4、空氣的壓縮與輸送
壓縮機
壓縮機能將電機或內燃機的機械能轉化為壓縮空氣的壓力能。
空氣壓縮機分為兩大類：往復式與回轉式
圖4.1表示了壓縮機的基本類型。
復式壓縮機
單級活塞式壓縮機
只由一個衝程就將吸入的大氣壓空氣壓縮到所需要的壓力。
活塞下移，體積增加，缸內壓力小於大氣壓，空氣便從進氣閥門進入缸內。
在衝程末端，活塞向上運動，進氣閥關閉，空氣被壓縮，而同時出氣閥被打開，輸出空氣進入儲氣罐。
這種型式的壓縮機通常用於需要3∼7巴壓力範圍的系統。
兩級活塞式壓縮機
在單級壓縮機中，若空氣壓力超過6巴，產生的過熱將大大地降低壓縮機的效率。因此，工業中使用的活塞式壓縮機通常是兩級的。
由兩個階段將吸入的大氣壓空氣壓縮到最終的壓力。
如果最終壓力為7巴，第一級通常將它壓縮到若3巴，然後被冷卻，再輸送到第二級氣缸中壓縮到7巴。
壓縮空氣通過中間冷卻器後溫度大大下降，再進入第二級氣缸。因此，相對于單級壓縮機提高了效率。最後輸出的溫度可能在120℃左右。
膜片式壓縮機
膜片式壓縮能提供5巴的壓縮空氣。由於它完全沒有油，因此廣泛用於食品、醫藥和相類似的工業中。
膜片使氣室容積發生變化，在下行程時吸進空氣，上行程時壓縮空氣。
旋轉式壓縮機
旋轉葉片式壓縮機
這種壓縮機偏心安裝轉子，其上有一組可在徑向槽中滑動的葉片。
當轉子旋轉時，離心力使得葉片與定子內壁相接觸，從進口到出口，相鄰兩葉片間空間逐漸減少，因此能壓縮空氣。
在進氣口的附近向氣流噴油目的是起潤滑和密封作用，油同時也能帶走一部分壓縮空氣時產生的熱量，把輸出的溫度限制在190℃左右。
螺杆式壓縮機
兩個嚙合的螺旋轉子以相反方向運動，它們當中自由空間的容積沿軸向減少，從而壓縮兩轉子間的空氣。（圖4.6）
利用噴油來潤滑和密封兩旋轉的螺杆，油分離器將油與輸出空氣分開。
此類壓縮機可連續輸出流量超過400m3／min，壓力高達10巴。
和葉片式壓縮機相比，此類壓縮機能輸送出連續的無脈動的壓縮空氣。
雖然螺杆式和葉片式壓縮機愈來愈受青睞，但工業上最普遍使用的仍然是往復式壓縮機。
壓縮機的特性參數
壓縮機的容量或輸出量用標準容積流量來表示，單位為m3／S,mn3／min，dmn3／S，或l／min。容量也可用排量或“理論輸入量”來表示，對活塞式壓縮機來說：
Q（1／min）＝活塞面積（dm2）×行程（dm）×第一級氣缸數×轉速（rpm）
對於兩級壓縮機，僅考慮其第一級氣缸。
由於容積和熱量損失，輸出量通常比輸入量為少。
在壓縮衝程末端，不可能將所有的壓縮空氣排出，因此容積損失是難免的。壓縮後還留有一定的空間，稱之為“死容積”。
熱量損失是由於壓縮過程中溫度很高，因此容積增大，當冷卻至室溫時，其容積又減少。（見第三章中的查理定律）。
容積效率
比值
用百分數表示時，叫做容積效率，它隨尺寸大小，型號和壓縮機的加工，級數和最終的壓力變化而改變。二級壓縮機的容積效率小於一級，因為第一、二級氣缸之間有“死容積”。
熱效率及總效率
除了上述損失外，熱量的影響也使壓縮空氣的效率降低。這些損失使總效率進一步減少，減少的程度取決於壓縮比和負荷。滿量工作的壓縮機積聚了大量的熱量從而降低了效率。在兩級壓縮機中，壓縮比逐漸減小，部分在第一級中被壓縮的空氣在第二級氣缸被壓至最終壓力前，經過中間冷卻器冷卻。
