐上设安全阀2，其调整压力为工作压力的110%；装设压力表1指示罐内压力；设置手孔4，以便清理检查内部；底部设排放油、水的接管和阀门3。通常将贮气罐放在阴凉处。

储气罐的尺寸大小根据压缩机的输出量，系统的尺寸大小以及对未来需求量的变化的预测来确定。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。例如，压缩机输出18m³/min的流量（自由空气），平均压力为7×10⁵Pa，压缩空气每分钟输出量为18000/8≈2250L（上述的平均压力一般是指“表”压力，它不包括大气压力，假设大气压力为1×10⁵Pa，计算时压力值=平均压力+大气压力），即容积为2250L的储气罐是合适的。

（4）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元件的温度通常为室温（大约20℃）。但是，离开后冷却器的空气温度比输送管道的环境温度高，在输送的过程中将进一步冷却压缩空气，还有水蒸气凝结成水。因此应进行空气的干燥，主要有三种形式的空气干燥器：吸收式、吸附式和冷冻式。

图8-9　立式贮气罐结构

1-压力表；2-安全阀；3-阀门；4-入（手）孔

① 吸收式和吸附式干燥器的模型（如图8-10、图8-11所示）

图8-10　吸收式干燥器的模型

图8-11　吸附式干燥器的模型

吸附式干燥器是用吸附法，就是利用具有吸附性能的吸附剂（如硅胶、铝胶或分子筛等）来吸附水分而达到干燥的目的。此法的除水效果好。例如，采用铝胶可将空气干燥的含湿量压缩为0.05g/ m³，相当于把漏点降低到－64℃。干燥吸附剂可根据如表8-1所示选用。此外，也可用焦炭作吸附剂，效果虽然差一些，但简便，成本低，还能吸附油。

表8-1　干燥吸附剂的性能

吸附法是干燥处理方法中应用最普遍的一种方法。当干燥器使用一段时间以后，吸附剂吸水达到饱和状态而失去吸附能力，因此需设法除去吸附剂中的水分，使其恢复干燥状态，以便继续使用，这就是吸附剂的再生。目前无热再生吸附式空气干燥器得到了广泛使用。无热再生式干燥器利用了吸附剂的变压吸附原理，即吸附剂压力高时吸附水分多，压力低时吸附水分少。如图8-12所示为无热再生吸附式空气干燥器工作原理图。

它有两个装满吸附剂的相同容器甲和乙。湿空气经二位四通阀先从容器乙的底部流入，通过吸附剂层流到上部，空气中的水分被吸附剂吸收，干燥后的空气通过一单向阀输出，供气动系统使用。与此同时，输出的干燥空气量的10%～20%经节流阀流入再生筒甲，使吸附剂再生。由于再生筒的底部通过二位五通阀及二位二通阀与大气相通，使流入再生筒的干燥空气迅速减压，流过筒中已达饱和状态的吸附层，吸附在吸附剂上的水分就会脱附。脱附出来的水分随空气通过二位二通阀排向大气。由此实现了无需外加热而使吸附剂再生。

图8-12　无热再生式干燥器

干燥器的甲、乙两筒轮流干燥和再生，交替工作。通常由一个定时器切换二位五通阀（工作周期为5～10min），使吸附剂轮流吸附和再生，这样便可以得到连续输出的干燥压缩空气。二位二通阀的作用是使再生筒在转换吸附工作前预先充压，防止再生和干燥切换时输出流量的波动。干燥器输出的干燥压缩空气的性能，取决于吸附的种类（可查手册）和筒内吸附剂的装填量，以及空气的流速等。

应该注意的是：吸附剂对湿空气中的油分十分敏感，一旦油分附着在吸附剂表面，其吸湿能力就会明显下降，吸附剂也将迅速老化。因此，使用这种干燥器时，应在进气管道上装除油器。

