气源系统是提供压缩空气来源的一组设备,是由压缩空气的产生单元(空气压缩机)、处理单元(气冷却器)、储存单元(储气罐)和干燥净化单元(干燥机、过滤器)以及管道、阀门、仪表等组成的系统。基本的气源系统是由空气压缩机产生高温高压气体,经后部冷却器(高效空气冷却器)使高温气体冷却之后进入稳压储气罐供用气系统使用。根据不同用气场合对压缩空气净化等级要求的不同,气源系统储气罐之后,可以配置不同的干燥净化设备(包括压缩空气干燥机、前置过滤器、油水分离器、管道过滤器、除油过滤器、活性碳过滤器、灭菌过滤器等)组成不同压缩空气纯度的气源系统,来满足不同工艺流程的需要。
空气压缩机简称空压机,又称压缩机、压风机、打风机、气泵、风泵等,是利用气体的流动性和可压缩性来实现能量转化和传递动力的装置,是气源系统核心设备。电动机(或者柴油机)带动压缩机主机压缩气体,气体经过压缩后单位体积内的密度、压力和能量增加,压缩后的气体可以作为动力使用,来驱动气动设备或者气动工具,从而满足不同生产工艺要求。
空气压缩机属于流体机械设备,遵循流体机械基本规律。其中之一是理想气体状态方程,可以表示为:pV=nRT;式中:p为压强(Pa),V为气体体积(M³),T为温度(K),n为气体的物质的量(mol),R为摩尔气体常数(也叫普适气体恒量)(J/(mol.K))。一定质量的理想气体的两平衡态参量之间的关系式为:
理想气体状态方程的恒温过程(T恒定),该过程满足玻义耳定律,当n,T一定时,由理想气体状态方程可知,V,p成反比。也就是说,在忽略温度变化的情况下,压缩气体的体积,气体的压强(压力)升高。空气压缩机压缩一定体积的气体,当温度不变时,压强与体积的乘积不变,气体压力升高到原来的10倍,气体体积减小到原来的十分之一。也就是说,压缩机入口流量是10立方,如果压缩到10公斤后,忽略温度变化,出口流量是1立方。
其二是理想流体机械能守恒规律,即“伯努利原理”,伯努利原理表示为:
这个式子被称为伯努利方程。式中,p为流体中某点的压强,v为流体该点的流速,ρ为流体密度,g为重力加速度,h为该点所在高度,C是一个常量。 其实质是流体的机械能守恒。即:压力势能+动能+重力势能=常数。 它也可以被表述为:
根据理想流体的机械能守恒规律。气体在等高流动时,流速大时压力小;流速小时,压力大。也就是说,压缩机在压缩气体之前的压力势能与动能之和与压缩之后的压力势能与动能之和相等,压缩过程中动能降低,压力能升高。忽略高度变化、温度变化等因素,动能在气体压缩前后的减少量,等于气体压力能的增加量。
空气压缩机是很多生产企业必不可少的常见动力设备,是气源系统的组成核心。空压机的作用是实现能量转化,将机械能转化为空气动力能,提高气体压力和传递气体动力,为生产活动提供所需要的压缩空气(空气动力)。
空压机的用途比较广泛,可以广泛应用于矿山、钢铁、石油化工、航空航天、机械、纺织、电力、电子、汽车、建材、制药、食品加工、啤酒酿造、高级喷涂、化纤、高压电绝缘、粉体储运与干燥、薄膜、胶片制造、印刷工业、精密控制仪表等行业。
例如:作为空气动力驱动风动工具、气动扳手、风镐、喷漆、喷砂等;在喷气织机中用压缩空气吹送纬纱以代替梭子;用于风洞实验、地下通道换气、矿山的通风用气、轮胎充气、加工中心的刀具更换等。
空气压缩机有不同的分类方法,加上不同分类法之间的交错重叠,所以感觉空压机的种类繁多。常见的分类如下:
可以分为容积式、速度式两大类。
