气源装置及系统-1

第八章气源装置及系统第一节概述第二节压缩空气第三节气源系统及空气净化处理装置第四节压缩空气的输送第一节概述气压传动是以压缩空气作为工作介质，对能量进行传递和转换的一种传动方式。气动系统由动力元件（气压发生装置）、执行元件（气缸或气动马达）、辅助元件（气源处理元件）、控制元件（控制阀）组成。一、气动系统工作原理通过气压发生装置将原动机输出的机械能转变为空气的压力能，利用管路、各种控制阀及辅助元件将压力能传送到执行元件，再转换成机械能，从而完成直线运动或回转运动，并对外做功。气动系统工作原理图二、气动技术的应用准则•自动化实现的主要方式有：机械方式、电气方式、液压方式和气动方式等。•任何一种方式都不是万能的：在对实际生产设备、生产线进行自动化设计和改造时，必须对各种技术进行比较，扬长避短，选出最适合的方式、或几种方式的组合，以使设备更简单、更经济，工作更可靠、更安全。•气压传动与控制广泛应用于工业领域各部门：气动系统掌握容易，结构简单，操作方便，整个系统的可靠性和安全性较好，系统维护保养较容易。气压传动控制与其它控制方式的性能比较第二节压缩空气压缩空气的作用：在气动系统中，压缩空气是传递信号和动力的工作介质，它通过控制元件控制执行机构，以实现动作。一、空气1.空气的组成空气的组成（地表附近）成分氮(N2）氧(O2）氩（Ar）二氧化碳(CO2）其他体积分数（%）78.0320.950.9320.030.078质量分数（%）75.5023.101.280.0450.0752.空气的性质(1）密度:单位体积内所含气体的质量称为密度，用ρ表示，单位为kg/m3。Vm式中m——空气的质量，单位为kg；V——空气的体积，单位为m3。一、空气2.空气的性质（2）压缩性和膨胀性。一般把气体体积随压力增大而减小的性质称为压缩性；气体体积随温度升高而增大的性质称为膨胀性。气体的压缩性和膨胀性远大于液体的压缩性，计算时应考虑。（3）粘度。空气的粘度受温度的影响较大，受压力影响甚微，可忽略不计。空气的运动粘度随温度变化的关系见表9-2。一、空气0204060801000.1330.1570.1760.1960.2100.238空气的运动粘度与温度的关系（压力0.1013MPa）cto/)10/(124smv（4）空气湿度：通常把空气分为湿空气与干空气两类，含有水蒸气的空气称为湿空气，不含有水蒸气的空气称为干空气。一、空气（4）空气湿度湿空气所含水蒸气程度用空气湿度和含湿量来表示，含湿量是指在含有质量湿空气中所混合的水蒸气的质量，称为该湿空气的质量含湿量。空气湿度是指在1m3体积湿空气中所混合的水蒸气的质量，称为该湿空气空气湿度，表示方法分为绝对湿度和相对湿度。一、空气1）绝对湿度：1m3湿空气中所含水蒸气的质量称为绝对湿度，也就是湿空气中水蒸气的密度。单位为：kg/m3。2）饱和绝对湿度：空气中水蒸气的含量是有极限的。在一定的温度和压力下，空气中所含水蒸气达到最大极限时，这时的湿空气称为饱和湿空气。在一定温度下，1m3的饱和湿空气中，所含水蒸气的质量称为饱和湿空气的绝对湿度，用表示，即bb3）相对湿度：在同一温度和压力下，湿空气的绝对湿度和饱和绝对湿度之比称为该湿空气在此温度和压力下的相对湿度。一、空气（5）空气露点:在保持压力不变的温度下，降低未饱和湿空气的温度，使其达到饱和状态时的温度称为露点。即湿空气冷却到露点温度以下，就会有水滴析出。实践中采用降温法去除湿空气中的水分即是根据这个原理。（6）空气的压力:指其各组成气体分压力之和。分压力是指这种气体在相同温度下，单独占空气总容积时所的压力。(1)理想气体:无粘性的气体称为理想气体。(2)实际气体:有粘性的气体称为实际气体。(3)流量:常有体积流量和质量流量。二、气体的力学性能1）体积流量Vqmq第二节压缩空气2）质量流量:（4）气阻:在气动系统中，气流通过某元件时的压力降与流量之比称该元件的气阻。（5）气体流速1）声速:声音在空气中的传播速度称为声速。