例如，如果第一級氣缸吸入的大氣被壓縮到它體積的三分之一，那麼在輸出處它的絕對壓力將達3巴，相對來說，由於壓縮比小因而產生的熱量相應較低，壓縮空氣通過中間冷卻器後輸入第二級氣缸，然後又被壓縮到它體積的三分之一，於是最終壓力為9巴（ABS）。
在一級壓縮機中將空氣從大氣壓直接壓縮到9巴（ABS）所產生的熱量比二級壓縮機要多得多，總效率也將大大下降。
上圖 比較了單級和二級壓縮機在不同的最終壓力下的總效率。
對於較低的最終壓力單級壓縮因其純容積效率較高。然而，隨著最終壓力的逐漸增加，熱最損失變得愈來愈重要，具有較高熱效率的二級壓縮機的優越性就體現出來了。
“單位能量消耗”是衡量總效率的指標，並且能用於估計製造壓縮空氣所需的費用，平均地，1Kw電能產生120一150l／min（=O.12∼O.15mn2／min／kw）工作壓力為7巴的壓縮空氣。
確切的資料需根據壓縮機的尺寸大小和型號來確定。
壓縮機的輔件
儲氣罐 
儲氣罐是鋼板焊接製成的壓力容器，水準或垂直地直接安裝在後冷卻器後面來儲存壓
縮空氣，因此，可以減少空氣流的脈動。
它的重要功能是貯備足夠的空氣來滿足超出壓縮機容量的要求，盡可能減少壓縮機經常發生的“滿載”與“空載”現象，它在進一步分配空氣前再補充冷卻和凝結從後冷卻器中出來的油和水份，因此，最好將儲氣罐放在陰涼處。
這種容器應該裝上安全閥、壓力錶、排水閥以及便於檢查和清潔其內部的人孔蓋。
計算選擇儲氣罐的大小
儲氣罐的尺寸大小根據壓縮機的輸出量，系統的尺寸大小以及需求量是恒定的還是變化的來確定。
工廠裏供給一個網路使用的電力驅動壓縮機，通常在最小壓力和最大壓力之間切換，這種控制稱為“自動控制”。這就需要相當的最小儲氣罐容積避免這種頻繁的切換。
由內燃機驅動的流動壓縮機將空氣壓到最大壓力後也不停止，但吸氣閥上升以便空氣自由地進入氣缸而不被壓縮，壓縮和空載運動之間壓力差很小，這時僅需較小儲氣罐。
對工廠來說，計算儲氣罐尺寸的原則是：
儲氣罐容量∼壓縮機每分鐘壓縮空氣的輸出量（不是F.A.D）！（FREE.AIR DELIVER）。
例如，壓縮機輸出18mn3／min的流量（自由空氣），平均壓力為7巴，因此壓縮空氣每分鐘輸出量為18000／7∼2500l，即容積為2750l的儲氣罐是合適的。
入口過濾程式
典型的城市空氣含有4000萬單位／m3的固體顆粒，即灰塵、油泥、花粉等。如果這種空氣被壓縮到7巴，那麼濃度將達到3.2億單位／m3。壓縮機工作可靠的一個重要條件是必須提供合適且有效的過濾程式，以免氣缸和活塞環過量損耗，這種損耗主要是由於這樣不純物質的摩擦而引起的。
過濾程式不需太細密，因為壓縮機的效率隨空氣阻力的增加而減少。因此，細小的顆粒（2∼5μ）不能濾掉。
吸氣口應設置得盡可能遠，乾淨的乾燥空氣向上流動，進氣管的直徑應足夠大以避免過
大的壓力降。當應用消聲器時，過濾程式應放在它的上端以盡可能減小空氣流的脈動。
空氣的乾燥
後冷卻器
壓縮後空氣將很熱，當冷卻時，將不可避免地在空氣管道上產生大量的凝結水，除去它們的最有效方法是在壓縮後立即將空氣送入後冷卻器。
後冷卻器為熱交換器既可用空氣冷卻又可用水冷卻。
空氣冷卻
壓縮空氣通過一束束管道，由風扇產生的冷空氣，強迫吹向管道，典型示例見圖4.8。
被冷卻的壓縮空氣輸出口溫度大約比室溫高15℃。
水冷卻
一般地，鋼殼式管一側為水，另一側為空氣，它們以相反的方向通過冷卻器。圖4.9表示了這種原理。
