用于飛機(jī)制造的螺桿空壓機(jī)在不同外部條件下的排水量分析

袁開(kāi)宇，陳 藜，吳 迪，田 斌

（航空工業(yè)洪都，江西 南昌，330095)

0 引言

空壓機(jī)在飛機(jī)制造中具有重要作用，它所產(chǎn)出的壓縮空氣可用于驅(qū)動(dòng)飛機(jī)制造中的裝配工具、噴漆、退膜、吹沙、組合刀具以及安裝鉚釘、金屬成形壓機(jī)、鍛錘等。 飛機(jī)制造業(yè)對(duì)于需要空壓機(jī)作為動(dòng)力的器械與工程的依賴(lài)程度也越來(lái)越大。隨著行業(yè)不斷革新與進(jìn)步，現(xiàn)在螺桿式空壓機(jī)多半采用兩級(jí)壓縮技術(shù)，其壓縮過(guò)程為自然空氣通過(guò)空氣過(guò)濾器進(jìn)入第一級(jí)壓縮，在壓縮腔與少量潤(rùn)滑油混合，同時(shí)將混合氣體壓縮到級(jí)間壓力。壓縮后的氣體進(jìn)入冷卻通道，與大量油霧接觸，從而大大降低了溫度。降溫后的壓縮氣體進(jìn)入第二級(jí)轉(zhuǎn)子，進(jìn)行二級(jí)壓縮，被壓縮到最終排氣壓力[1]，最后通過(guò)排氣閥排出壓縮機(jī)，完成整個(gè)壓縮過(guò)程。在此壓縮過(guò)程中，由于螺桿空壓機(jī)在工作運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)機(jī)器內(nèi)部溫度很高，而吸入的空氣是有相對(duì)濕度的，即自然空氣中的水分。含水分的空氣會(huì)在空壓機(jī)的運(yùn)行過(guò)程中形成水蒸汽，通過(guò)冷卻降溫后，變成冷凝水。冷凝水會(huì)在油氣分離器中凝結(jié)，而當(dāng)油中含有過(guò)多的水分將會(huì)形成油的乳化，影響機(jī)器的平穩(wěn)運(yùn)行，甚至引起空壓機(jī)零部件的腐蝕[2]?？諌簷C(jī)第一級(jí)、第二級(jí)壓縮空氣中所產(chǎn)生冷凝水的合理排放對(duì)后續(xù)壓縮空氣的質(zhì)量有較大影響。外界環(huán)境的溫度和濕度則對(duì)冷凝水的排放量影響較大[3]。

本文利用濕空氣飽和含水量計(jì)算公式、理想氣體狀態(tài)方程公式、飽和濕空氣表、不同壓力溫度下飽和濕空氣含水量表等相關(guān)表格和公式，對(duì)夏、冬兩個(gè)季節(jié)不同濕度和溫度條件下螺桿空壓機(jī)第一級(jí)、第二級(jí)的排冷凝水量進(jìn)行計(jì)算[4]。

1 空壓機(jī)冷凝水排水工況的算法公式

根據(jù)含濕量的定義，空氣飽和含濕量的計(jì)算公式為：

式中，p 為大氣壓強(qiáng)（Pa），φ 是空氣的相對(duì)濕度，p0是 p 壓力下飽和水蒸氣壓力（Pa）。

根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程的理論，空氣密度的計(jì)算公式為：

式中，M 為摩爾質(zhì)量 （g/mol），T 是空氣的開(kāi)氏溫度（K），p 是壓強(qiáng)（Pa），R 為摩爾氣體常數(shù)(J/（mol.K））。

根據(jù)飽和濕度的理論，通過(guò)空壓機(jī)后的飽和含濕量的計(jì)算公式為：

根據(jù)冷凝器排水的規(guī)律，中間冷卻器排出冷凝水量d 的計(jì)算公式為：

式中，G 為吸入空壓機(jī)的空氣重量流量 （kg/h），d1是通過(guò)一級(jí)壓縮后飽和含濕量（g/kg），d0是吸入自然空氣飽和含濕量（g/kg）。

根據(jù)冷凝器排水的規(guī)律，后冷卻器排出冷凝水量d 的計(jì)算公式為：

式中，G 為吸入空壓機(jī)的空氣重量流量 （kg/h），d2是通過(guò)二級(jí)壓縮后飽和含濕量 （g/kg），d1是通過(guò)一級(jí)壓縮后飽和含濕量（g/kg）。

2 夏、冬季空壓機(jī)冷凝器排水工況分析

在空壓機(jī)實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，我們發(fā)現(xiàn)相同機(jī)型與相同排氣壓力之下，夏季冷凝器排水比冬季要多。 針對(duì)此類(lèi)現(xiàn)象建立模型，具體分析夏季與冬季的冷凝水排水量的區(qū)別。

在夏季，當(dāng)空壓機(jī)分別吸入大氣溫度為29℃、32℃、35℃、38℃的空氣時(shí)，由于夏季相對(duì)濕度較高，根據(jù)以往氣象條件取60%的空氣相對(duì)濕度，經(jīng)后冷卻器冷卻后，將0.8MPa 的壓縮空氣送出。大氣壓強(qiáng)取100000pa，重力加速度 G 取 10m/s2。

圖1 氣路系統(tǒng)流程圖

根據(jù)空氣飽和含濕量的計(jì)算公式（1）并查飽和濕空氣表，得出夏季不同溫度的空氣飽和含濕量，見(jiàn)表1。

表1 夏季不同溫度的空氣飽和含濕量d0

根據(jù)某空壓機(jī)的一般性能，產(chǎn)出的壓縮空氣（約178℃）經(jīng)過(guò)一級(jí)不銹鋼的彈性管進(jìn)入中間冷卻器，被冷卻至比環(huán)境溫度高 20°F （11℃）,且空氣進(jìn)入 1 級(jí)主機(jī)后被壓縮至 2kg/cm2(取 G=10m/s2),即 0.2MPa，根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程公式（2），飽和含濕量公式（3），冷卻器排水公式（4），得出中間冷卻器排水量，見(jiàn)表2。

