關(guān)于非動(dòng)力配置氣、水、油分離器的研制

向 鵬，丁長(zhǎng)鳴

(1.成都電業(yè)局變電運(yùn)行管理所，成都610081;2.重慶電力高等?？茖W(xué)校，重慶400053)

0 引言

壓縮空氣品質(zhì)的高低，直接影響著噴涂工件的表面質(zhì)量。由于外界原因(如空氣濕度較大)以及空壓機(jī)活塞缸自身存在的密閉問題，壓縮空氣中含水、含油現(xiàn)象在所難免。在涂裝生產(chǎn)中，漆料噴涂是通過壓縮空氣在噴槍出口處產(chǎn)生負(fù)壓，吸出漆料并使其霧化，噴涂在工件表面。當(dāng)壓縮空氣中含有水滴、油滴時(shí)，會(huì)影響工件漆膜的表面質(zhì)量，造成漆膜起泡、剝落等缺陷。目前，涂裝行業(yè)凈化壓縮空氣的措施是“旋轉(zhuǎn)氣流法”、“氣流降溫法”、“氣流升溫法”等，這些方法在不同程度上存在效率低、能耗大等弊端。針對(duì)這些問題，作者研制了非動(dòng)力分離器，并已申報(bào)國(guó)家專利。

1 傳統(tǒng)氣、水、油分離方式

目前涂裝行業(yè)在處理壓縮空氣的品質(zhì)時(shí)，采用的處理方法主要有以下三種傳統(tǒng)氣、水、油分離方式，如圖1所示。

圖1 傳統(tǒng)氣、水、油分離方式

旋轉(zhuǎn)氣流方式，如圖1(a)所示，壓縮空氣通過入口處的過濾網(wǎng)進(jìn)入左旋進(jìn)氣管，氣流組織通過油、水收集器后又進(jìn)入右旋排氣管，送至噴槍使用。這種方式存在以下弊端:第一，過濾網(wǎng)會(huì)消耗掉一部分壓縮空氣的能量;第二，氣流組織在兩種旋向不同的通道中做螺旋運(yùn)動(dòng)時(shí)，由于氣流的換向運(yùn)動(dòng)，又使壓縮空氣損失一部分能量;第三，雖然氣流組織在設(shè)備中的路徑較長(zhǎng)，但氣流組織中質(zhì)點(diǎn)的旋轉(zhuǎn)半徑和氣流速度始終是定值，只能分離液滴直徑較大的質(zhì)點(diǎn)，無法確定小直徑質(zhì)點(diǎn)有脫離向心力的可能。

氣流降溫方式，如圖1(b)所示，通過降低壓縮空氣的溫度，使壓縮空氣中的水分達(dá)到露點(diǎn)，變?yōu)槔淠懦?，從而達(dá)到潔凈空氣的目的。這種處理方式對(duì)含油空氣的潔凈不是最佳措施。因?yàn)樵趯?duì)氣流降溫過程中，同時(shí)也降低氣流中油滴的溫度，致使油滴的粘度增大，如此長(zhǎng)期工作容易造成管道堵塞，同時(shí)還伴有電能消耗。

氣流升溫方式，如圖1(c)所示，提高壓縮空氣的溫度，使空氣中的水分蒸發(fā)。但卻并未達(dá)到除油的目的，當(dāng)壓縮空氣流動(dòng)時(shí)，被升溫的油霧同樣也會(huì)隨著噴槍噴出而影響烤漆工件的涂層質(zhì)量，并伴有能量消耗。

以上各種方案都有各自的弊端，為了最大限度的抑制壓縮空氣中的油滴、水滴含量，并盡可能地降低能耗，采用無動(dòng)力消耗氣、水、油分離器是目前較為有效的措施。

2 非動(dòng)力配置氣水油分離器設(shè)備構(gòu)成(非動(dòng)力配置氣水油分離器設(shè)備構(gòu)成總圖)

如圖2所示，該裝置由11個(gè)部件構(gòu)成?？諌簷C(jī)(部件1)為進(jìn)入缸體的氣流提供動(dòng)能;氣、水、油分離器(部件2、8)可以實(shí)現(xiàn)無動(dòng)力消耗分離空氣中的水滴和油滴;氣用逆止閥(部件3、7)是用于防止水滴和油滴由于壓差而回流進(jìn)入分離器;氣用電磁閥(部件5、6)是用于油、水收集器排放液體時(shí)降低分離器的壓力損失;油、水收集器(部件11)是用于儲(chǔ)存空氣中分離出來的水滴和油滴;自重式大氣連通器(部件10)是用于調(diào)節(jié)液體儲(chǔ)存罐的氣壓以協(xié)助其排放液體;遠(yuǎn)傳磁性液位計(jì)(部件9)是用于監(jiān)測(cè)油、水收集器內(nèi)的液位高度。

圖2 空氣分離設(shè)備總圖

圖3 氣、水、油分離器結(jié)構(gòu)圖

3 分離器結(jié)構(gòu)及工作原理

3.1 氣水油分離器結(jié)構(gòu)

