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1  壓縮空氣罐的應(yīng)用

壓縮空氣罐主要用來降低空氣系統(tǒng)的壓力波動，保證系統(tǒng)平穩(wěn)、連續(xù)供氣；同時，也可以分離壓縮空氣中的水分。

設(shè)置在空壓機出口的緩沖罐^[1]，可以有效降低空壓機出口的壓力脈動和分離水分，設(shè)置在真空泵入口的真空緩沖罐，其作用是分離氣體中的水分及穩(wěn)定系統(tǒng)壓力，均可參見有關(guān)專業(yè)文獻。

本文主要對在用氣點設(shè)置的壓縮空氣緩沖罐的容積計算做初步說明。

2  壓縮空氣罐的計算

2.1  計算原理

緩沖罐向用點供氣，緩沖罐內(nèi)空氣減少，壓力降低，狀態(tài)發(fā)生改變。對于一般常溫、低壓的壓空系統(tǒng)，其狀態(tài)的變化可以用理想氣體狀態(tài)方程來進行描述。

pV = nRT =（m/M）RT          （公式5-1）

其中——

p： 氣體壓力，1 atm = 101.3 kPa =10.33 mH₂O = 760 mmHg

（表壓=絕對壓力–大氣壓；真空度=大氣壓–絕對壓力）

                R：  氣體常數(shù) 3.14  

 T：  氣體溫度，K

               M：  氣體的摩爾質(zhì)量，kg/kmol

                V： 壓縮空氣罐體積， m³

則可知，在溫度不變的情況下，壓力的改變Δp和氣體摩爾數(shù)的改變Δn成正比：Δp/Δn=RT/V。

則可知，在溫度T和壓力P不變的情況下，供氣速率Q（m³/min）、供氣時間Δ t（min）和摩爾數(shù)的改變Δn 成正比為：Δt/Δn=RT/PQ。

從而，進一步可得：Δt=VΔp/QP。

通過上述三個關(guān)系式，我們便可以分別對壓縮空氣罐的容積、供氣時間和壓降進行計算分析。

2.2  計算舉例

儲存5Bar（表壓）的壓縮空氣罐，經(jīng)調(diào)壓至3Bar（表壓）后向氣包供氣。氣包采用2.5寸淹沒式脈沖閥，噴吹壓力3Bar（表壓），噴吹時間0.15秒，噴吹間隔10s計，則每閥次噴吹耗量約為350NL/次^[2]；每個氣包耗氣量約為2.1Nm³/min。通常以緩沖罐同時供應(yīng)兩個氣包的耗氣量計，則供氣速率為Q=4.2 Nm³/min，折合5Bar（表壓）氣體為0.7m³/min。

考慮罐內(nèi)30%的氣壓波動，和1.2min的供氣時間（20%余量），則，根據(jù)上述公式可得，壓縮空氣罐的體積V為：

V=1.2minx6Barx0.7m³/min/(6Barx30%)=1.2x0.7x30%=2.8立方^[3]。

因此，該種情況下的應(yīng)用，可考慮設(shè)置3立方的及以上的壓縮空氣儲罐。

2.3  壓縮空氣管道

通常情況下，壓縮空氣管道內(nèi)流速以10~15m/s進行管路設(shè)計。

在上述應(yīng)用下，選擇10m/s氣速條件，經(jīng)計算：對于上述一個氣包（表壓3Bar）的進氣管路，管內(nèi)徑宜選擇為>33mm的無縫鋼管；供應(yīng)兩個氣包的總管，則內(nèi)徑選擇宜>66mm；對于緩沖罐的進氣總管（表壓5Bar），則內(nèi)徑應(yīng)大于>38mm即可。

考慮到管道壓損，可相應(yīng)調(diào)高緩沖罐的供氣壓力以彌補管路壓損，從而更好地匹配管徑、供氣壓力和氣速。

3  緩沖罐的氣液分離計算

如上文所述，空氣緩沖罐除了穩(wěn)定系統(tǒng)壓力外，還兼有氣液分離的作用。其基本原理是液滴在空氣中的沉降速度大于空氣的上升速度。

液滴的沉降速度可通過液滴沉降運動的雷諾準(zhǔn)數(shù)進行計算^[4]，對于壓縮空氣緩沖罐，其雷諾準(zhǔn)數(shù)Rep一般在500~2x10⁵之間，可考慮如下簡化公式計算液滴的極限沉降速度：

    （公式5-2）                      

其中——

u_f： 液滴的極限沉降速度，m/s

  d_p：  液滴直徑，m  

ρ₁：  液滴密度，kg/m³

ρ₂：  氣體密度，kg/m³

  g：  重力加速度，m/s² 

對于5Bar的壓縮空氣罐內(nèi)3~5um的液滴，其極限沉降速度約為0.13m/s。去氣液分離器的操作氣速u_g=0.5~0.8u_f，以0.06m/s計，對于上述0.7m³/min的5Bar壓縮空氣進氣速率，則該3立方的壓縮空氣罐直徑不應(yīng)小于500mm。

上述計算，用于在選定壓縮空氣容積后校核設(shè)備高徑比參考使用。

[1] 對于往復(fù)式壓縮機，出口緩沖罐的容積一般取空壓機每分鐘流量（Nm³/min）的10%左右。對于離心式或螺桿式離心機，由于其排氣口氣壓比較穩(wěn)定，緩沖罐的尺寸和容積應(yīng)按照分離冷凝水的要求確定。

[2] 參見好科科技相關(guān)文獻說明。

[3] 簡易算法為每次噴吹的標(biāo)升數(shù)量除以允許的波動值，再乘以閥門數(shù)量和1.2余量，即 350NL/30%x2x1.2=2800L。

[4] 《化工原理》  化學(xué)工業(yè)出版社 1985年  陳敏恒