壓縮空氣系統的目的在于為粉末涂裝系統提供穩定、無污染的高壓空氣。由于粉末涂裝系統在涂裝工藝中采用壓縮空氣來調理和輸送粉末、操作控制、以及其它機械操作,因此需要清潔、干燥、無油的持續穩定壓縮空氣供應。一旦壓縮空氣系統發生故障,將造成生產線停車,涂裝質量惡化。因此,壓縮空氣系統的可靠性以及去污染的能力是粉末涂裝系統十分重要的因素。
2.1壓縮過程
壓縮空氣所提供的能量來自于受控的壓力釋放過程,通過將低壓空氣體積壓縮,使空氣壓力增加,從而蓄積能量。壓縮空氣系統的氣源為大氣,將空氣吸入空壓機中,經過體積壓縮后泵入壓縮空氣系統。空氣的體積壓縮比越大,壓力越高,例如100標準立方英尺的空氣(標準條件大氣條件下的空氣:14.7psig,680F,相對濕度36%)被壓縮至50psig,則空氣體積為25.64立方英尺,也就是說為原來體積的1/4。如果進一步壓縮至100psig,則空氣體積為12.82立方英尺,約為原始體積的1/8。要產生1立方英尺的100psig空氣需要7.8立方英尺的大氣條件的空氣。
acfm是指控氣流過壓縮空氣管線的實際體積(實際立方英尺/分鐘)。空氣流過通過壓縮空氣系統的實際量因空氣壓力不同而變化,因沒套裝置的壓力要求不同而變化。因此對于確定空氣壓縮系統消耗的空氣總量而言,每套裝置acfm的測定數據沒有實際意義。為了實現行業的標準化,所有壓縮空氣的產量或用量均用標準立方英尺/分鐘(scfm)表示。系統的scfm是指壓縮機為供給系統所需的壓縮空氣所吸入的空氣量,我們可以將各套裝置所消耗的空氣量簡單地相加,以確定系統需要的壓縮空氣總量,而不必因為裝置空氣壓力的變化而作調整。例如,有兩套裝置使用壓縮空氣,其中一套裝置的空氣壓力為50psig,另一套裝置為100psig,50psig的裝置需要25.64acfm的空氣量,而100psig的裝置需要12.82acfm空氣量,如果將空氣消耗量宜標準大氣壓條件下的空氣量表示,則兩套裝置共消耗100scfm的空氣。以標準大氣壓條件下的空氣消耗量表示避免了因各套裝置壓力的不同而需要調整,可以將各裝置的空氣消耗量簡單相加確定壓縮機的總容量。
2.2壓縮空氣中的污染物
為了實現壓縮空氣系統的用途必須除去空氣中的污染物,這些污染物將使粉末涂裝系統的性能惡化。壓縮空氣中的污染物是隨壓縮機吸入空氣而帶入的,并在壓縮過程中被濃縮;或是壓縮空氣在管路中被污染的。壓縮空氣中的污染物包括蒸氣、液體或固體。壓縮空氣的溫度也被認為是一種污染,原因在于空氣溫度過高過低均不能使用。上述污染物在壓縮空氣使用前都必須除去,而不同的污染物其去除的方法是不同的。
2.2.1水蒸氣
大氣中總是存在水蒸氣的,壓縮機制取壓縮空氣的起源為大氣,所以壓縮空氣系統中總是存在水蒸氣。人們常采用兩項指標來確定空氣中的水氣含量,“大氣露點”是指在1個大氣壓下空氣中的水蒸氣凝結成液體水的溫度;“壓力露點”是指在特定壓力下空氣中的水蒸氣凝結成液體水的溫度。對于一定體積的空氣而言,壓力露點總是比大氣露點高。
空氣中的水氣含量用格令/立方英尺表示。空氣進入壓縮機后經壓縮過程體積大大降低,而壓力大大提高,但所含的水氣重量保持不變。將1個大氣壓(14.7psig)下的7.8立方英尺空氣壓縮至100psig,則氣體體積只有1立方英尺,但1立方英尺壓縮空氣所含的水氣重量(格令數)與7.8立方英尺1個大氣壓的空氣相同。例如,1個大氣壓下的大氣露點為730F,每立方英尺大氣的水氣含量為8.848格令。如果將7.8立方英尺的大氣壓縮成為100psig的1立方英尺壓縮空氣,則每立方英尺壓縮空氣含有69.014格令的水氣(7.8×8.848=69.014)。這時壓縮空氣的壓力露點為1470F。因此壓縮過程并不能增加壓縮空氣的水氣量,它僅僅是簡單地使水氣增濃。