如圖3所示，分離器由三大組件構(gòu)成:氣缸上端蓋(部件14)、中段缸體(部件15)、氣缸下端蓋(部件19)。缸蓋與缸體之間采用法蘭連接。在氣缸下端蓋中，氣管接口(部件20)由四塊下支撐板(部件4)焊接在整個(gè)氣缸的軸心處;氣流分配接頭(部件18)運(yùn)用凹球面將壓縮空氣均勻分配成六份進(jìn)入螺旋噴嘴;螺旋噴嘴的結(jié)構(gòu)形狀類似于四分之一圈節(jié)距為P、截面形狀為矩形的壓縮彈簧，分別固定在氣流分配接頭的6個(gè)右旋螺旋噴嘴接口上;中段缸體內(nèi)部設(shè)置有與氣流組織旋向相同的六線螺旋導(dǎo)流翅片，用于引導(dǎo)氣流在缸內(nèi)的走向;每級(jí)集氣導(dǎo)錐(部件9、10、11)由不同曲率的兩個(gè)空心曲面組合而成，且中間嵌有螺旋的集氣導(dǎo)流翅片，用于提升低壓氣流。螺旋狀的噴嘴使氣流高速流出噴嘴口，在中段氣缸螺旋導(dǎo)流翅片的引導(dǎo)下，沿著內(nèi)壁做螺旋運(yùn)動(dòng)，并將空氣中的水滴和油滴分離出去。根據(jù)企業(yè)當(dāng)?shù)貧夂蚝蜌饬餍枨罅浚諝鈮嚎s機(jī)后面可自行串聯(lián)或并聯(lián)若干個(gè)氣、水、油分離裝置。

3.2 分離原理

壓縮空氣經(jīng)過螺旋噴嘴噴射到缸體導(dǎo)流翅片所構(gòu)成的螺旋通道(類似于內(nèi)螺紋軌跡)，質(zhì)點(diǎn)隨著氣流組織做螺旋運(yùn)動(dòng)。將氣流組織中的小水滴、油滴設(shè)想為一個(gè)不能忽略自身重量的質(zhì)點(diǎn)。

由于氣體具有擴(kuò)散的效應(yīng)，從螺旋噴嘴射出的氣流會(huì)發(fā)生擴(kuò)散，質(zhì)點(diǎn)在運(yùn)動(dòng)中相互之間的碰撞、融合，將改變質(zhì)點(diǎn)的空間位置，使其偏離預(yù)定的軌跡。另一方面，氣流組織在缸體內(nèi)經(jīng)過一定時(shí)間后，隨著氣流的上升，速度會(huì)逐漸降低。在氣缸中，隨著氣流的不斷進(jìn)入，質(zhì)點(diǎn)與質(zhì)點(diǎn)之間不斷發(fā)生碰撞，進(jìn)行相互之間的能量交換，并推動(dòng)質(zhì)點(diǎn)向上運(yùn)動(dòng)。懸浮速度可用下式表示:

上式中:

vt——?dú)饬餮芈菪龤獾绹娚涞馁|(zhì)點(diǎn)懸浮速度;

g——重力加速度;

γz——質(zhì)點(diǎn)的比重;

γ——壓縮空氣的比重;

dz——質(zhì)點(diǎn)的直徑。

只有氣流的速度大于質(zhì)點(diǎn)的懸浮速度時(shí)，質(zhì)點(diǎn)才能隨著氣流組織做螺旋運(yùn)動(dòng)。由于螺旋噴嘴氣道的截面尺寸及壓縮空氣流過氣道的流量直接影響氣流組織懸浮速度值的大小，根據(jù)圖2中分離器設(shè)置的螺旋噴嘴的數(shù)量，即6個(gè)噴嘴，可得:

即只需:

即當(dāng)螺旋噴嘴的截面面積等于或小于A值時(shí)，氣流沿螺旋氣道噴射的質(zhì)點(diǎn)處于懸浮狀態(tài)，也就是質(zhì)點(diǎn)在達(dá)到vt流速時(shí)，具備從氣流組織中被分離出去的能量。

圖4 旋轉(zhuǎn)氣流壓力分布圖

考慮到懸浮的質(zhì)點(diǎn)在旋轉(zhuǎn)氣流中分布的不均勻性，采用導(dǎo)錐去干涉旋轉(zhuǎn)氣流的軸心低氣壓，解決分離效果不理想的問題。在氣體等壓場(chǎng)的前提下旋轉(zhuǎn)氣流壓力如圖4所示，對(duì)氣流軸心處引入空心導(dǎo)錐，對(duì)旋轉(zhuǎn)氣流軸心處低壓端氣壓進(jìn)行干涉，改變了旋轉(zhuǎn)氣流的壓力分布，使原來陡峭的壓力曲線趨于平緩，質(zhì)點(diǎn)由空間螺旋運(yùn)動(dòng)向平面螺旋運(yùn)動(dòng)過渡，最終趨向平面圓周運(yùn)動(dòng)，此時(shí)，質(zhì)點(diǎn)所受的離心力達(dá)到最大值，即質(zhì)點(diǎn)(水滴或油滴)沿著R旋轉(zhuǎn)的切線方向，擺脫向心力而附著于缸體內(nèi)壁，順著六線螺旋導(dǎo)流翅片的左旋方向流下至缸體的底部，進(jìn)入圖1中的油、水收集器(部件11)。

［1］ 徐炳輝.氣動(dòng)手冊(cè)［M］.上海:上?？茖W(xué)技術(shù)出版社，2005.

［2］ 黃標(biāo).氣力輸送［M］.上海:上?？茖W(xué)技術(shù)出版社，2010.

［3］ 蔣祖星.熱能動(dòng)力基礎(chǔ)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2006.

［4］ 薛祖繩，周云龍.工程流體力學(xué)［M］.北京:中國(guó)電力出版社，1997.

［5］ 張兆順.流體力學(xué)［M］.北京;清華大學(xué)出版社，2001.