為了使壓縮空氣系統提供清潔、干燥、無油的壓縮空氣,其結構設計和尺寸必須適當,系統中的各種結構部件也必須排布適當。絕大多數涂裝廠都采用單套壓縮空氣系統,這是非常經濟的方法,它向所有需要壓縮空氣的設備提供壓縮空氣。某些結構部件(如空氣干燥器)只是在工廠的特殊設備和特殊區域需要,因此對于需要清潔、干燥空氣的設備(如粉末涂裝系統)最好配備小型空氣干燥器,而為整個工廠和涂裝車間最好配備大型空氣干燥器。由于在壓縮空氣管道內部可能產生污染,所以在空氣進入粉末涂裝系統之前最好經過過濾處理。
3.1壓縮機
空壓機是壓縮空氣系統中最主要的設備。空壓機吸入一定體積和壓力的空氣,并將其壓縮為體積更小壓力更高的空氣后輸出。空壓機的規格用scfm表示,或以為壓縮空器系統提供所需壓力的空氣而每分鐘吸入空氣的體積來表示。兩種主要的空壓機類型為往復式(活塞式)和旋轉式(螺桿式)。
往復式壓縮機采用活塞將一定體積的常壓大氣壓縮成為體積小壓力高的空氣,當壓縮空氣系統的壓力達到設定的上限值時空壓機停止工作。隨著壓縮空氣的不斷消耗,壓縮空氣系統的壓力下降,一旦系統壓力降至設定的下限值空壓機重新開始工作,直至系統壓力升高至上限值為止再次停止工作。往復式壓縮機工作時會產生大量的熱,因此在工作循環之間需要設定冷卻過程。壓縮機的設計能力應足夠大,以保證供應足量的壓縮空氣并有機會停機冷卻。往復式空壓機非常適合壓縮空氣系統,因為在絕大多數情況下它都不會滿負荷工作。
旋轉式壓縮機采用了一組螺桿,將一定體積的空氣壓縮成為體積更小壓力更高的空氣,直至系統達到所需要的壓力。旋轉式空壓機為連續式工作,空壓機頻繁的停機和開機將使軸承受損。在對空壓機要求不高的情況下,一般采用調制式控制,即通過控制壓縮機吸入空氣的量來保證系統所需要的空氣壓力。調制式控制模式中壓縮機的動力消耗因壓縮量的不同而變化。旋轉式壓縮機最適用于接近壓縮機滿負荷工況下運行的壓縮空氣系統。
3.2后冷卻器
壓縮空氣系統中最重要的設備也許就是后冷卻器。后冷卻器通常都安裝在壓縮機的出口處,而不是緩沖器或干燥器的入口處,將壓縮機排出的熱壓縮空氣冷卻至適宜的溫度(一般≤1000F)。空氣冷卻過程將有大量的水(油)蒸氣凝結出來,經過分離器使之分離出來。后冷卻器出來的壓縮空氣在其出口溫度下應該是水蒸氣飽和的,且氣流溫度應該是壓縮空氣的壓力凝露點。
后冷卻器的工作原理在于利用了冷卻介質(如水或空氣)與后冷卻器出口處壓縮空氣的溫度差異。例如,水冷式后冷卻器的進口水溫200F,出口溫度600F,壓縮空氣經過后冷卻器后溫度下降至80~200F。
繼續用前面的例子來說明后冷卻器是如何工作的。壓縮機出來的壓縮空氣溫度為150~3250F,壓力凝露點為14700F,每立方英尺壓縮空氣含有69.014格令水。倘若采用上述后冷卻器,后冷卻器出來的壓縮空氣溫度降至800F,并為水蒸氣飽和,壓力凝露點為800F左右,則壓縮空氣離開后冷卻器后將有57.954格令/立方英尺的水冷凝出來。就粉末涂裝系統而言,如果采用200scfm的壓縮空氣,意味著每分鐘將有0.025加侖的水冷凝出來,即一班8h將有12.22加侖的水需要排放。