水冷卻的後冷卻器必須保證輸出空氣的溫度比冷卻水的溫度高大約10℃左右。
通常要有一個自動排水器和後冷卻器連接或做成一體以除去凝結物。
後冷卻器應裝上安全閥，壓力錶，並建議裝入水和空氣的溫度計。
空氣乾燥器
後冷卻器將空氣冷卻到比冷卻媒介高10∼15℃。氣動系統控制和操作元件的溫度通常為室溫（大約20℃）。這意味著沒有凝結物的進一步積聚，同時剩下的濕氣通過輸出同排氣一起排入大氣。但是，離開後冷卻器的空氣溫度比管道輸送的環境溫度高，例如在晚間，這將進一步冷卻壓縮空氣，將更多的水蒸汽凝結成水。
用於乾燥空氣的方法是降低露點，到這個溫度，空氣完全使濕氣達到飽和（即100%相對濕度）。露點越低，留在壓縮空氣中的水份就越少。
有三種主要型式的空氣乾燥器：吸收式、吸附式和冷凍式。
吸收式（潮解式）乾燥
壓縮空氣被強迫通過如乾燥白堊、固態氯化鎂、氯化鋰或氯化鈣等乾燥劑，它們與濕氣起反應形成的乳化液從乾燥器底部排出。
乾燥劑必須在一定的時間內進行補充，因為隨著這類“鹽”的消耗露點會提高。但是7巴壓力下露點為5℃是可能的。
這種方法的主要優點是它的基本建設和操作費用都較低。但是進口溫度不得超過30℃，其中的化學物質是強烈腐蝕性的，必須仔細檢查濾清，防止腐蝕性的霧氣進入氣動系統中。
吸附式（乾燥劑）乾燥
在直立的容器內的粒狀的矽膠或活性鋁，物理性吸收通過它們的壓縮空氣中的水份。當乾燥劑飽和後，可通過於燥、加熱或如圖4.11一樣不加熱而用早先乾燥的空氣流過使其再生。
濕的壓縮空氣通過方向控制關進入乾燥筒1。乾燥空氣從輸出口流出。
10∼20%的乾燥空氣通過節流孔02進人乾燥筒2，相反吸收乾燥劑中的水份而使它再生，這些再生空氣然後被排入大氣。
由一個計時器週期性地切換方向控制閥，讓輸入空氣交替地進入一個乾燥筒和另一個再生筒。從而不斷地輸出乾燥空氣。
露點特別低的空氣，如－40℃，可用此方法乾燥。
一個顏色指示器應被安裝在乾燥箱內監視飽和程度，在輸出口必須裝一個微過濾程式防止夾帶吸附劑的微粒霧氣。這種方式的乾燥基本建設和操作費用相對來說較高，但維護費用較低。
冷凍式乾燥
這是一個機械裝置，它包含了一個冷凍回路和兩個熱交換器。
潮濕高溫空氣通過第一級熱交換器(1)將部分熱量傳遞給冷卻乾燥後的輸出空氣，它就被預冷卻。
熱交換器(2)中有一個致冷回路，在這個回路中蒸發氟里昂致冷劑需吸收熱量，所以使空氣進一步得到了冷卻。此時水份和油霧凝結並自動排除。
通過熱交換器(1)進入管道的乾燥的冷空氣又從潮濕高溫空氣處得到熱量，這就避免在輸出口結露和增加容積並降低相對濕度。
儘管在一般應用中壓縮空氣的溫度達到5℃就足夠了，然而用現代方法使輸出溫度達到2℃是可能的。輸入溫度可高達60℃，但進行預冷以得到較低輸入溫度是較經濟的。
一般來說，用這種方法乾燥空氣的費用為壓縮空氣費用的10%∼20%。
1 熱交換器 輸入／輸出氣體HPG - 高壓高溫氣態冷媒
2 熱交換器 輸入氣體／氟里昂HPL - 高壓液態冷媒
3 氟里昂冷卻器LPL - 低壓低溫液態冷媒
4 散熱風扇LPG - 低壓氣態冷媒
5 氟里昂壓縮機
6 恆溫閥
7 氣體過濾器
8 自動排水器
9 冷量調節閥
10 壓力開關
HPG-高壓高溫氣態冷媒
HPL-高壓液態冷媒
LPL-低壓低溫液態冷媒
LPG-低壓氣態冷媒
主管道過濾程式
在儲氣罐後應裝一個大容量的主管道過濾程式，除去從壓縮機中帶來的油霧和空氣中的水份等雜質。