气动系统使用的空气量应在干燥器的额定输出流量之内，否则会使空气漏点温度达不到要求。当超过干燥器使用的规定时限，应全部更换筒内的吸附剂。此外，吸附式空气干燥器在使用时，应在其输出端安装精密过滤器，以防止筒内的吸附剂在压缩空气不断冲击下产生的粉末混入压缩空气中。要减少进入干燥器的湿空气中的油分，以防油污黏附表面使吸附剂降低吸附能力，产生所谓“油中毒”现象。

② 冷冻式干燥

此种干燥器采用冷冻的方法，就是利用制冷设备使空气冷却到一定的漏点温度，析出空气中超过饱和水蒸气分压部分的多余水分，从而达到所需要的干燥程度。单独使用此法，适于处理低压、大流量并对干燥程度要求不高的压缩空气。压缩空气的冷却，除用制冷设备外，也可采用制冷剂直接蒸发，或用冷冻液（如盐水）间接冷却的方法。

冷冻式干燥器的核心结构是制冷剂与压缩空气的热交换器。常用的有螺旋套管式热交换器，如图8-13所示。制冷剂从螺旋管内通过，压缩空气从螺旋管与套管之间通过，这种热交换器的热交换效率高且压缩空气的压降小，同时空气流还可以消除聚集的污染物；还有铜焊板式热交换器，如图8-14所示。压缩空气与制冷剂从隔层通过，达到热交换的目的。这种热交换器重量轻，结构紧凑，热交换效率较高，使用一段时间以后可以进行清洗，清除积存的污染物。

图8-13　螺旋套管式热交换器

图8-14　铜焊板式热交换器

冷冻式干燥器的原理与空调机相似，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。热交换中有一个制冷回路，在这个回路中蒸发氟到昂制冷剂需吸收热量，所以使空气进一步得到了冷却。此时水分的油雾凝结并自动排除。如图8-15所示，进入干燥器的空气首先进入热交换器冷却，经初步冷却的空气中析出的水分和油分经分离器排出。然后，空气再进入制冷器，这使空气进一步冷却到2°～55°，使空气中含有的气态水分、油分等由于温度的降低可以进一步地析出，经分离器排出。冷却后的空气再进入热交换器加热输出。

图8-15　冷冻式干燥器工作原理示意图

在压缩空气冷却过程中，制冷机的作用是将输入的气态制冷剂压缩并冷却，使其变为液态，然后将制冷剂过滤、干燥后送入毛细管或自动膨胀阀中，使制冷剂变为低压、低温的液态输出到制冷器中。制冷剂进入制冷器冷却空气的同时，吸收了压缩空气的热量后转变为气态，然后进入制冷机，重复上面的热交换过程。

冷冻式干燥器具有结构紧凑，使用维护方便，维护费用较低等优点，适用于空气处理量较大，露点温度不是太低的场合。

冷冻式干燥器在使用时，应考虑进气温度、压力及环境温度和空气处理量。进气温度应控制在40℃以下，超出温度时，可在干燥器前设置后冷却器。进入干燥器的压缩空气压力不应低于干燥器的额定工作压力。环境温度宜低于35℃，若环境温度过低，可加装暖气装置，防止冷凝水结冰。在考虑了进气压力、温度和环境温度等因素后，干燥实际空气处理量应不大于干燥器的额定空气处理量。

③ 膜式空气干燥器

湿空气从中空的分子膜纤维内部流过，空气中的水分透过分子膜向外壁析出，由此排除了水分的干燥空气得以输出。同时，部分干燥空气与透过分子膜外壁的水分一起排向大气，使分子膜能连接地排除湿空气中的水分。其工作原理如图8-16所示。