2）马赫数:气流速度与声速之比称为马赫数。二、气体的力学性能三、气体状态方程气体的三个状态参数是压力P、温度T和体积V。气体状态方程是描述气体处于某一平衡状态时，这三个参数之间的关系。1.理想气体的状态方程一定质量的理想气体在状态变化的某一稳定瞬时，有以下气体状态方程成立：三、气体状态方程2.理想气体的状态变化过程1）等容过程：2）等压过程：3）等温过程：4）绝热过程：三、气体状态方程2.理想气体的状态变化过程或式中k——绝热指数；对干空气k取1.4，对饱和蒸气k取1.3。三、气体状态方程例9-1：由空气压缩机往储气罐内充入压缩空气，使罐内压力由P1=0.1MPa(绝对压力)升到P2=0.25MPa(绝对压力)，气罐温度从室温T1=15°C升到T2，充气结束后，气罐温度又逐渐降至室温，此时罐内压力为P2’，求P2’和T2各为多少。已知气源温度也为15℃。三、气体状态方程四、气体流动的基本方程当气体流速较低时，完全使用液体的连续方程、能量方程、动量方程三个基本方程；但当气体流速较高时，气体的可压缩性对流体运动影响较大，不能再使用。下面介绍高速气体流动的基本方程:压缩气体流动的连续方程、压缩气体流动的能量方程。1.压缩气体流动的连续方程根据质量守恒定律，气体在管道内作恒定流动时，单位时间内流过管道任一通流截面的气体质量都相等，即可压缩气体的流量方程如下：1.压缩气体流动的连续方程四、气体流动的基本方程2.压缩气体流动的能量方程绝热过程下压缩气体的能量方程。根据能量守恒定律，不可压缩液体作稳定流动时的伯努利方程不计能量损耗和位能，则绝热过程下压缩气体的能量方程为四、气体流动的基本方程第三节气源系统及空气净化处理装置气源系统是为气动设备提供满足要求的压缩空气的动力源。气源系统一般由气压发生装置、压缩空气的净化处理装置和传输管路系统组成。常用的气源装置是空气压缩机站，简称空压站。对于一般的空压站，除空气压缩机外，还必须设置后冷却器、油水分离器和储气罐等。典型的空压站布局，要求较高的场合如气动仪表用气，应经进一步过滤、干燥处理方允许使用。空压站布局1––空压机2—电动机3—压力表4—压力开关5—截止阀6—后冷却器7—油水分离器8—气罐9—自动排水阀10—小气罐11—单向阀12—安全阀第三节气源系统及空气净化处理装置一、空气压缩机空气压缩机简称空压机，是空压站的核心装置。它的作用是将电机或内燃机的机械能转化为压缩空气的压力能，供给气动系统使用。1.1）按工作原理分类：空压机可分为容积式和速度式。2）按输出压力大小分类，空压机可分为低压空压机（0.2～1.0Mpa）、中压空压机（1.0～10Mpa）、高压空压机（10～100Mpa）、超高压空压机（大于100Mpa）。3）按输出流量或排量分类，有微型空压机（小于1m3/min）、小型空压机（1～10m3/min）、中型空压机（10～100m3/min）、大型空压机（大于100m3/min）。第三节气源系统及空气净化处理装置2.工作原理活塞式空压机是通过曲柄连杆机构带动活塞在缸体内做往复运动，从而实现吸气和排气，达到提高气压的目的。活塞式空压机的工作原理1－排气阀2—气缸3—活塞4—活塞杆5、6、7、8—曲柄连杆机构9—进气阀10—阀门弹簧一、空气压缩机单级活塞式空压机通常用于需要0.3～0.7MPa压力范围的系统。在单级压缩机中，若空气压力超过0.6MPa，产生的过热将大大地降低压缩机的效率，各项性能指标将急剧下降。因此当输出压力较高时，应采取分级压缩。分级压缩可降低排气温度，节省压缩功，提高容积效率，增加压缩气体排量。为了提高效率，降低空气温度，还需要进行中间冷却。工业中使用的活塞式空压机通常是两级的，每一级的工作原理与单级活塞式空压机原理相似。工作时由两级三个阶段将吸入的空气压缩到最终的压力。一、空气压缩机3.空压机的选用1）根据气动系统所需要的工作压力和流量确定空压机的输出压力Pc和供气量Qc。