盡管后冷卻器將水蒸氣冷凝成液體使溫度降低,但因以下兩個原因從后冷卻器出來的氣流仍然可以看見液態水。原因之一是將液態水從壓縮空氣中分離出來所用的機械式分離器并不能100%的分離出液態水,后冷卻器用的典型分離器的效率在90%左右,也就說10%的冷凝水經過分離器后會進入空氣干燥器。分離器的效率與設計壓力和流量有關。原因之二是經過后冷卻器處理后的壓縮空氣還可能繼續降溫,由于離開后冷卻器的壓縮空氣是水蒸氣飽和的,因此溫度降低必然會使更多的水蒸氣冷凝成液態水。同樣后冷卻器出來的壓縮空氣溫度也可能略有升高,殘留在氣流中的冷凝水會再次蒸發,使壓縮空氣的壓力凝露點升高,這就是后冷卻器不可能替代壓縮空氣干燥器的原因。
為了及時將壓縮空氣中分離出來的液態水排放掉,后冷卻分離器良好的]維護保養和可靠的排水是十分重要的。如果排水不暢,分離器中將累積大量液態水,并流進空氣管線,使可再生的空氣干燥器中干燥劑被污染。
絕大多數空氣干燥器供應商都將設備的進口溫度設定在1000F,因此后冷卻器需要將壓縮空氣溫度降至1000F以下,當然配備有大型緩沖器的系統除外,它可以使熱壓縮空氣在進入空氣干燥器之前溫度降低。后冷卻器降低壓縮空氣的溫度降使空氣干燥器的效率提高,僅采用小型干燥器就能滿足要求。無論涂裝廠采用什么類型的壓縮機和空氣干燥器,后冷卻器都是必要的投資,它可明顯提高空氣干燥器的效率。
3.3緩沖器
緩沖器是一種大型的壓力容器,用于貯存一定量的壓縮空氣。緩沖器的主要目的在于防止壓縮空氣系統的壓力發生波動、防止壓縮空氣進一步降溫,避免壓縮機工作過度。倘若系統采用緩沖器,壓縮機的工作則以緩沖器充滿為止。如果壓縮空氣系統的載荷較低,壓縮機工作可以充滿整個緩沖器,而系統載荷較高時,單獨使用壓縮機就難以滿足系統壓力要求,此時緩沖器是必須的。另外緩沖器可以減緩壓縮機與空氣系統的壓力波動,為空氣干燥器和其他設備提供更為穩定的壓力和空氣流量。緩沖器延長了壓縮空氣冷卻以及蒸氣冷凝的時間,緩沖器的自動排水功能避免了液態水沉積在容器底部的可能。
3.4空氣干燥器
3.4.1壓縮空氣干燥器的工作原理
壓縮空氣干燥器的目的在于降低壓縮空氣中水蒸氣含量,以避免壓縮空氣管線中發生液態水冷凝。干燥器中壓縮空氣的水蒸氣含量用壓力凝露點表示,即在特定壓力的空氣管線系統內壓縮空氣不發生凝結的最低溫度。因此設計的空氣干燥器應當保證壓縮空氣系統不發生冷凝所需要的壓力凝露點,如果空氣干燥器的出口凝露點以大氣凝露點衡量時,則干燥器不會降低壓縮空氣中的水蒸氣含量,以防止空氣管線中的水蒸氣冷凝。因此當確定干燥器的凝露點時,應當將其轉換成壓力凝露點。
壓縮空氣干燥器的工作原理是,將壓縮空氣的溫度降低至剛好在水的凝露點上,讓水(油)蒸氣凝露,并將其從壓縮空氣中分離出來;或是采用干燥劑直接吸附壓縮空氣中的水(油)蒸氣。降低壓縮空氣中水蒸氣含量的這兩種方法也有助于降低壓縮空氣中的油含量。然而,由于壓縮空氣干燥器的主要目的僅僅是降低氣流中的水蒸氣含量,因此干燥器的除油能力很難確定。很少有干燥器供應商能夠明確自己產品的除油能力,這有賴于油蒸氣過濾器執行該任務。