图8-16　膜式空气干燥器工作原理

采用高分子膜作为分离空气中水分的膜式空气干燥器，其优点是：无机械可动件，不用电源，无须更换吸附物质，重量轻，使用简单，可在高温、低温，腐蚀性和易燃易爆等恶劣环境中使用，工作压力范围在0.4MPa～2.0MPa之间，大气漏点温度可达－70℃。但膜式空气干燥器耗气量较大，达20%～40%。如某型号膜式空气干燥器性能指标如下：输入压力为0.7 MPa，输入空气温度为16℃，输入流量为0.289m³/min，输出流量0.191m³/min，大气压漏点温度为－40℃，重量为5.7kg。目前，膜式空气干燥器输出流量较小，当需要大流量输出时，可将若干个干燥器并联使用。

（5）过滤器

压缩机吸入口的空气过滤器对于压缩机工作可靠性是十分重要的，必须提供合适有效的过滤器，以免汽缸和活塞环过量磨损。这种损耗主要是由于空气中微粒的摩擦而引起的。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（2～5μm）不能滤掉。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，以避免过大的压力降。当应用消声器时，过滤器应放在他的上端以尽可能减少空气流的脉动。

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分等杂质。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。装在外部的自动排水器能确保排除聚集的水。这种过滤器的滤芯一般是筒型快速更换滤芯，如有必要，可设初过滤和精过滤。

空气的过滤是气动系统中的重要环节。不同的场合，对压缩空气的过滤要求也不同。过滤器的作用是进一步滤出压缩空气中的杂质。有些过滤器常与干燥器、油水分离器等做成一体。因此，过滤器的形式很多，常用的过滤器有一次过滤器和二次过滤器。一次过滤器的滤灰率为50%～70%，二次过滤器的滤灰率为70%～99%。要求更高的场合，可以使用高效过滤器，其滤灰效率大于99%。

分水滤气器即属于二次过滤器。它和减压阀，油雾器称为气动三联件，是气动设备之前必不可少的辅助装置。普通分水过滤器的结构如图8-17所示。其工作原理如下：压缩空气从输入口进入后，被引入旋风叶子1，旋风叶子上有很多呈一定角度的缺口，迫使空气沿切线方向运动而产生强烈的旋转。夹杂在气体中较大的水滴、油滴等，在惯性作用下与存水杯3内壁碰撞，并分离出来沉到杯底；微粒灰尘和雾状水汽则在气体通过滤芯2时被拦截而滤去，洁净的空气变从输出口输出。

为防止气体旋涡将杯中积存的污水卷起而破坏过滤作用，在滤芯下部设有挡水板4。此外，为保证分水滤气器正常工作，必须将污水通过手动排水阀5及时放掉。某些人工排水不便的场合，可采用自动排水式分水滤气器。

存水杯由透明材料制成，便于观察内部情况。滤芯多为铜颗粒烧结成型，耐高温、耐冲洗且过滤性能稳定。当污泥过多时，可拆下用酒精清洗。此种过滤器应尽可能安装在能使空气中的水分变成液态或能防止液体进入的部位。它除了可安装在气源系统中，亦可安装在气动设备的压缩空气入口处。

3．辅助装置（1）消声器

在气压传动系统之中，气缸、气阀等元件工作时，排气速度较高，气体体积急剧膨胀，会产生刺耳的噪声。噪声的强弱随排气的速度、排量和空气通道的形状变化而变化。排气的速度和功率越大，噪声也越大，一般可达100dB～120dB，为了降低噪声可以在排气口装消声器。消声器就是通过阻尼或增加排气面积来降低排气速度和功率，从而降低噪声的。气动元件使用的消声器一般有三种类型：吸收型消声器、膨胀干涉型消声器和膨胀干涉吸收型消声器。常用的是吸收型消声器。如图8-18所示是吸收型消声器的结构简图。这种消声器主要依靠吸音材料消声。消声罩2为多孔的吸音材料，一般用聚苯乙烯或铜珠烧结而成。当消声器的通径小于20mm时，多用聚苯乙烯作消音材料制成消声罩，当消声器的通径大于20mm时，消声罩多用铜珠烧结，以增加强度。其消声原理是：当有压气体通过消声罩时，气流受到阻力，声能量被部分吸收而转化为热能，从而降低了噪声强度。吸收型消声器结构简单，具有良好的消除中、高频噪声的性能，可降噪20dB左右。在

