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受 3 种滤芯的过滤效率影响的空压机能耗

空气滤芯、润滑油滤芯和油气分离器作为一个“生态系统”运行

作者: Scott Galloway,美国唐纳森公司全球销售经理

压缩空气是工业设施中一种极为重要的动力源。 压缩空气通常被称作继水、电、煤气之后的“第四大公共事业”,用于运行机械、传送材料、使液压系统增压以及执行不计其数的其他功能。

这一切都需要能量。 根据美国能源部的统计,生产压缩气体通常占工厂耗电成本的 10% 到 30%。¹ 发现这对成本产生相当大的影响后,工厂经理便想方设法降低空压机的能源需求,空压机制造商也积极作出响应,全力设计出尽可能提高过滤效率的设备。 此外,全球政府不断提高对于压缩空气设备(见侧边栏)过滤效率的法律要求。

空压机的过滤系统可能对系统过滤效率产生显著影响。 要以较低成本生产压缩空气,需要三种不同的滤芯协调一致地工作,过滤出颗粒杂质并从气流中分离出油雾,而不会对流过系统的空气造成过大的阻力。 一个位置的滤芯的过滤效率会直接影响另外两个滤芯的性能。 空压机制造商在整个系统中应用领先的过滤技术后,即可实现节能,同时有助于减少设备所需的润滑油。

下面简单介绍了每个空压机滤芯的作用以及有助于优化系统性能的技术。

滤芯生态系统: 概述

油浸旋转螺杆式空压机是工业中最常用的技术,它具有三个主要过滤部件: 进气口滤芯、机油或“润滑油”滤芯以及油气分离器,如图 1 所示。 

图1: 油浸旋转螺杆式空压机原理图

图 2: 过滤生态系统需要依靠所有三个部件才能实现最佳性能。

进气口滤芯专门用于以最高过滤效率过滤颗粒杂质。 机油滤芯专门用于尽可能过滤出机油中的颗粒杂质。 油气分离器专门用于在将压缩空气释放到系统中之前分离出剩余的油雾。 这三个部件共同组成了过滤生态系统,如图 2 所示。

高质量进气口滤芯由什么组成?

作为空压机系统中保持空气清洁的第一道过滤防线,进气口滤芯的作用是以最佳的过滤效率和最小阻力防止空气颗粒杂质进入空压机。  通常,为实现上述目的,会使用包含某种类型纤维滤料的滤筒,如图 3 所示。    

图3: 进气口滤芯专门用于过滤空压机中的空气颗粒杂质。

进气口滤芯滤料通常采用纤维素纤维或纤维素合成混合物制成。 唐纳森 Ultra-Web® 技术等最新技术采用通过静电纺丝工艺制备的极细纤维滤料,该工艺可生产直径为 0.2 到 0.3 micron 微米的连续、弹性合成纤维。 Ultra-Web 形成的极细纤维层中纤维间距极小,使粉尘只能滞留在滤料表面,如图 4 所示。

图 4: Ultra-Web 技术形成的极细纤维网使粉尘只能滞留在滤料表面。
图 5: Ultra-Web 技术可实现高达 99.99% 的过滤效率。

典型的传统纤维素滤芯可实现接近 99% 的过滤效率,而极细纤维技术可实现高达 99.99% 的过滤效率,如图 5 所示。

尽管纤维素滤芯可实现大于 99% 的过滤效率,但是其纤维结构致密,同时可能给空压机应用造成不可接受的阻力。

具体而言,细纤维滤芯可实现较高的“初始过滤效率”,该效率指空气滤芯第一次使用时的过滤效率。 该滤芯通过使粉尘滞留在滤料表面而不是滤料内部,将颗粒杂质过滤出气流并延长滤芯使用寿命。 此表面过滤技术久经考验,可在很长的一段时间内实现较低的工作压降,有助于延长滤芯使用寿命并降低所需的能耗。

如图 6 所示,气流为 200 立方英尺/分钟(1 立方英尺 = 0.0283 立方米)(CFM) 时,Ultra-Web 滤芯产生的阻力相当于不足 7 英寸水柱(1 英寸水柱 = 25.4 毫米水柱),而竞品滤芯产生的阻力小于等于为 10 英寸水柱(1 英寸水柱 = 25.4 毫米水柱)。 

图6: 与竞品滤芯相比,Ultra-Web 可以降低阻力。

改进后的进气口过滤还可以延长下游滤芯部件(即润滑油滤芯和油气分离器)的使用寿命。 粉尘和其他颗粒中的杂质是限制润滑油滤芯和油气分离器使用寿命的主要因素。 将颗粒杂质过滤出气流后,这两种滤芯的运行时间将延长并且过滤效率将提高。 通过减少下游杂质并削弱由杂质导致的整个 AOS 和润滑油滤芯阻力增加,空压机只需较少的电能即可提供给定体积的压缩空气,有助于降低总运行成本。

图 7 的放大图中显示了堵塞 AOS 滤料的示例。 对于干净的 AOS 滤料,用于凝聚的表面积达到 100%。 对于有颗粒杂质沉积的滤料,用于凝聚的表面积减少,AOS 的有效性降低。

