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压缩空气所含颗粒杂质特性原理与清除方法
发表时间:2021-07-22   浏览次数:114次

压缩空气因其特有的特性优势,被广泛的应用于各行各业,随着人工智能、自动化技术、净化技术、节能技术的发展,压缩空气被应用的领域得到了更大的拓展。但压缩空气中含有灰尘、水、水蒸气、油、油蒸气及其它机械摩擦杂质,如不进行有效的处理,将给后续压缩空气净化设备、输送管道及用气设备和工艺造成不利的影响,也影响压缩空气作用的发挥。本文简要介绍清除压缩空气中所含颗粒的几种原理。


每立方米压缩空气中所含有的粒子数量称为“含尘量”,用固体粒子的质量浓度mg/m3来表示,即每m3气体中所含的粒子个数。


在现代工业动力气源系统中,常将固体粒子按其粒径分成0~5μm、5~10μm、10~25μm、25~50μm、50~75μm等群落,对不同群落的粒子采用不同方法进行清除。


压缩空气中所含粒子有一个特性:干燥器前方的所有固体粒子几乎全部悬浮在饱和空气之中,即所有粒子表面都可能被液态水或油层所蒙复,在固体粒子的清除过程中也能把水、油等杂质除去一部分,这种分离方式称为“湿态分离”。通常对于微小粒子,湿态分离的效率要比分离干燥的粒子更高些,但缺点是增加了分离设备负荷。


一、惯性分离


惯性,是物质固有的属性,是一种抵抗的现象,它存在于每一物体当中,大小与该物体的质量成正比,并尽量使其保持现有的状态,不论是静止状态,或是匀速直线运动状态。若在压缩空气流动过程中,改变压缩空气流动规律,让其旋转起来或其前方突然有障碍物,有一定的质量固体颗粒将被分离出来。惯性分离常有离心式分离和挡板式分离。


1)离心式分离是通过在滤筒中设计螺旋挡板或用其他方式,让流经的压缩空气在滤筒内旋转起来,通过离心效应(如图示)将固体颗粒分离出来。气体旋转速度愈大,由不同物质惯性差异产生的分离效果也愈好,但同时压力损失也愈大。具体原理如下:


在旋转流体中,悬浮颗粒主要受到以下三个力的作用,即:⑴流体作圆周运动而产生的离心力;⑵颗粒本身的重力;⑶流体对颗粒向上的浮力。在这三种力的联合作用下,受到离心力的较大的颗粒被抛向外壁,然后向下沉降,但微小的颗粒将随气流向上迁移。所能分离的颗粒最小粒径称为“切割粒径”dp,



式中 C0 ——气流在垂直方向上的平均速度,

qv ——进入分离器空气的容积流量,Nm3/s;

D ——旋风分离器直径,m;

ρ——空气在空压机吸气状态下的密度,kg/m3;

ρp——粒子密度,kg/m3;

H ——粒子在分离器中垂直方向的移动距离,m;

L ——粒子在分离器中水平方向处的移动距离

g——重力加速度,9.8m/s3

ac——平均向心加速度,m/s3,

cd——流体的圆周速度,

r——代表半径,

ξ——阻力系数,是雷诺数的函数,数值参见下表;

k——球形系数:球形1为1,锥形为1.5,长条形为1.76,针形为3.8。



利用惯性分离中离心式分离原理制造的过滤器,称之为旋风分离器,其流通能力可达0.04~400Nm3/min,压力损失随分离效率的提高而上升,一般在400~15000Pa左右。


2)挡板分离(如下图参考图形)

挡板常采用平板形和V形两种类型,挡板放置时一定与迎风面有一定的倾角。其切割粒径dp=10~40μm。为增加捕集效果,可以采用几块挡板组合成“百叶窗式”,形成分级捕集,其效率可以到达50%,切割粒径也可到13.5μm。


挡板分离的“湿态分离”效果比分离干燥粒子要好,因为包覆水滴、油雾的粒子一旦和挡板发生碰撞,很薄的一层水就顺着挡板表面流下来,并在挡板边缘积聚成更大粒径的水珠,在重力作用下落入收集器。V形挡板的捕集率要大于平板形挡板,且压力降也要小很多。


以上两种以惯性分离的分离器经久耐用、体积不大、初成本和运行费用低,对各种成分的污染物都有一定的净化作用。但对于20μm以下的小粒径颗粒的分离效率不高。


二、过滤净化


过滤净化是去除压缩空气中固体微粒、雾状水滴、油雾及有蒸汽的主要方法,其主要设备是多种类型的过滤器,是利用物理阻隔技术来分离介质中其他成分的一种设备。根据过滤对象和净化指标的多样性,可供使用的过滤材料也是各种各样的。主要有粗效过滤器(过滤5μm以上的颗粒)、主管道过滤器(过滤1~10μm的颗粒)、除油过滤器(过滤0.01~1μm的颗粒)、除臭过滤器(过滤以0.01μm为准,常见活性炭过滤器)。


这种类型过滤器是非再生的,压力损失也随使用时间延长而增大(初始压降为1500~2500Pa),使用寿命在2000h~8000h之间,与过滤材质与使用条件有关,


三、重力沉降


重力沉降是依靠地球引力场的作用,利用颗粒与流体的密度差异,使之发生相对运动而沉降。一种使悬浮在流体中的固体颗粒下沉而与流体分离的过程。也是从气流中分离出尘粒的最简单方法。只有颗粒较大,气速较小时,重力沉降的作用才较明显。利用该办法来净化压缩空气主要在储气罐中进行。



利用重力沉降法,能够完全脱离气流而沉积下来的最小微粒直径由下式确定:


式中:μ——空气的动力粘度,Pa·s;

ρp——微粒的密度,kg/m3 ;

ρa——压缩空气密度,kg/m3

g——重力加速度;

l和H——装置沉降室的长和高,m;

c——在装置中的空气流速,m/s


利用重力沉降的净化装置使用寿命接近无限,压力损失也非常小,主要用于清除颗粒大于60μm的固态粒子或液态水分,净化效率可达到20~60%。


压缩空气中的颗粒污染物是混在压缩空气中的“坏蛋”,在其进入用气设备、气动工具或工艺之前,一定要将其过滤干净。具体用什么原理与方法进行过滤,取决于具体的用气需求,不可过分追求高精度。在不必要的场合,选用高精度的过滤方式,必须考虑其实用性、经济性与过滤效果。



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