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(wèn)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(guò)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(wèn)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(guò)入口處的過(guò)濾網(wǎng)進(jìn)入左旋進(jìn)氣管，氣流組織通過(guò)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(guò)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(wú)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(guò)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(guò)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(wú)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。空壓機(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(wú)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(lái)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(guò)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(guò)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(guò)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(wèn)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(lái)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(guò)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:上海科學(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.