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一文看懂激光切割用一體式空壓機除水排污到底有多重要!
2020-05-18 15:33:39

 近幾年來,隨著大功率和超大功率光纖激光器的國產化普及,我國激光切割機呈迅猛發展之勢,激光切割機從千瓦級躍升到萬瓦級,切割能力從僅能切割幾mm的薄板發展到能切割幾十mm的厚板,激光切割的應用越來越廣泛。作為激光切割的輔助氣體,通常有氧氣、氮氣和壓縮空氣。

本文作者曾在《激光切割機采用壓縮空氣作為輔助氣體的空氣壓縮機選擇和應用》一文中詳細論述過激光切割機采用壓縮空氣作為輔助氣體進行金屬切割加工是一種常見的經濟實用的加工方式。由于采用壓縮空氣作為輔助氣體進行激光切割的顯著的經濟性,以前不主動推空氣切割的激光切割機的生產商,現在推激光切割機時,都開始主動介紹其激光切割機適合采用壓縮空氣切割。(圖一) 和(圖二) 就是兩個激光切割機品牌的超大功率激光切割機宣傳時介紹采用壓縮空氣切割的優勢。

 

采用壓縮空氣作為輔助氣體進行激光切割的經濟性是顯而易見的。同時,由于一體式空壓機安裝簡便,占地面積小,方便挪動,采用空氣切割的激光切割機通常都配套激光切割專用的一體式空壓機。但是,如果對一體式空氣壓縮機系統的除水排污不正確、不及時,對切割質量和切割效率也會有很大的影響,嚴重時甚至會造成高額經濟損失。

為什么這么說呢?

回答這個問題,我們先來看看壓縮 1m3/min 的空氣到 16bar 壓力(這個壓力是目前多數激光切割機采用空氣切割的壓縮空氣壓力)會產生多少液態水分?從熱力學,我們知道,空氣中的含濕量 W 為:

式中,
P——空氣壓力, kPa;
Ps——水蒸氣分壓力, kPa;
Psb——飽和水蒸氣分壓力, kPa;
ϕ——空氣相對濕度, %

壓縮機在壓縮空氣時最容易產生液態水的季節是夏季,最常見的濕熱天氣的氣溫大約 35℃,相對濕度大約 80%,根據上面的公式,在大氣壓力狀態下,空氣中的含濕量為 0.0297kg/kg(干空氣)。

當壓縮到 16bar 壓力時,如果排氣溫度是 80℃,那么壓縮空氣中的含濕量為 0.0178kg/kg(干空氣)。

這意味著會有 0.0297-0.0178=0.0119kg/kg(干空氣) 的液態水析出。假設壓縮機的排氣量是 1m3/min,每天工作 10 小時,那么一天下來析出的液態水將會是:

0.0119*60*10*1.29=9.21kg

這些析出的液態水的大部分會混合在潤滑油中,使潤滑油很快地乳化變質,在油氣分離器中的潤滑油工作時會大量起泡(見圖三)。如果泡沫大量積聚,油氣分離濾芯都被泡沫包圍時,油氣分離濾芯將失去對潤滑油的攔截過濾功能,大量的潤滑油將會穿過油氣分離濾芯進入壓縮機排氣管路,這將會使得后面的壓縮空氣過濾凈化變得異常困難。

 

根據計算,在環境溫度 35℃、相對濕度 80%的吸氣條件下,要保證在 16bar 排氣壓力的排氣沒有液態水析出,排氣溫度需要在 92℃以上,這需要通過溫控閥開啟溫度的選擇或者風機啟停溫度的設定來保證。對于空壓機容量配大很多的用戶,就需要強制把空壓機運行的下限頻率設高來防止溫度不能升上來。

其次, 即使對壓縮機排氣溫度進行了較好的設定,使得潤滑油中沒有液態水析出,但是壓縮后的冷卻過程會使儲氣罐和氣水分離器有大量液態水凝聚。從(圖四) 可以看出,壓縮機運行幾個小時之后,可以從儲氣罐里放出很多的液態水。

還是繼續上面的例子, 我們知道,一體式空壓機都是把空壓機和冷干機安裝在儲氣罐上方,空氣經過壓縮機壓縮并經過油氣分離和后冷卻器后進入儲氣罐,同時把在后冷卻器冷卻產生的冷凝水帶入儲氣罐。由于壓縮空氣進入儲氣罐時速度驟降,并且儲氣罐與環境空氣有很大的接觸面積,壓縮空氣與環境空氣會產生較多的對流換熱, 使得壓縮空氣的溫度進一步降低,產生更多的冷凝水。

一般設計上,經過后冷卻器的壓縮空氣的溫度比環境溫度高 12~15℃左右,在儲氣罐中繼續與環境空氣對流換熱后溫度又會降低約5~8℃。因此,在 35℃環境溫度時,儲氣罐中的壓縮空氣溫度不會超過 35+15-5=45℃。在 16bar 壓力下, 45℃的飽和空氣的含濕量是 0.0035kg/kg(干空氣),這意味著儲氣罐里會有 0.0297-0.0035=0.0262 kg/kg(干空氣)的液態水積聚。假設壓縮機的排氣量是 1m3/min,每天工作 10 小時,那么一天下來儲氣罐積聚的冷凝水將會是:

0.0262*60*10*1.29=20.28kg

一體式空壓機的儲氣罐容積大約為 300L~400L,按每天產生 20.28kg 的冷凝水,如果一直不放水排污,只要兩周時間,整個儲氣罐就全是水了!如果是這樣的話,壓縮空氣將會裹挾大量液態水進入冷干機后精密過濾器等后處理設備,造成后處理設備根本就無法處理過來,無論是水,還是殘油,由于濾芯被水濕透,均無法處理。

因為,根據精密過濾器的工作原理,它只能過濾顆粒粉塵、微油和水霧,如果壓縮空氣中存在大量液態水,精密過濾器的濾芯將會很快濕潤飽和,導致空氣分子通過濾芯時本應過濾分離出來的液態水和殘油隨壓縮空氣一起通過。其結果就是出現大家最不想看到的結果,進入激光切割機的壓縮空氣含油含水,很快就會使激光切割機保護鏡片起霧模糊(見圖五),造成激光切割機無法工作,尤其對于超大功率激光切割機,嚴重時會燒毀價值昂貴的光學鏡片。


因此,對于一體式空壓機,一定要告訴操作人員,為了保障激光切割機的正常工作,必須養成每天開機前和停機后手動排放掉儲氣罐中的冷凝水的良好習慣。即使儲氣罐已經安裝了自動排污閥,也有必要每天進行這樣的操作,因為自動排污閥有可能臟堵。

壓縮空氣離開儲氣罐進入冷干機之前,通過管路與環境空氣的對流換熱,氣體溫度會進一步降低,假設降低 5℃,我們來看看降低 5℃達到 40℃時又會有多少冷凝水產生。按前述計算公式, 45℃的飽和空氣的含濕量是 0.0035kg/kg(干空氣), 40℃的飽和空氣的含濕量是 0.0027kg/kg(干空氣),那么進入冷干機之前將會有 0.0035-0.0027=0.0008 kg/kg(干空氣) 的冷凝水產生。假設壓縮機的排氣量是 1m3/min,每天工作10 小時,那么一天下來進入冷干機之前的管路產生的冷凝水將會是:

0.0008*60*10*1.29=0.6192kg

這就是為什么在壓縮空氣進入冷干機之前要安裝一個氣水分離器的原因。這個氣水分離器下部安裝有浮球式自動排污器(見圖六),在夏季濕熱天氣,自動排污器應該在壓縮機每工作 30-45min 左右就能自動排放一次污水。浮球式自動排污器的下方還有一個手動排污口,如果自動排污器長時間都沒有自動排污,應該檢查手動排污口,如果手動排污口能放出很多水,那就表示自動排污出了故障,需要維修或者更換。

 


激光切割用一體式空壓機都是集成了冷凍式干燥機的, 如果冷干機之前的除水排污都按本文要求正確地做了, 壓縮空氣經過冷干機后,壓力露點溫度降低到 2-5℃, 壓縮空氣經過冷干機時產生的冷凝水(進氣參數按前述,壓力露點按 5℃)為 0.0024kg/kg(干空氣)。假設壓縮機的排氣量是 1m3/min,每天工作 10小時,那么一天下來進入冷干機產生的冷凝水將會是:

0.0024*60*10*1.29=1.858kg

這么多的冷凝水量,如果不及時排放干凈,同樣會使后面的精密過濾器失去過濾的功能。因此冷干機內置有水分離器,水分離器下方安裝有電子自動排污閥(見圖七)。為了及時排放冷凝水,電子自動排污閥的排放間隔時間不能設置太長,應以不超過 10-15min 為宜,每次排放時間宜設置為 3-5sec。

壓縮空氣經過冷干機把壓力露點降低到 2-5℃,所產生的冷凝水及時排放干凈, 再回溫到 20 度左右,再經過一組精密過濾器濾除極微量的水霧、油霧和顆粒物, 這樣的壓縮空氣就是干燥的不含任何液態水的,這樣的壓力露點的壓縮空氣在激光切割機的保護鏡片上是沒有形成水霧的條件的,并且由于這組精密過濾器可以使液態油的去除效果達到 0.001ppm,使油蒸汽的去除效果達到 0.003ppm,在保護鏡片上形成油霧也是非常困難的。

值得一提的是,對于激光切割機來說,每個精密過濾器下面的手動旋塞閥都應該保持微微開啟狀態(見圖八),這樣才能隨時把精密過濾器捕捉攔截到的任何液態物質(水或油)及時沖刷出去而不帶入激光切割機的供氣管路。在這里不安裝自動排污閥而是安裝手動旋塞閥,一是為了保證能隨時將捕捉攔截到的任何液態物質沖刷出系統,二是為了保持供氣系統的壓力穩定。根據我們的測試,每一個自動排污閥自動排污時,供氣壓力會下降約 1bar,如果四個自動排污閥同時排污,那么就會引起很大的供氣壓力下降,對激光切割質量造成很不穩定的影響。

 


總結


激光切割用一體式空壓機的除水排污,絕不是一件可有可無的小事。除水排污沒有做好,往小處說,是會影響激光切割的質量和效率;往大處說,是會影響空氣激光切割技術的推廣應用。無論是設計人員,還是使用維護人員,都應該對激光切割用一體式空壓機除水排污的重要性有正確的認識,在實踐中能夠切實保障一體式空壓機正確、及時的除水排污,共同推進空氣激光切割技術的發展。

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