工作原理是压缩气体的体积,使一定流量的气体体积减小,以提高气体的压力(根据理想气体状态方程的规律)。按压缩单元的运动方式可以进一步分为往复式、回转式两类。
①往复式压缩机:也称活塞式压缩机,其压缩元件由活塞和气缸组成,传动机构推动活塞在气缸内作往复直线运动来改变气体容积,从而提高气体压力。往复式压缩机可以理解为打气筒的动力升级版。
②回转式压缩机:压缩元件是由旋转(回转)元件在机壳内作旋转运动来直接改变气体容积。回转式压缩机可以按主机结构分为双螺杆式、单螺杆式、涡旋式和滑片式。
a.双螺杆式压缩机,由一对互相啮合的阴阳螺杆转子和机壳组成,两个螺杆转子在机壳内作反向啮合运动,使两个转子啮合处与机壳之间的体积由大变小,从而将气体压缩并排出。
b.单螺杆式压缩机,即蜗杆式空气压缩机,在机壳内一个螺杆与两个左右对称布置的星轮啮合,螺杆带动星轮在机壳内作旋转运动,每个星轮与螺杆和机壳之间的体积由大到小变化,从而压缩气体来提高压力。
c.涡旋式压缩机,压缩部件由动涡旋盘和静涡旋盘组成,动盘围绕静盘基圆中心,作很小半径的平面转动,形成封闭容积的连续变化,实现压缩气体的目的。
d.滑片式压缩机,也称旋转叶片式压缩机,由缸体(机壳)、转子、滑片组成,转子相对于缸体呈偏心式旋转,滑片安装在转子的槽中,通过离心力将滑片推至气缸壁,在压缩过程中,通过压缩机转子的滑片与气缸壁之间容积不断减少来实现气体压缩。
工作原理是提高气体的运动速度,使气体的高速动能转化为气体的压力能,从而提高气体的压力(根据理想流体机械能守恒规律)。速度式压缩机又可以分为透平式和喷射式。
①透平式压缩机:“透平”是英文“turbine”的音译,源于拉丁文turbo一词,意为旋转物体,“透平”的意思是涡轮、涡轮机、汽轮机。透平式压缩机是依靠机内高速旋转的叶轮,使吸进的气体加速,动能升高,并通过扩压元件把气流的速度动能转换成所需的压力能。根据气流方向的不同,又可分为离心式、轴流式和混流式压缩机。
a.离心式压缩机,主要由叶轮和扩压器、蜗壳构成,气体在压缩机中沿着叶轮的半径方向(垂直于压缩机轴方向)运转时,在叶片的作用下随叶轮一起转动而取得高速度,由于离心力的作用被沿着半径方向往外抛,使气体获得压力、速度,并通过渐扩流道如扩压器等使气体的动能继续转化为压力能。
b.轴流式压缩机,由旋转组件和固定组件组成,转子在轴向和圆周方向上都使流体加速,定子通过扩散将增加的动能转换为静压使压力上升,并使流体的流动方向重新定向。气体在压缩机中的流动方向,不是沿半径方向,而是沿主轴方向与主轴平行,因此称为轴流式压缩机。
c.混流式压缩机,气流自轴向进入叶轮,在叶轮中的流动方向介于离心式和轴流式之间,即气流方向与轴线成45°左右,所以混流压缩机又称斜流压缩机或对角线压缩机。还有一种联合式压缩机,在低压侧使用轴流压缩机,高压侧使用离心压缩机;也有的将轴向叶轮与离心叶轮装在同一根轴上,装入同一壳体中,即轴流-离心组合式压缩机。
②喷射式压缩机:喷射式压缩机没有转动部件和传动装置,是利用高速气体或蒸汽喷射流带走吸入的气体,然后在扩压器上将混合气体的速度转化为压力。也可称为喷射器、喷射泵、热力型压缩机。
可以分为电动空压机、柴油空压机、热力型空气压缩机(喷射式压缩机)
采用电动机驱动的为电动空气压缩机。电动空压机,可以按电源相数分为单相电源(220V)、三相电源(380V);按电源电压可以分为低压电机(380V电机)、高压电机(6KV电机、10KV电机);按电动机频率是否可变,可以分为工频(定频)空压机和变频空压机。
