第2章　压缩空气站、管道网络及产品

1　压缩空气设备的组成

压缩空气系统通常由压缩空气产生和处理两部分组成。压缩空气产生是指空气压缩机提供所需的压缩空气流量。压缩空气的处理是指主管道空气过滤、后冷却器、油水分离器、储气罐、空气干燥器对空气的处理。当大气中的空气进入空压机进口时，空气中的灰尘、杂质也一并进入空压机内。因此需在空压机进口处安装主管道空气过滤机，尽可能减少、避免空压机中的压缩气缸受到不当磨损。经空压机压缩后的空气可达140～180℃，并伴有一定量的水分、油分，必须对压缩机压缩后的气体进行冷却、油水分离、过滤、干燥等处理。

1.1　空压机

1.2　后冷却器

1.3　主管道过滤器

1.4　主管道油水分离器

主管道油水分离器是指安装在后冷却器下游的主管道，它与气动系统中除油型过滤器（俗称：油雾分离器）在用途上有所区别。主管道油水分离器（液气分离器）是压缩空气产生后的第一道过滤装置。特别是采用有油润滑空压机，在压缩过程中需要有一定量的润滑油，空气被压缩后产生高温、焦油碳分子以及颗粒物。为了减少对其下游的冷冻式干燥器（或吸附式干燥器）、标准过滤器等设施的污染程度，经过后冷却器之后，压缩空气（含冷凝水）必须在进入干燥器之前进行一次粗过滤。

1.5　储气罐

1.6　干燥器

压缩空气经后冷却器、油水分离器、气罐、主管路过滤器得到初步净化后，仍含有一定的水蒸气，其含量的多少取决于空气的温度、压力和相对湿度的大小。对于某些要求提供更高质量压缩空气的气动系统来说，还必须在气源系统设置压缩空气的干燥装置。

在工业上，压缩空气常用的干燥方法有：吸附法、冷冻法和膜析出法。

1.7　自动排水器

2　空气管道网络的布局和尺寸配备

2.1　气动管道最大体积流量的计算因素

决定气动管道最大体积流量的因素是：耗气设备的数量以及它们所需的空气消耗量，耗气的程度（并非所有设备都在同一时间内消耗空气），耗气设备和网络中的损耗泄漏，以及耗气设备的负载循环。

2.2　空气设备最大耗气均值的计算

耗气均值V_m（L/s）可以通过下面的公式得出

　　 （23-2-1） 　　

式中　i——操作变量；

n——不同耗气设备的数量；

A_i——耗气设备数量；

V_i——每台设备的耗气量，L/s；

CD_i——负载循环，％，见表23-2-8；

SF_i——同时性因数，见表23-2-9；

V_m——耗气均值，L/s。

对上式进行修正后得到空气设备最大耗气量计算式

式中　E_r——为将来系统扩容预留出的消耗量，如35％；

L_e——容许的泄漏值，如10％；

V_最大——最大耗气量。

流量翻一番（×2）的目的是平衡设备在高峰负载时的耗气值。经验表明，空气的耗气均值在其最大耗气量的20％～60％之间。

2.3　气动管道网络的压力损失

2.3.1　影响气动管道网络的压力损失的主要因素

影响气动管道网络的压力损失的因素有：管道长度、管道直径、管接件的数量及类型（变径、弯道）、管道中压力流量及管道泄漏等。

管道越长，损失就越大，这主要是由于管壁粗糙和流速引起的。表23-2-10反映了管径ф=25mm，管长l=10m的管道内不同的压缩空气流量的压力损失情况。

管道中闸阀、L形、T形接头、变径等连接件对流动阻力具有很大影响。为了方便工程计算，不同的管接件在不同直径情况下都有一个相应的转换成该直径的等效长度，见表23-2-11。

2.3.2　气动管道网络的压力损失的计算举例

例1　下列的管接件要安装在内径为23mm的压缩空气管线内：2个闸阀、4个L形接头、1个变径接头、2个T形接头。要获得正确有效的管道长度，计算需增加多少同等直径长度的管道？