過濾程式必須保證最小的壓降，並能除去壓縮機中帶來的油霧，以避免冷凝物在管道中的乳化作用，它沒有那在“空氣處理”一章中描述的“標準過濾程式”中的導流板。而裝在內部的自動排水器或接上外部的自動排水器能確保排出聚積的水。
這種過濾程式的濾芯一般是快速更換濾芯筒型。
空氣的輸送
空氣主管道是一個固定安裝的用於把空氣輸送到各處的耗氣系統。必須安裝斷路閥，它能在維修和保養期間把空氣主管道分離成幾部分。
一般有兩種主要的配置：終端管道和環狀管道。
終端管道
為了有助於排水，管道應在流動方向上有1：100的斜度，這樣就可適當排水。在適當距離用兩個長的清除直角彎頭和一個裝在低處的腿狀排水管道，主管道就能達到最初的高度。
環狀管道。
在環狀主管道系統中主要是空氣從兩邊輸入到達高的消耗點。這可減至最低的壓力降。
可是冷凝水會流向各個方向，因此必須提供足夠的自動排水裝置。
第二級管道
除非安裝了有效的後冷卻器和空氣乾燥器否則空氣配氣系統工作管道會被作為冷卻表面，因此，水和油會在整個管道長度上積聚。
分支管道從主管道的頂部引出，是為了防止主管道裏的水流入分支管道內，而在管道底部積存的水必須排走。
排水點是在氣管的低處，安裝相同的三通接頭引出，排水可定期由人工完成或安裝自動排水器。
自動排水器花錢多，但節省人工作業時間，因為忘了排放主管道內的冷凝水將會污染導致許多問題。
自動排水器
自動排水器有兩種類型如圖4.17和 4.18所示。在圖4.17的浮子式排水器中，管子導向浮子運動，且管子內部連接到大氣是通過過濾程式，溢流閥，彈簧壓著的活塞和沿著手動操作杆的孔。
凝結物在水杯的底部聚集，當它上升到足以使浮子從浮十座上移開時，杯中的壓力使活塞移動到右面位置打開排水器閥座放水。浮子因下降而切斷作用在活塞上的輸入空氣。
溢流閥在浮子關閉噴嘴時限制滯於活塞的壓力，當這一空氣通過溢流閥起作用的洩漏口洩漏時，設定的值保證了恒定的活塞復位時間。
圖4.18所示是電機驅動的自動排水器的一個類型，凸輪旋轉，撥動杠杆操作截止閥，定期地排除凝結物。
它具有在任何方位上都能工作的優點，並能很好地抵抗振動。因而，用於流動壓縮機，公共汽車及卡車的氣動系統中。
計算壓縮空氣主管道的大小
空氣主管道的費用在壓縮空氣裝置的最初費用中占很高比例，過小管子直徑，儘管降低了費用，但會增加系統中空氣的壓力降，操作費用會增加並會超過使用較大直徑管子的額外費用。
還有安裝費在總費用中占很大一部分，這種費用對不同尺寸的管子差別很小，安裝一個直徑25mm的管子的費用與裝一個直徑50mm的管於很接近，但是50mm管子的流量是四倍于25mm管子的流量。
在一閉環的環狀管道系統中，任何輸出點由兩條管道途徑供氣，在確定管道尺寸時，這種雙重供給應忽略不計，而假定在任何時刻空氣只通過一個管道供給。
空氣主管道和支路管道的尺寸是由空氣速度的極限決定的，通常認為這個極限是6m／s，當支路的壓力為6巴左右，長度上有好幾米的情況下速度可達20m／s。從壓縮機到支管道末端的壓力降不應超過0.3巴，圖4.19是我們決定管道直徑的依據。
彎管和閥會形成附加摩擦阻力。這種摩擦阻力可換算成增加管道長度所產生的壓力損失，表4.20給出了各種常用接頭的換算長度。
例（a），確定管子的尺寸大小，通過16800l／m的自由空氣，最大壓力降不超過O.3巴的125米管子長度，兩級壓縮機在8巴時起動並在10巴時停止，平均是9巴。