①工频空压机:在运行过程中电动机频率保持固定不变(国内供电为50Hz),电机频率不随压缩空气消耗量变化而改变,又称定频空压机。
②变频空气压缩机:在运行过程中,电机频率随工况(压缩空气消耗量)变化而改变。根据变频方式,分为普通变频和永磁变频两类。
a.普通变频空压机,是传统变频方式,用外挂的空压机变频器控制电动机频率,电机频率随工况变化而改变。
b.永磁变频空压机,采用永磁变频电动机驱动,永磁变频电动机采用稀土永磁材料制作,变工况运行时电机效率更高。
柴油空压机采用柴油机驱动,多为移动式,用在供电电源不方便或者需要经常移动的场合,比如矿山、水利、城建等行业。
利用高速气体或蒸汽作为动力,又称喷射式压缩机、喷射泵。
根据空压机在压缩过程中压缩气体的产生单元(即压缩腔)内是否有润滑油(也就是在气体压缩过程中是否与润滑油接触)来分,可以分为有油(喷油、微油)压缩机和无油压缩机。
气体压缩后压力和温度上升,压缩机连续运转需要配置冷却器。根据冷却器冷却方式来分,有翅片式风冷冷却器和管壳式水冷冷却器,相应的空压机可以分为风冷式和水冷式两类。
冷却器为铝合金翅片式散热器,压缩后产生的热量散发到空气中,因此要求空压机房通风散热良好,否则可能会导致空压机排气温度过高而保护停机。风冷式无需循环冷却水和凉水塔,安装使用比较方便,但是对机房通风散热要求高。
冷却器为铜排管管壳式冷却器(不锈钢排管的很少),压缩后产生的热量通过循环冷却水送至凉水塔散发,要求循环水进出口温度、压力和水质符合相关要求。水冷式空压机站房散热要求比风冷式低。
可以分为固定式和移动式两类。
①固定式空压机,在固定位置安装使用,通常需要安装基础,使用过程中位置固定不动。
②移动式空压机,使用位置不固定,使用时可以随意移动位置,无需安装基础,一般带有为移动方便而装的轮子。
可以分为单级压缩、两级压缩和多级压缩。
①单级压缩空压机,气体仅通过一次工作腔或叶轮,压缩一次,单级压缩机是广泛使用的压缩机。
②两级压缩空压机,气体顺次通过两次工作腔或叶轮,压缩两次,经过两次压缩,输出压力可以比单级压缩更高。
③多级压缩空压机,气体顺次通过多次工作腔或叶轮,压缩多次,相应通过几次便是几级压缩机。
可以分为低压、中压、高压和超高压空压机。
①低压空压机,排气压力大于等于0.1Mpa,小于1.6Mpa(有的习惯划分是把排气压力小于等于0.5Mpa的称为低压空压机;排气压力大于等于0.7Mpa,小于等于1.3Mpa的称为常规压力空压机)。
②中压空压机,排气压力大于等于1.6Mpa,小于10.0Mpa。例如:用于PET吹瓶、管道检测的PET吹瓶压缩机,用于激光切割机的激光切割空压机等均属于中压范围。
③高压空压机,排气压力大于等于10.0Mpa,小于100.0Mpa。
④超高压空压机,排气压力大于等于100.0Mpa。
主要有:制冷压缩机、冰箱压缩机、空调压缩机、吹瓶空压机、激光切割用空压机等等(严格来说,按用途划分是不严谨的分类方法,空压机用途广泛,属于通用设备,无法完全列举出来)。
空压机分类方法比较多,不同分类之间互相交错,每种分类方法只是反应设备某一方面的属性,同一台设备按不同的方法分类,可以划分为不同的类别。比如:一台POGWFD75-12/8空压机,同时属于容积式、回转式、螺杆式、风冷、水润滑、无油、电动、永磁变频、固定式、单级压缩空压机。
反映空气压缩机性能的基本参数,请参阅“空压机参数”。
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