兩種類型的干燥器(冷凍式和再生式)均適用于粉末涂裝系統,盡管還有其他類型的干燥器,但由于使用效率和能力均不如上述兩種干燥器,所以一般不采用。
3.4.2冷凍式空氣干燥器
冷凍式空氣干燥器通過降低壓縮空氣的溫度至接近水的凝固點,使多余的水蒸氣凝結成液體水,從而與氣流分離。典型的冷凍式空氣干燥器配備有預冷卻器/再加熱器,這種預冷卻器/再加熱器是一種空氣-空氣熱交換器,利用已經通過空氣干燥器的冷壓縮空氣使進入空氣干燥器的熱壓縮空氣降溫,然后再讓壓縮空氣通過空氣-制冷劑熱交換器,經過與制冷劑的熱交換使壓縮空氣的溫度降至350F左右。多余的水蒸氣凝結成液態水,并隨壓縮空氣流進入水-空氣分離器或冷凝過濾器,將液態水從壓縮空氣中分離出來。冷空氣隨后再進入預冷卻器/再加熱器的冷卻端,并被加熱至700F。未被水-空氣分離器或冷凝過濾器分離的液態水隨著壓縮空氣在離開干燥器之前被加熱而重新蒸發成為氣體。
絕大多數冷凍式空氣干燥器都需要配備顆粒預過濾器,以去除空氣中的微粒和干燥器中大量的液態水。去除微粒和液態污染物是非常重要的,原因在于這些物質將會堵塞空氣-空氣熱交換器(用于冷卻流進的壓縮空氣和加熱流出的壓縮空氣)。另外,干燥器配備的冷凝過濾器有助于從壓縮空氣中去除殘留的油或水氣溶膠。
現在許多冷凍式干燥器都配備有熱氣流旁通閥或所需要的控制電路。熱氣流旁通閥通過將熱冷凍劑與冷的冷凍劑混合,使空氣-冷凍劑熱交換器中的冷凍劑溫度保持恒定。配備有熱氣流旁通閥的冷凍式干燥器其冷凍劑壓縮機不會頻繁地開啟和停機。控制電路通過加載或卸載冷凍劑壓縮機而使空氣-冷凍劑熱交換器中的壓縮空氣溫度保持恒定。上述兩種裝置都可以將干燥器中一定流量的壓縮空氣冷卻至恒定的溫度,避免過冷而導致過多的冷凝液體產生。
壓縮空氣離開冷凍式空氣干燥器時的壓力凝露點與換熱器的效率、分離器或凝結過濾器的效率、以及適度的排水操作有關。冷凍式空氣干燥器的設計應當符合特殊的壓縮空氣流量、壓力、溫度條件的需要。水-空氣分離器或凝結過濾器的設計必須滿足壓縮空氣流量和壓力條件的要求。倘若進入干燥器的壓縮空氣流量和壓力超出設計范圍,分離效果將下降,液態水就會通過分離器使干燥器出來的壓縮空氣壓力凝露點升高。通常情況下,氣流量高于設計值時分離器效果的降低將遠遠大于低氣流狀況時的效率降低。倘若進入干燥器的壓縮空氣溫度高于1000F,此時空氣中所含的水蒸氣可能比干燥器所能分離的水量大很多,結果從干燥器出來的壓縮空氣達不到所要求的壓力凝露點。在最佳的設計流量、入口壓力和溫度下冷凍式干燥器出來的壓縮空氣的壓力凝露點在380F左右。
目前正在進行的含氯氟碳化合物爭論將影響冷凍式干燥器今后的應用,多年來氟利昂一直是最主要的工業用冷凍劑。氟利昂數十年的應用說明了它的可靠性和效用,技術人員和冷凍專家使用它相對較安全。為了減少氟利昂對大氣臭氧層的破壞,未來所有冷凍設備都將禁止使用氟里昂,目前仍在使用氟里昂的設備需要特殊處理,以免氟利昂的泄漏。R-22是氟利昂R-12的臨時替代品,1995年以后使用量也逐步減少,不含氟里昂的R-134a最近幾年使用較多,但2005年后也禁止使用了。