表2 中間冷卻器排水量（夏）

根據(jù)某空壓機(jī)的一般性能，產(chǎn)出的壓縮空氣（約218℃）經(jīng)過(guò)二級(jí)不銹鋼的彈性管進(jìn)入后冷卻器，被冷卻至比環(huán)境溫度高 20°F （11℃），且空氣進(jìn)入 2 級(jí)主機(jī)并被壓縮至 8kg/(取 G=10m/s2),即 0.8MPa；G 是單位時(shí)間內(nèi)空氣的吸入量（kg/h），某空壓機(jī)容積流量為10L/min，根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程公式（2），飽和含濕量公式（3），冷卻器排水公式（5），得出后冷卻器排水量，見(jiàn)表3。

表3 后冷卻器排水量（夏）

在冬季，當(dāng)空壓機(jī)分別吸入大氣溫度為8℃、11℃、14℃、17℃的空氣時(shí)，由于冬季相對(duì)濕度較高，根據(jù)以往氣象條件取40%的空氣相對(duì)濕度，經(jīng)后冷卻器冷卻后，將0.8MPa 的壓縮空氣送出。大氣壓強(qiáng)取100000pa，重力加速度G 取10 m/s2。

根據(jù)空氣飽和含濕量的計(jì)算公式（1）并查飽和濕空氣表，得出冬季不同溫度的空氣飽和含濕量，見(jiàn)表4。

表4 冬季不同溫度的空氣飽和含濕量d0

根據(jù)某空壓機(jī)的一般性能，產(chǎn)出的壓縮空氣（約178℃）經(jīng)過(guò)一級(jí)不銹鋼的彈性管進(jìn)入中間冷卻器，會(huì)被冷卻至比環(huán)境溫度高 20°F （11℃）,且空氣進(jìn)入 1級(jí)主機(jī)后被壓縮至 2kg/cm2（取 G＝10m／s2）,即0.2MPa，根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程公式（2），飽和含濕量公式（3），冷卻器排水公式（4），得出中間冷卻器排水量，見(jiàn)表5。

表5 中間冷卻器排水量（冬）

根據(jù)某空壓機(jī)的一般性能，產(chǎn)出的壓縮空氣（約218℃）經(jīng)過(guò)二級(jí)不銹鋼的彈性管進(jìn)入后冷卻器，被冷卻至比環(huán)境溫度高 20°F （11℃），且空氣進(jìn)入 2 級(jí)主機(jī)并被壓縮至 8kg/cm2（取 G＝10m/s2），即 0.8MPa；G是單位時(shí)間內(nèi)空氣的吸入量（kg/h）。 某空壓機(jī)容積流量為10L/min，根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程公式（2），飽和含濕量公式（3），冷卻器排水公式（5），得出后冷卻器排水量，見(jiàn)表6。 夏、冬兩季中間和后冷卻器排冷凝水量分別見(jiàn)表7 與表8。 不同溫度和濕度下冷凝水排水總量見(jiàn)表9。

表6 后冷卻器排水量（冬）

表7 夏季中間和后冷卻器排冷凝水量

表8 冬季中間和后冷卻器排冷凝水量

表9 不同溫度和濕度下冷凝水排水總量

掌握冷凝水的排放規(guī)律有利于空壓機(jī)及附屬設(shè)備的工作?？諌簷C(jī)在使用過(guò)程中很容易因?yàn)榕艢鉁囟鹊陀诖髿饪諝鉁囟然蛲C(jī)冷卻溫度而產(chǎn)生較多冷凝水，尤其是在天氣潮濕或溫度很高的地區(qū)。如不按時(shí)排放空壓機(jī)中的冷凝水，會(huì)使?jié)櫥偷暮窟^(guò)高，不利于設(shè)備的潤(rùn)滑效果，使?jié)櫥偷馁|(zhì)量下降，影響機(jī)器的安全平穩(wěn)運(yùn)行[5]。同時(shí)，冷凝水容易腐蝕空壓機(jī)配件，也會(huì)使油氣分離芯效果變差，大量的冷凝水累積會(huì)造成零部件的生銹等不良后果。因此，在注意潤(rùn)滑油補(bǔ)充或更換的同時(shí)，也要注意冷凝水的排放。應(yīng)根據(jù)當(dāng)?shù)貤l件下濕度和溫度的狀況來(lái)制定冷凝水排放時(shí)間間隔表。

3 結(jié)論

在飛機(jī)制造業(yè)中，空壓機(jī)是必不可少的一種設(shè)備，通過(guò)對(duì)其自身性能的分析，掌握相應(yīng)的規(guī)律，可以節(jié)約能源，提高生產(chǎn)效率。本文通過(guò)對(duì)比在不同濕度和溫度條件下，中間冷卻器和后冷卻器冷凝水的排量得出以下結(jié)論：

1） 在同一地點(diǎn)，隨著溫度的升高，冷凝水的排放量會(huì)增大。 因此夏季應(yīng)該做好排污閥的設(shè)置工作。

2） 相同機(jī)型和排氣壓力下，在冬天，后冷卻器排水量比中間冷卻器排水量多；在夏天，后冷卻器排水量比中間冷卻器排水量少。

3） 通過(guò)理論計(jì)算可以掌握在不同狀態(tài)條件下冷凝水的排放量。 對(duì)于電動(dòng)閥設(shè)置排放的間隔時(shí)間具有指導(dǎo)作用。