壓力增加使空氣容納水蒸氣的能力降低,但溫度升高將使空氣容納水蒸氣的能力提高。經驗告訴我們,溫度每升高200F,空氣中水蒸氣的含量將提高1倍左右。
壓縮空氣中的水氣如果一直保持蒸氣狀態,就不會造成系統問題,若要驅除壓縮空氣中的所有水蒸氣不僅十分昂貴,而且是不切實際的。決大多數粉末涂裝系統都允許壓縮空氣中有水蒸氣存在,關鍵在于限制水氣含量在允許的范圍內,以免凝結成為液體水,因為壓縮空氣中的液體水將造成很多涂裝問題。所以必須采用空氣干燥器隨時驅除水蒸氣。去除水蒸氣一般不采用分離器、過濾器或萃取器。
2.2.2液體水
液體水是壓縮空氣系統中的主要污染物,隨著壓縮空氣溫度降低,空氣中所能容納的水氣含量降低,一旦壓縮空氣達到壓力露點,過剩的水蒸氣就會凝結成液體水。壓縮空氣的溫度越低,凝結形成的液體水就越多。由于壓縮過程影響空氣的露點,壓縮空氣在管線中運行時溫度會逐漸降低,所以壓縮空氣系統中總是有液體水存在。液體水可以水霧或液滴的形式存在于壓縮空氣中,實際上水霧就是細小的液滴,它們在壓縮空氣流中就象是霧,會進一步凝結成液滴。壓縮空氣中的液體水將引起管道腐蝕(產生固體污染物)、潤滑劑沖刷流失、設備破壞。在寒冷的季節中,室外壓縮空氣管線中的液體水會凍結,引起管道堵塞或爆裂。液體水也會快速污染粉末涂裝系統,導致系統平凡停車以去除被污染的粉末,清潔被污染的設備,更換被污染的流化板和過濾器。因此在壓縮空氣進入任何設備之前必須排除液體水。
根據前面的討論我們知道液體水是如何在壓縮空氣中產生的,而且將大氣露點730F的空氣吸入壓縮機中壓縮成100psig的壓縮空氣時,每立方英尺該壓縮空氣含有69.014格令的水蒸氣,此時的壓力露點為1470F。壓縮機出來的空氣溫度通常為150~3250F(因壓縮熱和摩擦熱而升溫),遠遠高于壓縮空氣的壓力露點,這就是壓縮機出來的壓縮空氣在管線中傳輸時不會馬上看到凝結水的原因。但壓縮空氣在管線中傳輸時會逐漸降溫至與廠房內的室溫相同的溫度。一旦壓縮空氣的溫度降至1470F以下,水蒸氣變開始凝結成液體水,液體水的凝結量取決于壓縮空氣的溫度和通過管線的壓縮空氣量。如果本例中的壓縮空氣溫度降至1000F,則每立方英尺壓縮空氣將有49.046格令的液體水凝結出來,如果說粉末涂裝系統需要采用200scfm的壓縮空氣,意味著每分鐘將有0.022加侖的液體水產生,即每一個班次(8h)將有10.34加侖的液體水產生。
當壓縮空氣釋放壓力進行粉末涂裝操作時,壓縮空氣因體積膨脹而溫度降低,此時溫度的降低是非常明顯的,有300F之多。如果壓力露點過高則壓縮空氣不可避免將發生水氣凝結,當這種壓縮空氣進入粉末涂裝系統時必然導致粉末結塊,工件的粉末涂覆率下降。空氣的快速膨脹還將使噴槍的噴嘴溫度降低,此時若粉房中的大氣露點較高的話,大氣中的水氣也會凝結出來,在噴嘴表面形成液態水滴,使粉末結塊,粉末的噴霧圖形變差,工件上粉率降低。因此粉末涂裝系統應當設置在空調室內,以保持恒定的溫度和大氣露點,從而避免噴嘴和其它壓縮空氣設備表面凝結水滴。