另外R-134a的冷凍效用也比氟利昂R-12低30%,在冷凍效果相同的情況下,與氟利昂冷凍劑相比,采用R-134a作冷凍劑時所用冷凍設備更大,設備成本更高。目前評價R-134a冷凍設備性能的試驗方法還不多,R-134a對密封劑和潤滑劑有不利影響,因此這種冷凍設備的使用壽命由多長尚不得而知。R-134a的毒性也沒有定論,所以必須采用有許可證的專用冷凍機械設備來處理。所有這些問題都說明今后冷凍設備的價格會提高,操作和維修成本將加大。2005年后R-134a被禁用,但尚沒有新的冷凍劑替代品開發成功,因此現有的冷凍設備必定會被淘汰,為適應新的冷凍劑,需要購買新的冷凍設備。最好的建議是不要采用冷凍式空氣干燥器,直到有長效的冷凍劑開發成功再說。
3.4.3再生式空氣干燥器
再生式空氣干燥器可以降低壓縮空氣的壓力凝露點,它讓水蒸氣飽和的壓縮空氣流通過用干燥劑珠粒填充的容器,干燥劑可直接吸附壓縮空氣中的水蒸氣,即水蒸氣附著在干燥劑或其他親水材料的表面。由于水蒸氣僅附著在干燥劑表面,所以吸附的水蒸氣很容易解吸,使干燥劑再生。吸附或浸泡有水汽的材料就像海綿,隨著水分的吸附常常伴有溶解發生,此時的干燥劑就很難再生。再生式空氣干燥器常用的干燥劑為活性氧化鋁,這是一種耐磨、柔性、多孔的親水材料。有時也可選用硅膠和分子篩材料作干燥劑(如在溫度和濕度變化較大的情況下)。干燥劑的外形為球狀珠粒,因為球形的表面積最大,有利于水蒸氣的吸附。
干燥劑通常填充在兩個相同的容器或“塔”內,再生式干燥器因此得名“雙塔”。水蒸氣飽和的壓縮空氣流進入“在線”干燥塔。當一個塔在線干燥壓縮空氣時,另一個塔離線,用在線塔提供的干燥潔凈空氣再生。當第一個塔吸附水蒸氣達極限后,第二個塔上線承擔空氣干燥任務,而第一個塔離線進行干燥劑再生。采用計時器電路按照規定的時間間隔控制在線和離線塔的開關,從而使空氣干燥和干燥劑再生可連續進行。
通常兩個干燥塔垂直排布,壓縮空氣入口在干燥塔底部,頂部為出口,這可以借助重力的作用使液態水和油滴落到干燥塔的底部,而不與干燥劑接觸。潔凈的空氣從干燥塔頂部流向底部,與在線壓縮空氣的流向正相反,從而保證干燥塔出口處的干燥劑總是最干的。
只要再生式干燥器的設計得當,可以使壓縮空氣的壓力凝露點達到+50~-1000F,絕大多數再生式干燥器都可以達到-400F的壓力凝露點,這對絕大多數粉末涂裝系統而言是過于干燥了。
再生式干燥器相對比較簡單,基本無故障。對大多數再生式干燥器而言,最復雜的部件就是閥和計時電路。干燥器中需要特別小心的是干燥劑,再生式干燥器用的干燥劑使用壽命一般有幾年,主要取決于壓縮空氣中所含油蒸氣的多寡。再生式干燥器中的干燥劑在吸附水蒸氣的同時也吸附油蒸氣,隨著時間的推移,干燥劑表面被油蒸氣和油的溶膠所堵塞,而與水蒸氣相比,油蒸氣很難清除,因此干燥劑表面吸附的油蒸氣不可能經過再生循環而完全清除,使干燥劑被污染和破壞。因此,常常在再生式干燥器的上游端配置凝結式過濾器,以去除壓縮空氣中的油蒸氣或油溶膠。油蒸氣過濾器可以安置在再生式干燥器的前端,但后冷卻器也能減少油蒸氣的量,從而延長干燥劑的使用壽命。若干燥劑過臟而失效,則應根據生產商的操作程序進行更換。