解：

L_等效长度=2×0.3+4×1.5+1×0.6+2×2.0=11.2m

式中　n——管接件的数目；

L_实际——实际等效长度；

L_总长——计算压力损失的管道计算长度。

凭经验简化得出公式的近似值为L_总长=1.6L_实际。

工程设计中，管道的直径和长度（包括由球阀、管接件引起的等效长度）、实际工作压力和流量是已知的，通过图23-2-2可求得管道压力损失。

例2　当压缩空气通过长度为200m、内径估计为40mm的管道时会丧失多少压力？

解：假设体积流量为6L/s，操作压力为7bar，如图23-2-2所示，如果按照①到⑦的顺序依次键入输入值，那么⑧就代表损失的压力Δp=0.00034bar。

2.4　泄漏的计算及检测

2.4.1　在不同压力下，泄漏孔与泄漏率的关系

在不同的压力下，泄漏孔与泄漏率的关系见图23-2-3。

压缩空气的成本上升，需要十分注意。管道方面小小的泄漏将导致成本急剧增加。图23-2-3表明在不同的压力条件下，泄漏孔与泄漏率的关系：一个直径为3.5mm的小孔在6bar压力下，它的泄漏量为0.5m³/min，相当于30m³/h。

2.4.2　泄漏造成的经济损失

泄漏的定义是因裂缝而导致的压缩空气的损耗，如表23-2-12所示。对于ф=1mm的泄漏孔，每年将造成1143元的电费损失（电费以0.635元/kW计算）。

2.4.3　泄漏率的计算及举例

与漏油、漏电不同的是，泄漏的压缩空气不会对环境造成危害。因此，人们通常不太重视被漏掉的压缩空气。

常见的计算泄漏的方法有两种：一种是在不开启任何耗气设备的情况下，经过一段时间，根据储气罐的压力下降来计算它的泄漏量，见式（23-2-2）

　　 （23-2-2） 　　

式中　V_L——泄漏量，L/min；

V_B——储气筒的容量，L；

p_A——储气筒内的原始压力，bar；

p_B——储气筒内的最终压力，bar；

t——时间，min。

例1　经测量，容积V_B为500L的储气筒在30min的时间内压力p_a从9bar下降到7bar。请问该系统的泄漏率是多少？

根据式（23-2-2），系统泄漏率V_L为

另一种是当系统产生了泄漏后（无开启任何耗气设备），为维持系统的正常工作压力，空压机需间断性地向系统补充压缩空气，通过空压机重新开机的时间，计算它的泄漏量，见式（23-2-3）

　　 （23-2-3） 　　

式中　L_v——泄漏损耗率，％；

t₁——重新填满系统所需的时间，min；

t₂——空压机关闭的时间，min。

例2　重新填满系统所需的时间t₁=1min。10min之后，空压机重新开启，泄漏率L_v为

值得注意的是，泄漏率如果超过空压机容量的10％就应视作警告信号。如果需更精确计算泄漏率，可考虑取空压机若干个补充周期的平均值（见图23-2-4）。

　　 （23-2-4） 　　

式中　V_k——空压机的容量，m³/min；

t_i——1个周期所需的时间，min；

n——补充周期的次数；

T——测量总时间，min。

例3　经测量，在10min内，空压机的容量V_k为3m³/min，n为5次，总的补充时间是2min，这就产生了下面的泄漏率。

根据式（23-2-4），得知V_k为3m³/min，

事实上，0.6m³/min的泄漏相当于空压机容量（3m³/min）的20％，应视作一个警告信号。

2.4.4　泄漏检测系统

常规检测泄漏的方法是用肥皂溶液刷洗可能泄漏的部位，有气泡就表示有泄漏。还有一种用于压缩空气网络系统的检测方法，见图23-2-5，通过压力传感器测得压力数据，再通过信号转换由电脑作出数据评估。

2.4.5　压缩空气的合理损耗

不漏气的理论定义是10mbar/s、10L/s的泄漏速度。然而，在实际操作中并没有这种要求。泄漏速度在10mbar/s、2L/s到10mbar/s、5L/s是比较合适的。0.6bar的压力损耗对操作压力在消耗点时为7bar的系统来说时一个可以接受的数值。

在自然界中，尽管空气取之不尽，但通过电能转换成压缩空气能源的代价是昂贵的。合理地使用压缩空气能源是工业界重要经济指标之一。目前，在气动系统中，应用的压缩机往往是现代的，但采用的压缩空气网络却仍然是陈旧、粗糙的，经常有50％的电能被浪费了。因此解决泄漏、节约能耗是工程师需要关心并完成的重要工作之一。