在125m管道上有30kPa壓力降相當於30kPa／125m=O.24Kpa／m
查4.19圖：從壓力線列的9巴處畫一條線通過壓力降O.24Kpa／m處，該線與參考線相交於X處。
連接X和O.28mn3／s畫線與管道尺寸線相交於大約61mm處。即可使用直徑不小於61mm的管子，名義尺寸為65mm的管於內徑（見表4.21）有68mm的實際尺寸將足以滿足要求。
例（b），如果125m長的管子，在（a）題上有一定數量的管接頭，例如有兩個彎頭，兩個直角彎頭，六個標準三通管接頭和兩個閘閥，問加大多少尺寸可把壓力降限制在30kpa？
在表4.20中，在65mm直徑一欄中，我們可以找到下列的相當長度尺寸。
兩個彎頭 |
2×1.4=2.8m |
兩個90彎頭 |
2×0.8=1.6m |
兩個閘閥 |
2×0.5=1.0m |
六個標淮三通管接頭 |
6×0.7=4.2m |
總共 |
9.6m |
十二個接頭對流動的阻礙大致相當於10m的附加管子長度，這樣管子的有效長度就是135m，因而每米△P=30kPa／135m=O.22kPa／m。再參照圖4.19管子尺寸現在大約畫在65mm內徑（I.D）處，名義尺寸為65mm，實際內徑為68mm的管子在這裏是可以的。
注意：在新安裝主管道尺寸時，應考慮將來發展的可能性。
表4.20 主要接頭換算成管子長度表名義管道尺寸（mm） |
||||||||||
接頭類型 |
15 |
20 |
25 |
30 |
40 |
50 |
65 |
80 |
100 |
125 |
彎管接頭 |
0.3 |
0.4 |
0.5 |
0.7 |
0.8 |
1.1 |
1.4 |
1.8 |
2.4 |
3.2 |
90彎頭(長) |
0.1 |
0.2 |
0.2 |
0.4 |
0.5 |
0.6 |
0.8 |
0.9 |
1.2 |
1.5 |
90彎頭 |
1.0 |
1.2 |
1.6 |
1.8 |
2.2 |
2.6 |
3.0 |
3.9 |
5.4 |
7.1 |
180彎頭 |
0.5 |
0.6 |
0.8 |
1.1 |
1.2 |
1.7 |
2.0 |
2.6 |
3.7 |
4.1 |
球閥 |
0.8 |
1.1 |
1.4 |
2.0 |
2.4 |
3.4 |
4.0 |
5.2 |
7.3 |
9.4 |
閘閥 |
0.1 |
0.1 |
0.2 |
0.3 |
0.3 |
0.4 |
0.5 |
0.6 |
0.9 |
1.2 |
標淮三通接頭 |
0.1 |
0.2 |
0.2 |
0.4 |
0.4 |
0.5 |
0.7 |
0.9 |
1.2 |
1.5 |
支管三通接頭 |
0.5 |
0.7 |
0.9 |
1.4 |
1.6 |
2.1 |
2.7 |
3.7 |
4.1 |
6.4 |
管子的材料
標準氣體管（SGP）
這種空氣管道通常是鋼管或可鍛鐵管，可通過發黑或電鍍鋅耐腐蝕。這種類型的管子適合擰入於可鍛接頭。對直徑超過80mm的管子採用焊接法蘭形式通常比車制螺紋更經濟，標準碳鋼氣體(SGP)的技術參數如下：
准碳鋼氣體管（SGP）的技術參數如下： |
||||
名義內徑 |
外徑 |
厚度 |
品質 |
|
A |
B |
mm |
mm |
kg/m |