再生式干燥器的主要缺點是干燥劑再生所消耗的潔凈空氣量為干燥器流過空氣量的10%~20%,通常為15%,這無形中增加了壓縮機的符合,需要采用功率更大的壓縮機才能滿足供氣需要。另外,潔凈空氣的消耗將使系統的運行大大增加。為了減少潔凈空氣的消耗,已經開發成功幾種新的裝置,它們均是通過感應干燥器出口壓縮空氣的壓力凝露點來開關干燥塔,盡管這些裝置可以明顯節省潔凈空氣的消耗成本,但設備本身的投資很大。為了進一步降低潔凈空氣的消耗,人們又開發了幾種新的“無熱”再生式干燥器,其中兩種是加熱再生塔中的干燥劑(加熱式再生塔)或用外設風機鼓風再生干燥劑(鼓風式再生塔)。這兩種再生塔可大大減少對潔凈空氣的消耗,但設備本身投資較大,干燥器結構也較復雜。
與冷凍式干燥器一樣,再生式干燥器也有特定的工藝參數,如進口空氣溫度、進口空氣壓力、入口空氣濕度、壓力凝露點、所需干燥的空氣量。如果干燥器的實際空氣流量小于設計流量,壓縮空氣離開干燥器時的壓力凝露點通常比設計的凝露點低,原因在于壓縮空氣與干燥劑有更多的接觸時間,可以從空氣中吸附更多的水分。反之倘若通過干燥器的實際空氣流量大于設計流量,則干燥器出來的壓縮空氣凝露點將升高。再生式空氣干燥器中的干燥劑通常是以疏松的狀態填充于塔內,需要根據壓縮空氣的某些參數(如通過塔體的氣流速度、與干燥劑的接觸時間)來確定塔體尺寸和干燥劑的用量。再生式干燥器的容積大小應當不會使設計流量下干燥劑發生流化,導致干燥劑珠粒相互摩擦破碎成為干燥劑粉塵。干燥劑粉塵微粒會隨氣流污染粉末涂料或噴槍。另外,干燥劑磨碎將導致使用壽命縮短,因此需要在干燥器的下游端設置顆粒過濾器,以收集從干燥劑創層逸散的破碎粉塵。借助柱塞式壓縮空氣向干燥劑床層加壓,使床層壓實,從而避免干燥劑流化和產生粉塵,并且工藝操作所需要的壓縮空氣量能夠順利通過干燥劑床層。干燥器的工況決定了壓力凝露點,而非用其調節流量。
每個粉末涂裝系統都有自身需要的干燥工藝要求,它決定了干燥器的選型,鑒于冷凍式干燥器的CFC爭議,未來再生式干燥器會應用更多。
3.5過濾
為了去除壓縮空氣中的微粒、液體或水、油溶膠等,對壓縮空氣進行過濾處理是非常必要的。另增設一道過濾處理以除去油蒸氣是需要的,這取決于壓縮空氣的處理量以及空氣中的油蒸氣含量。過濾器分為機械式分離器、微粒分離器、油蒸氣分離器等類型。
機械式分離器是采用機械方式從空氣中分離冷凝物、液態水的裝置,主要用于壓縮空氣中含有大量水的場合,如后冷卻器出來的空氣或冷凍式空氣干燥器的溫度最低點。最常用的兩種分離器為離心式分離器和截流式分離器。離心式分離器配備有一組扇葉,當壓縮空氣經過分離器時使其發生旋轉,將空氣中的液滴拋向容器壁,并聚集流向容器底部而排除。截流式分離器中設置有很多氣流的急轉彎,由于液滴比空氣重,氣流在急轉彎處與容器壁撞擊,使液滴聚集而流向容器底部排除。機械式分離器一般不需要維護,也不需要更換。由于分離出的大量液體和微粒都被排除,因此分離器一般不會被堵塞。