0.03bar在空气网络管道中压力损失是不可避免的。我们期望压力损失的值控制在：

2.5　压缩空气网络的主要组成部分

①主管道　它将压缩空气从压缩机输送给有需要的车间（见图23-2-6）。

②分气管道（单树枝状、双树枝状、环状网络管道）　通常是一个环路。它把车间里的压缩空气分配到各工作场所。

③连接管道　它是永久分配网中的最后一环，通常是一根软管。

④分支管道　这根管道从分气管道通到某一地方。它的终端是一个死结，这样做的好处是节约管道。

⑤环路　这种类型的管道呈封闭环状。它的好处是在管道中某些单独部分堵塞的情况下仍然可以向其他地方提供压缩空气，当邻近地方（如A处）消耗压缩空气的同时，其他位置（如B处）仍然有足够的压力；公称通径也很小。

⑥管接头和附件　如图23-2-6所示为配备了最重要元件的系统示意图，包括系统中用来控制压缩空气流动和元件装配的部分。需要强调的是，因为冷凝水的缘故，各条连接管路应该连接在分配管路的顶端，这就是所谓的“天鹅颈”。排除冷凝水的分支管道安装在气动网络中位置最低处的管道底部。如果冷凝水排水管和管道直接连接，则必须确保冷凝水不会因压缩空气的流动而被一起吹入管道。

2.5.1　压缩空气管道的网络布局

压缩空气供气网络有三种供气系统：

①单树枝状网络供气系统；

②双树枝状网络供气系统；

③环状网络供气系统。

图23-2-7所示的环状网络供气系统阻力损失最小，压力稳定，供气可靠。

2.5.2　压缩空气应用原则

压缩空气的应用原则：应对系统消耗的总量进行准确的计算，选择合适的空压设备用量及压缩空气的质量等级。为了确保压缩空气的质量，应从大气进入空压机开始，直至输送到所需气动系统及设备之前，每一过程都需对压缩空气进行必要的预处理。对于空气质量等级要求的一个原则：如果系统中某一个系统和气动设备需要高等级的压缩空气，则必须向该系统提供与其所需等级相适应的压缩空气，如无需高等级压缩空气，则提供与它相应等级的压缩空气便可。即使同一个气动设备有不同空气质量等级需求，也应该遵守这一经济原则。追求压缩空气清洁的愿望是无止境的，但应注意如下事项。

①选择系统所需的足够的压缩空气容量和压缩空气的质量等级标准。

②如果系统中有不同压力等级的压缩空气要求，从经济角度出发，可考虑局部压力放大（增压器），避免整个系统应用高等级的压缩空气。

③如系统有不同质量等级的压缩空气的需求，从经济角度出发，压缩空气还是必须集中筹备，然后对所需高等级空气按照“用多少处理多少”的原则进行处理。

④空压机吸入口应干净、无灰尘、通风条件好、干燥。应充分注意：温暖潮湿的气候，空气在压缩过程中将生成更多的冷凝水。

⑤对于气动系统某些设备同时耗气量较大的状况，应在该气动支路安装一个小型储气罐，以避免压力波动。

⑥应该在气动网络管道最低点，安装收集冷凝水的排除装置。

⑦选择合理的空气网络管路、管接件和附件。

⑧应为将来系统扩容预留一定的压缩空气用量。

2.6　管道直径的计算及图表法

（1）管道直径的计算

气源系统中的管道直径与其通过的流量、工作压力、管道长度和压力损失等因素有关。

　　 （23-2-5） 　　

式中　d——管道内径，m；

p₁——工作压力，bar；

Δp——压力损失，Pa，应该不超过0.1bar；

L——管道的名义长度，m，经过综合计算修正后；

V——流量，m³/s。

例　在一个300m长的直管道，流量为21m³/min（0.350m³/s），工作压力为7bar（等于700000Pa）时，管道直径d应是多少？

（2）利用J Guest Gmbh表查管道直径

根据J Guest Gmbh表（见表23-2-13），可以管道长度和流量求聚酰胺管道外径（单位mm）的近似值。

例　在有效长度为300m的环状管路中，流量为2m³/min，工作压力为7bar时，管道直径d应是多少？

解：因为管道是环状管路，因此它的流量和管道长度均减半，分别为1000L/min及150m，按表23-2-13可查得管道直径为18mm。

（3）利用管道直线列线图查管道直径

当已知管道长度（包括管接件的压力损失转换成管道长度）、流量、工作压力和管道的压力降，可用图23-2-8查找相应的管道直径d。

如管长300m，流量1m³/h，工作压力8bar，压力损失Δp为0.1bar，按步骤①到⑧得到D轴上的交点，管道直径等于100mm。

2.7　主管道与支管道的尺寸配置

主管道与支管道的配置可参照表23-2-14。

例如：内径为51mm的主管道能提供16根直径为13mm的支管道、或8根直径为19mm的支管道、或4根直径为25mm的支管道、或2根直径为38mm的支管道、或1根直径为51mm的支管道。