液態水是壓縮空氣在粉末涂裝系統產生的主要問題,最好的辦法是在液態水凝結出來之前將壓縮空氣中過剩的水氣排除掉。如果壓縮空氣系統中液態水問題突出,則需要采用凝結水過濾器或排水裝置加以脫出。
2.2.3油蒸氣及液體油
壓縮機的所有潤滑部件都會以霧或蒸氣的形式泄漏油,一個運轉良好的往復式壓縮機所泄漏的油使壓縮空氣中的油含量達到45ppm。絕大多數旋轉螺桿壓縮機的壓縮室都會有油或合成潤滑劑滲入,當壓縮空氣從壓縮機中出來時,絕大部分(但不是全部)的油都與空氣分離。工況良好的典型螺桿壓縮機其壓縮空氣中的油含量達到80ppm,并以油霧或蒸氣形式存在。
本文所說的“油”包括由石油蒸餾得到的天然油以及合成的潤滑油。這兩種油均含有烴類,只是合成油還含有增進壓縮機潤滑作用的添加劑,以延長設備使用壽命,減少設備維修的停車次數。另外合成油可能對某些過濾器密封材料有腐蝕作用,對于壓縮機采用合成潤滑油得空壓系統來說,不受合成油影響的過濾器密封材料是特制的。
壓縮機內部的高溫將導致壓縮機油部分蒸發,產生油蒸氣。油蒸氣是空壓機系統產生討厭的氣味和味道的主要原因。
對于粉末涂裝系統而言油只要以蒸氣形式存在本身并沒有什么問題,而且要去除空壓機系統中所有的油蒸氣是非常昂貴的,況且絕大多數粉末涂裝系統并不需要壓縮空氣完全無油。關鍵在于降低空氣中油蒸氣的濃度至凝聚成液體油的所需的最小濃度以下。與水蒸氣的情況非常類似,壓縮空氣的溫度決定了油蒸氣凝結的濃度。隨著壓縮空氣溫度降低,多余的油蒸氣將凝結成液體油,從而使粉末涂裝系統出現問題。油蒸氣不能采用常規方法除去,一般是通過使壓縮空氣溫度降低,使其中的油蒸氣凝結成液體油,在過濾除去。如果油蒸氣影響涂裝系統,可以采用特種(非常昂貴)的油蒸氣過濾器直接從壓縮空氣中吸附油蒸氣加以去除。
液體油或油的氣溶膠在經過壓縮機時被注入壓縮空氣中,或油蒸氣經過凝露而累積增多。油不能像液態水那樣簡單地蒸發,所以液態油會給粉末涂裝系統帶來一系列污染問題,而污染后的裝置需要更多的時間進行清潔和設備更換。采用絮凝過濾器和自動排放器很容易從壓縮空氣系統中除去液態油。
2.2.4固體物質
壓縮空氣中的固體或顆粒污染物包括鐵銹、管壁結垢物、塵埃、污垢、花粉和干燥劑材料等,鐵銹和管壁結垢物大多來自于壓縮空氣管路,因液態水侵蝕管道而產生。隨著時間的推移,管壁的銹蝕物和結垢變得疏松,并被壓縮空氣帶走。污垢、塵埃和花粉則是隨環境大氣被壓縮機抽入的。在壓縮機的進風口前端需要設置過濾器以防止這些固體污染物進入系統內部。但有時過濾器規格可能與系統不匹配,或被拆除。可再生的空氣干燥器中干燥劑顆粒相互摩擦變成微細的粉塵是干燥劑粉塵的來源。所有這些固體污染物都可能堵塞細小的孔、空氣管路、設備和閥門,也造成粉末涂裝工件的污染。在未固化的粉末涂裝工件表面固體污染物是看不見的,涂膜一旦固化則變得十分明顯。由于涂裝要求的不同,壓縮空氣中的固體污染物甚至造成大量的次品和返工。必須采用固體物過濾器除去系統中的顆粒污染物。
2.2.5熱
壓縮空氣系統的熱主要來自于壓縮機,空氣在壓縮時相當一部分能量轉變成為熱能,被稱之為“壓縮熱”。除此之外,壓縮空氣在壓縮機中的摩擦也會產生熱。往復式壓縮機的空氣溫度一般為3250F左右,而旋轉式壓縮機的空氣溫度在1500F左右。通常以壓縮空氣進口溫度為1000F來確定空氣干燥器的大小。倘若空氣干燥器進口溫度過高則干燥器功能就不足,或者需要購置更大的空氣干燥器,因此壓縮空氣在進入干燥器和粉末涂裝系統之前需要降溫至1000F以下,采用后冷卻器使壓縮空氣降溫至合適的范圍是最好的方法。