图8-17　过滤器

1-旋风叶子；2-滤芯；3-存水杯；4-挡水板；5-手动排水阀

图8-18　吸收型消声器结构简图

1-连接螺丝；2-消声罩

气压传动系统中，排气噪声主要是中、高频噪声，尤其是高频噪声，所以采用这种消声器是合适的。在主要是中、低频噪声的场合，应使用膨胀干涉型消声器。

（2）油雾器

油雾器是一种特殊的注油装置。它以空气为动力，使润滑油雾化后，注入空气流中，并随空气进入需要润滑的部件，达到润滑的目的。分一次油雾器与二次油雾器。

① 一次油雾器

一次油雾器应用很广，润滑油在油雾器中只经过一次雾化，油雾粒径20～35μm左右，一般输送距离在5m以内，适于一般气动元件的润滑。如图8-19所示为QIU型普通一次油雾器。压缩空气从输入口进入，在油雾器的气流通道中有一个立杆1，立杆上有两个通道口，上面背向气流的是喷油口B，下面正对气流的是油面加压通道口A。一小部分进入A的气流经过加压通道到截止阀2，如图8-20所示，在压缩空气刚进入时，钢球被压在阀座上，但钢球与阀座密封不严，有点漏气，可使储油杯上腔的压力逐渐升高，将截止阀2打开，使杯内油面受压，迫使储油杯内的油液经吸油管4、单向阀5和节流针阀6滴入透明的视油器7内，然后从喷油口召被主气道中的气流引射出来，在气流的气动力和油黏性力对油滴的作用下，雾化后随气流从输出口流出。视油器上部可调针阀用来调节滴油量，滴油量为0～200滴/分。关闭针阀即停止滴油喷雾。

图8-19　QIU普通一次油雾器

1-立杆；2-截止阀；3-储油杯；4-吸油管；5-单向阀；6-调节针阀；7-视油器； 8-油塞；9-螺母

这种油雾器可以在不停气的情况下加油。当没有气流输入时，截止阀2中的弹簧把钢球顶起，封住加压通道，阀处于截止状态，如图8-20（a）所示。正常工作时，压力气体推开钢球进入油杯，油杯内气体的压力加上弹簧的弹力使钢球处于中间位置，截止阀处于打开状态，如图8-20（b）所示。当不停气加油时，拧松加油孔的油塞8，储油杯中气压降至大气压，输入的气体把钢珠压到下限位置，使截止阀处于反关闭状态，如图8-20（c）所示。这样便封住了油杯的进气道，保证在不停气的情况下可以从油孔加油。油塞8的螺纹部分开有半截小孔，当拧开油塞加油时，不等油塞全部旋开小孔已先与大气相通，油杯中的压缩空气通过小孔逐渐排空，这样不致造成油、气从加油孔冲出来。

图8-20　截止阀的工作状态

② 二次油雾器

二次油雾器是使润滑油在其中进行了两次雾化，油雾粒径更均匀、更小，可达5μm，油雾在传输中不易附壁，可输送更远的距离，适用于气马达和气动轴承等对润滑要求特别高的场合。

（3）油雾器的选用

油雾器主要根据通气流量及油雾粒径大小来选择，一般场合选用一次油雾器，特殊要求的场合可选用二次油雾器。所需油雾粒径在50μm左右选用一次油雾器。若需油雾粒径很小可选用二次油雾器。油雾器一般安装在滤气器和减压阀之后，用气设备之前较近处，尽量靠近换向阀；油雾器进出口不能接反，储油杯不可倒置。油雾器的给油量应根据需要调节，一般10m³的自由空气供给1ml的油量。

（4）气动三联件

气动系统中分水滤气器、减压阀和油雾器常组合在一起使用，俗称气动三联件，其安装次序如图8-21所示。

图8-21　气动三联件的安装顺序