关于非动力配置气、水、油分离器的研制

向 鹏，丁长鸣

(1.成都电业局变电运行管理所，成都610081;2.重庆电力高等专科学校，重庆400053)

0 引言

压缩空气品质的高低，直接影响着喷涂工件的表面质量。由于外界原因(如空气湿度较大)以及空压机活塞缸自身存在的密闭问题，压缩空气中含水、含油现象在所难免。在涂装生产中，漆料喷涂是通过压缩空气在喷枪出口处产生负压，吸出漆料并使其雾化，喷涂在工件表面。当压缩空气中含有水滴、油滴时，会影响工件漆膜的表面质量，造成漆膜起泡、剥落等缺陷。目前，涂装行业净化压缩空气的措施是“旋转气流法”、“气流降温法”、“气流升温法”等，这些方法在不同程度上存在效率低、能耗大等弊端。针对这些问题，作者研制了非动力分离器，并已申报国家专利。

1 传统气、水、油分离方式

目前涂装行业在处理压缩空气的品质时，采用的处理方法主要有以下三种传统气、水、油分离方式，如图1所示。

图1 传统气、水、油分离方式

旋转气流方式，如图1(a)所示，压缩空气通过入口处的过滤网进入左旋进气管，气流组织通过油、水收集器后又进入右旋排气管，送至喷枪使用。这种方式存在以下弊端:第一，过滤网会消耗掉一部分压缩空气的能量;第二，气流组织在两种旋向不同的通道中做螺旋运动时，由于气流的换向运动，又使压缩空气损失一部分能量;第三，虽然气流组织在设备中的路径较长，但气流组织中质点的旋转半径和气流速度始终是定值，只能分离液滴直径较大的质点，无法确定小直径质点有脱离向心力的可能。

气流降温方式，如图1(b)所示，通过降低压缩空气的温度，使压缩空气中的水分达到露点，变为冷凝水排出，从而达到洁净空气的目的。这种处理方式对含油空气的洁净不是最佳措施。因为在对气流降温过程中，同时也降低气流中油滴的温度，致使油滴的粘度增大，如此长期工作容易造成管道堵塞，同时还伴有电能消耗。

气流升温方式，如图1(c)所示，提高压缩空气的温度，使空气中的水分蒸发。但却并未达到除油的目的，当压缩空气流动时，被升温的油雾同样也会随着喷枪喷出而影响烤漆工件的涂层质量，并伴有能量消耗。

以上各种方案都有各自的弊端，为了最大限度的抑制压缩空气中的油滴、水滴含量，并尽可能地降低能耗，采用无动力消耗气、水、油分离器是目前较为有效的措施。

2 非动力配置气水油分离器设备构成(非动力配置气水油分离器设备构成总图)

如图2所示，该装置由11个部件构成。空压机(部件1)为进入缸体的气流提供动能;气、水、油分离器(部件2、8)可以实现无动力消耗分离空气中的水滴和油滴;气用逆止阀(部件3、7)是用于防止水滴和油滴由于压差而回流进入分离器;气用电磁阀(部件5、6)是用于油、水收集器排放液体时降低分离器的压力损失;油、水收集器(部件11)是用于储存空气中分离出来的水滴和油滴;自重式大气连通器(部件10)是用于调节液体储存罐的气压以协助其排放液体;远传磁性液位计(部件9)是用于监测油、水收集器内的液位高度。

图2 空气分离设备总图

图3 气、水、油分离器结构图

3 分离器结构及工作原理

3.1 气水油分离器结构

如图3所示，分离器由三大组件构成:气缸上端盖(部件14)、中段缸体(部件15)、气缸下端盖(部件19)。缸盖与缸体之间采用法兰连接。在气缸下端盖中，气管接口(部件20)由四块下支撑板(部件4)焊接在整个气缸的轴心处;气流分配接头(部件18)运用凹球面将压缩空气均匀分配成六份进入螺旋喷嘴;螺旋喷嘴的结构形状类似于四分之一圈节距为P、截面形状为矩形的压缩弹簧，分别固定在气流分配接头的6个右旋螺旋喷嘴接口上;中段缸体内部设置有与气流组织旋向相同的六线螺旋导流翅片，用于引导气流在缸内的走向;每级集气导锥(部件9、10、11)由不同曲率的两个空心曲面组合而成，且中间嵌有螺旋的集气导流翅片，用于提升低压气流。螺旋状的喷嘴使气流高速流出喷嘴口，在中段气缸螺旋导流翅片的引导下，沿着内壁做螺旋运动，并将空气中的水滴和油滴分离出去。根据企业当地气候和气流需求量，空气压缩机后面可自行串联或并联若干个气、水、油分离装置。

3.2 分离原理

压缩空气经过螺旋喷嘴喷射到缸体导流翅片所构成的螺旋通道(类似于内螺纹轨迹)，质点随着气流组织做螺旋运动。将气流组织中的小水滴、油滴设想为一个不能忽略自身重量的质点。

由于气体具有扩散的效应，从螺旋喷嘴射出的气流会发生扩散，质点在运动中相互之间的碰撞、融合，将改变质点的空间位置，使其偏离预定的轨迹。另一方面，气流组织在缸体内经过一定时间后，随着气流的上升，速度会逐渐降低。在气缸中，随着气流的不断进入，质点与质点之间不断发生碰撞，进行相互之间的能量交换，并推动质点向上运动。悬浮速度可用下式表示:

上式中:

vt——气流沿螺旋气道喷射的质点悬浮速度;

g——重力加速度;

γz——质点的比重;

γ——压缩空气的比重;

dz——质点的直径。

只有气流的速度大于质点的悬浮速度时，质点才能随着气流组织做螺旋运动。由于螺旋喷嘴气道的截面尺寸及压缩空气流过气道的流量直接影响气流组织悬浮速度值的大小，根据图2中分离器设置的螺旋喷嘴的数量，即6个喷嘴，可得:

即只需:

即当螺旋喷嘴的截面面积等于或小于A值时，气流沿螺旋气道喷射的质点处于悬浮状态，也就是质点在达到vt流速时，具备从气流组织中被分离出去的能量。

图4 旋转气流压力分布图

考虑到悬浮的质点在旋转气流中分布的不均匀性，采用导锥去干涉旋转气流的轴心低气压，解决分离效果不理想的问题。在气体等压场的前提下旋转气流压力如图4所示，对气流轴心处引入空心导锥，对旋转气流轴心处低压端气压进行干涉，改变了旋转气流的压力分布，使原来陡峭的压力曲线趋于平缓，质点由空间螺旋运动向平面螺旋运动过渡，最终趋向平面圆周运动，此时，质点所受的离心力达到最大值，即质点(水滴或油滴)沿着R旋转的切线方向，摆脱向心力而附着于缸体内壁，顺着六线螺旋导流翅片的左旋方向流下至缸体的底部，进入图1中的油、水收集器(部件11)。

［1］ 徐炳辉.气动手册［M］.上海:上海科学技术出版社，2005.

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