空压机的供气压力Pc为气动系统的工作压力应为系统中各气动执行元件工作压力的最高值。气动系统的总压力损失除了考虑管路的沿程阻力损失和局部阻力损失外,还应考虑为了保证减压阀的稳压性能所必需的最低输入压力,以及气动元件工作时的压降损失。一般空气动力用途的压缩机，其排气压力为0.7Mpa。一、空气压缩机Qc=kQ(m3/min)空压机供气量Qc:空压机供气量Qc也是空压机的主要参数之一。它的大小应和目前气动系统中各设备所需的耗气量相匹配，并留有10%左右的余量。可用下式表达式中Q——气动系统同时工作的执行机构用气的最大耗气量，单位为m3/min；k——修正系数，一般可取k=1.3～1.5。2）在确定供气压力pc与供气量Qc后，按空压机的特性要求，选择空压机的类型和型号。一、空气压缩机4.空压机使用时应注意的事项1）空压机的安装位置:一般要安装在专用机房内。2）噪声:设置隔声罩、消声器,选择噪声较低的空压机等。3)润滑:使用专用润滑油并定期更换,启动前应检查以保证启动时的润滑。启动前和停车后都应及时排除空压机气罐中的水分。一、空气压缩机二、储气罐1.储气罐的主要作用1）存储压缩空气：短时间内用大气量输出;应急气源。2）使压缩空气供气平稳,减少压力脉动。3）作为压缩空气瞬间消耗需要的存储补充之用。4）降低空压机的启动、停止频率。5）散热,进一步降低压缩空气的温度，分离压缩空气中的部分水分和油分。第三节气源系统及空气净化处理装置储气罐的容积大小取决于其用途。储气罐的容积愈大，压缩机运行时间间隔就愈长。储气罐一般为圆筒状焊接结构，有立式和卧式两种,以立式居多，其结构示意图如图9-3所示。储气罐外观示意图和图形符号1—进气孔2—安全阀3—压力表4—出气孔5—检查用孔口6—泄水孔二、储气罐2.储气罐上应设置的元件压缩空气具有很强的可膨胀性，储气罐上必须设置安全阀等。1）安全阀（溢流阀）:当储气罐内的压力达到允许极限压力时，溢出多余气体保证安全。23）压力开关：用储气罐内的压力来控制电动机停止或重新启动电动机。4）单向阀：当压缩机关闭时,单向阀阻止压缩空气反方向流动。5）排水阀：设置在系统最低处,用于排掉凝结在储气罐内所有的水。二、储气罐三、后冷却器后冷却器的作用：将空压机出口的高温空气冷却至40℃以下，将其中大部分水蒸气和变质油雾冷凝成液态水滴和油滴，从空气中分离出来。后冷却器底部一般安装有手动或自动排水装置，对冷凝水和油滴等杂质进行及时排放。后冷却器类型：有风冷式和水冷式两大类。原理：风冷式是通过风扇产生的冷空气吹向带散热片的热空气管道，对压缩空气进行冷却。风冷式不需冷却水设备，不用担心断水或水冻结。占地面积小、重量轻、紧凑、运转成本低、易维修，但只适用于入口空气温度低100℃、且需处理空气量较少的场合。水冷式是通过强迫冷却水在压缩空气管道周围沿压缩空气流动方向的反方向流动来进行冷却的。第三节气源系统及空气净化处理装置四、压缩空气净化处理装置空气过滤装置干燥器调压阀（减压阀）油雾器气动三联件第三节气源系统及空气净化处理装置油水分离器（也叫除油器）：利用回转离心、撞击、水洗等方法使水滴、油滴及其他杂质颗粒从压缩空气中分离出来。1.空气过滤装置空气过滤器（也叫分水滤气器）：主要用于除去压缩空气中的固态杂质、水滴和油污等污染物，是保证气动设备正常工作的重要元件。按排水方式，此类过滤器可分为手动排水式和自动排水式。空气过滤器的过滤原理是根据固体物质和空气分子的大小和质量不同，利用惯性、阻隔和吸附的方法将灰尘和杂质与空气分离。空气过滤器1—导流板2—滤芯3—挡水板4—滤杯5—手动放水阀空气过滤器原理：2.干燥器空气干燥器的作用：是吸收和排除压缩空气中水分和部分油分与杂质，从而使湿空气成为干空气的装置。压缩空气的干燥方法：有冷冻法、吸附法、吸收法和高分子隔膜干燥法。冷冻干燥器工作原理1—气体入口2—气体出口3—热交换器4—制冷器5—分离器6—制冷剂7—分离器8—制冷机冷冻式干燥器原理：加热再生吸附式干燥器的工作原理1