6 |
1/8 |
10.5 |
2.0 |
0.419 |
8 |
1/4 |
13.8 |
2.3 |
0.652 |
10 |
3/8 |
17.3 |
2.3 |
0.851 |
15 |
1/2 |
21.7 |
2.8 |
1.310 |
20 |
3/4 |
27.2 |
2.8 |
1.680 |
25 |
1 |
34.0 |
3.2 |
2.430 |
32 |
1 1/4 |
42.7 |
3.5 |
3.380 |
40 |
1 1/2 |
48.6 |
3.5 |
3.890 |
50 |
2 |
60.3 |
3.65 |
5.100 |
65 |
2 1/2 |
76.1 |
3.65 |
6.510 |
75 |
3 |
88.9 |
4.05 |
8.470 |
100 |
4 |
114.3 |
4.5 |
12.100 |
不銹鋼管
主要用於長的直的大直徑主管道。
銅管
在要求耐腐蝕、耐熱和剛性好的情況下，可採用名義尺寸小於40mm的銅管，但超過28mm直徑，管子相對貴一點。用退火後的優質銅管為裝配壓縮管道提供了方便。
橡膠管（空氣軟管）
橡膠軟管或強化塑膠管用在空氣驅動手工操作工具上是很合適的，由於它具有柔韌性以利於操作運動。氣動用橡膠軟管的尺寸如下：
名義內徑 |
外徑 |
內徑 |
截面積 |
英寸 |
mm |
mm |
mm2 |
1/8 |
9.2 |
3.2 |
8.04 |
1/4 |
10.3 |
6.3 |
31.2 |
3/8 |
18.5 |
9.5 |
70.9 |
1/2 |
21.7 |
12.7 |
127 |
5/8 |
24.10 |
15.9 |
199 |
3/4 |
29 |
19.0 |
284 |
1 |
35.4 |
25.4 |
507 |
1 1/4 |
45.8 |
31.8 |
794 |
1 1/2 |
52.1 |
38.1 |
1140 |
1 3/4 |
60.5 |
44.5 |
1560 |
2 |
66.8 |
50.8 |
2030 |
2 1/4* |
81.1 |
57.1 |
2560 |
2 1/2* |
90.5 |
63.5 |
3170 |
※棉線編織膠管
主要推薦用於工具或其他管子受到機械磨損的地方。
聚氯乙烯（PVC）管或尼龍管
通常用於氣動元件之間的連接，在工作溫度限度內，它具有明顯的安裝優點，容易剪斷和快速連接於或是壓力接頭或是快換接頭。
如果管子彎曲較大或需要穩定運動。柔性要求更高，可採用軟尼龍或聚氨酯管，但它的最大安全工作壓力相對比較低。
系統中的接頭
系統中，氣動元件可通過各種方法連接，圖4.21表示一個典型的快速連接。管於易於推進，且會自動地卡牢和不漏氣。
卡套式管接頭會在管子內部和外部產生一可靠保持力。當擰入鎖緊螺母時，管子受到卡套的壓迫。由於管子套進了管子，減少了內徑，所以也增加了額外的流動損失。
一次快插式管接頭有很大的保持力，並且由於採用了特殊的側面密封，確保了壓力和真空的密封性。由於安裝管子的內徑與接頭座內部流通截面相同。所以這種接頭沒有附加的流動損失。
自密封式管接頭本身內置一個機械裝置，所以在拔出氣管後，它也不會漏氣，也可用於禁銅的場合。
a．如果無管子推入，管接頭由單向閥切斷空氣。
b．如果有管於推入，單向閥開放，空氣流入。