如果提供给耗气设备的压力太低，原因可能是以下某种：

①分配网络的设计不当，或压缩机容量不够；

②气路管道过细；

③泄漏率大；

④过滤器被堵住了；

⑤接头和过渡连接件的尺寸太小；

⑥太多的L形接头（增加了压力损失）。

3　增压器

4　压缩空气的质量等级

4.1　影响压缩空气质量的因素

压缩空气可分为过滤干燥压缩空气及过滤干燥经油雾润滑的压缩空气。为了确保气动控制系统和气动元器件正常工作，必须使压缩空气在一个压力稳定、干燥和清洁的状态。任何情况下，要求过滤器去除大于40μm的污染物（标准滤芯）。压缩空气经处理后应为无油压缩空气。当压缩空气润滑时，必须采用DIN 51524-HLP32规定的油：40℃时油的黏度为32cSt。油雾不能超过25mg/m³（DIN ISO8573-1第5类）。一旦阀使用润滑的压缩空气，以后工作时，就必须一直使用，因为油雾气体将冲走元件内基本润滑剂，从而导致故障。另外，系统千万不能过度润滑。为了确定正确的油雾设定，可进行以下简单的“油雾测试”：手持一页白纸，在控制气缸最远阀的排气口（不带消声器）约10cm距离，经一段时间后，白纸呈现淡黄色，上面的油滴可确定是否过度润滑。排气消声器的颜色和状态则提供了过度润滑的证据。醒目的黄色和滴下的油都表明润滑设置设定的油量太大。受污染或不正确润滑的压缩空气会导致气动元件的寿命缩短，必须至少每周对气源处理单元的冷凝水和润滑设定检查两次。这些操作必须列入机器的保养说明书中。即使需使用润滑的压缩空气，油雾器也应尽可能直接安装在气缸的上游，以避免整个系统都使用油雾空气。为了保护环境，尽可能不用油雾器。特殊应用场合有可能需要精细压缩空气过滤器。

不良的压缩空气将造成气缸和阀的密封圈以及移动部件迅速磨损，阀受到油污，消声器受到污染，管道、阀、气缸和其他元件受到腐蚀，润滑剂被破坏等。对某些特殊加工领域，如医药、食品、电子等行业，逃逸出去的压缩空气会损坏其产品。

影响压缩空气的质量有两个方面：压缩空气的来源与压缩空气的产生及储存设备。

①压缩空气的来源　正确选择压缩机的安放地点是很重要的。压缩空气的进气口应选在温度低、无尘埃的地方。如将压缩机房建在通风良好而宽敞处，避免空压机的吸气口面对锅炉房蒸气泄漏处。

②压缩空气的产生与储存设备　选择合适的压缩机（有油还是无油润滑）；注意压缩机进气口过滤器的过滤状况、储气罐和管道中的铁锈、管道密封剂；管道件加工残留的固态颗粒及储存设备中是否有水。压缩空气质量等级见表23-2-16（空气微粒含量的等级）。

4.2　净化车间的压缩空气质量等级

4.3　不同行业、设备对空气质量等级要求

对不同种类的设备，推荐不同质量等级的压缩空气，见表23-2-17。

5　压缩空气站、增压器产品

5.1　环保冷媒冷冻式干燥器（SMC）

5.2　IDF系列冷冻式空气干燥器（SMC）

5.3　高温进气型（IDU）冷冻式空气干燥器（SMC）

5.4　DPA型增压器（Festo）

增压器是一种带双活塞，能压缩空气的压力增强器。当对DPA进行加压时，根据流量的大小，内置换向阀和单向阀能自动地把输出端的压力提高两倍。两端活塞的驱动气源是由换向阀控制的。当到达一定的行程终端位置，换向阀能自动换向，能在系统压力和最大的两倍系统压力之间随意地选择输出压力。

其参考值是通过一个手动操作的减压阀来设置的。该减压阀给输出端的运动活塞提供压缩空气，并确保增压器的稳定工作。当使用的系统压力未达到要求的输出压力时，增压器能自动启动。当达到输出压力时，增压器就自动停止工作，但是当压力下降时，增压器就又会动作。

优点：任意位置安装、使用寿命长、结构紧凑、完美设计、安装时可选择气缸ADVU的标准附件、通过阀驱动、用气量少、安装时间短。结构图见图23-2-9。

5.5　VBA型增压器（SMC）