微粒分離器是捕獲壓縮空氣中固體污染物的裝置。空氣中的固體污染物包括銹、垢、塵埃、花粉和其它碎片,它們可能是在壓縮空氣系統中產生的,也有可能是通過壓縮機而從外界吸入系統內的。這些污染物可被纖維織物介質所捕獲,最后堵塞過濾介質,使通過織物介質的壓降增加。微粒過濾器應當包含差動壓力表(或壓力顯示器),借以說明何時應該更換過濾介質,當過濾器使用壽命到了也應當更換。過濾器的更換應當嚴格按照程序操作。微粒過濾器還應當配備排水裝置,以便定期排放液體。當微粒過濾器用作凝結物預過濾時,其過濾效果不必很高,但單獨用作再生式干燥器下游的微粒過濾時,則需要較高的分離效果。
凝結物過濾器是利用織物網絡捕獲空氣中的細小微粒和微溶膠。微溶膠粒子可以凝結成更大的液滴,并逐漸長大,直至流向織物過濾介質底部而被排除。凝結物過濾器應當配備過濾介質,捕獲的固體粒子將堵塞過濾介質,使壓降增大,此時便需要更換過濾介質。凝結物過濾器還需要配備壓力計,借以指示何時需要更換過濾材料。另外,凝結物過濾器也應當嚴格按照設定程序,在使用壽命到了的時候加以更換。最好在凝結物過濾器的上游端設置微粒過濾器,以捕獲較大的塵埃或碎片,延長凝結物過濾器的使用壽命。典型的凝結物過濾器應當具有較高的過濾效率,大于0.03μm的水滴或油滴均被去除,從而使處理過的壓縮空氣適用于粉末涂裝系統。由于凝結物過濾器也會捕獲固體微粒,對于0.3μm以上的微粒去除率可達99.9%。
如果油蒸氣或其它烴類物質對系統造成問題,或工藝過程中無法處理油蒸氣,則可在空氣管線上安裝油蒸氣過濾器。在油蒸氣容易凝結的噴嘴或急彎處,油蒸氣問題十分突出。通常電子裝置上都配備有油蒸氣過濾器,以防止精密的電子器件被油蒸氣污染。典型的油蒸氣過濾器所采用的吸附介質為活性炭,它可以將壓縮空氣中的油蒸氣分子截獲在其表面。活性炭一般裝填在透明的容器中,當其吸附油蒸氣后顏色發生變化。油蒸氣過濾器是壓縮空氣系統中的末級過濾裝置,應當與微粒過濾器、凝結物過濾器配用,原因在于油蒸氣過濾器的過濾介質不能處理液態油或水,也不設排放口。如果再生式空氣干燥器會被油蒸氣污染,則可在其上游設置油蒸氣過濾器,以延長干燥劑的使用壽命。
3.6排放
過濾器和分離器可以捕獲空氣中的液體或固體,因此應當配備排放閥門。排放閥可以將收集的液體和固體微粒排放掉,防止液體流向下游端,污染下游端的壓縮空氣系統。人工操作排放閥時,要求工人定期打開排放閥,使污物流出過濾器。這種排放方式的缺點在于忘了開啟閥門,或打開閥門后而忘記關上,造成大量壓縮空氣的浪費。只有在系統中需要除去的液體量不大(如再生式干燥器下游端的微粒過濾器)的情況下才采用人工排放,通常情況下均采用自動排放方式,可以實現連續式操作,日常維護工作很少。需要處理的液體量較大的過濾器和分離器都采用自動排放方式,如壓縮空氣的一級過濾裝置、凝結物過濾器和分離器。一種簡單的自動裝置是以浮動的方式開啟和關閉疏水閥。帶有電子計時器的自動疏水閥可以按照規定的時間間隔自動開啟和關閉閥門,讓維修人員了解何時開啟閥門和開啟的時間長短。帶電子計時器的排水閥可能很貴,但值得投資。倘若排水閥按要求定期開啟,空氣的消耗可以最大限度地降低。