图 7: 干净的油气分离器滤料(左)与有杂质沉积的滤料(右)。
图8: 润滑油滤芯专门用于过滤机油中的颗粒杂质。
润滑油滤芯可保持机油洁净

过滤生态系统中的下一环是机油滤芯或“润滑油”滤芯。 压缩空气时机油会与空气混合,从而引入新杂质,因此机油滤芯的作用是将这些颗粒杂质从机油中过滤出去。 这有助于保护空气端中的轴承,以及防止颗粒杂质向下游迁移从而堵塞油气分离器。

机油滤芯的设计应该具有足够的粉尘纳污能力和过滤效率。 通常,此类滤芯位于外观与汽车机油滤清器相似的壳体内,如图 8 所示。

可通过增加润滑油滤芯尺寸或改善滤料提高其纳污能力。 增加滤芯尺寸通常会占用宝贵的空间并导致额外成本,更高效的方法是改善滤料。

图 9: 唐纳森 Synteq™ XP 滤料采用双组分纤维,可提供强大的粘合能力。

唐纳森 Synteq™ XP 滤料经证明在空压机润滑油过滤器中非常有效。 滤料均匀并且孔口数量比纤维素滤料多,因此可提高过滤效率和纳污能力。 其获得专利的双组分纤维可提供强大的粘合能力,如图 9 所示。 

Synteq 是一种无树脂滤料,与标准纤维素滤料相比,对流体的阻力较低,如图 10 所示。 此外,与传统的树脂粘合纤维素滤料相比,Synteq 的使用寿命较长,同时也大幅提高了纳污能力和截留能力。

图 10: 与纤维素滤料相比,Synteq 产生的压降较低。
图 11: 油气分离器代表空气离开空压机之前的最后一个过滤步骤。
油气分离器: 最后一站

油气分离器是空气离开空压机前的最后一站,通常也是理想空压机生态系统中的首要考量因素。 空气滤芯或机油滤芯运行状况不佳可能无法被立即察觉,但是当油气分离器性能降低时,造成的影响可能显而易见。 离开空压机的空气可能包含过量的油雾。

油气分离器专门用于在空气离开空压机之前将剩余油雾从油气混合物中分离,其性能对于空压机生态系统至关重要。 正如其他滤芯部件一样,滤料的有效性是实现良好性能的关键。 唐纳森包裹式油气分离器(如图 11 所示)适用于多数空压机型号,并标准配备有唐纳森获得专利的 Synteq™ 滤材。 唐纳森还提供褶式油气分离器,此类分离器通过增加表面提高设计灵活性,从而增加气流量。 

唐纳森优质油气分离器采用获得专利的 Synteq XP™ 凝聚滤料,与传统滤料相比,使用寿命更长,同时大幅提高了性能。 Synteq 滤料有助于满足机油含量要求,同时保存尽可能低的压降,如图 12 所示。  此“无树脂”滤料可实现高效的排放和自由的空气流动,从而降低阻力,进而实现节能。 除了节能之外,实现较低的机油含量可将空压机内精制昂贵的润滑油保留在其原所属位置。 这可减少所需的机油补充量,从而进一步减少压缩空气系统内下游的机油量,进入下游的机油可能导致工艺问题和客户投诉。

图 12: Synteq 滤料有助于使油气分离器满足机油含量要求,同时保持较低的压降。
生态系统部件如何相互配合工作

可通过观察空气滤芯对油气分离器使用寿命的影响,了解过滤部件对彼此的影响。 如图 13 所示,与采用纤维素滤料的空气滤芯相比,Ultra-Web 空气滤芯让整个油气分离器内的阻力上升速度放慢,在一个案例中,使油气分离器的使用寿命延长两倍以上,在另一个案例中,使用寿命寿命大约增加 65%。 上述结果来自北卡罗来纳州纺织厂内的两个相互独立的 600-HP 空压机。 唐纳森利用刚完成保养并使用原厂设备纤维素滤芯(红线)的机器进行基准测试,然后使用新机油和 AOS 再次保养空压机,然后将空气滤芯替换为 Ultra-Web 型号并再次进行测试。 结果就是这些空压机内的 AOS 使用寿命较长(蓝线)。 

图 13: 在两种案例研究中,Ultra-Web 空气滤芯可增加油气分离器的使用寿命。

最后,压降降低了空压机的过滤效率。 引入压降后,相同电量生产的压缩空气减少。 基本经验法则为,1 psi 磅/平方英寸压降基本上会占用空压机制动马力的 0.5%,如图 14 所示。 例如,在某些案例中,即使 200-HP 部件油气分离器内的压降仅增加 3 psi 磅/平方英寸,每年增加的成本都可能高达 1460 美元。 

油气分离

经验法则:

1 PSI ΔP = 0.5% HP

$/Yr = 每年成本$97,329
BHP = 制动马力200
$/kwhr = 每千瓦时耗电成本0.07
m.e. = 电机效率0.94
hrs/yr = 压缩机工作小时数8760

整个 AOS 增加 3 PSI 磅/平方英寸压降 - 每年 1460 美元

图 14: 压降如何导致附加成本。
结论

将生态系统方法应用于空压机后,很明显,系统性能的高低取决于其“最弱一环”。 如果某个过滤部件的性能降低,它可能对其他部件造成不利影响,最终影响整个系统。 空压机机油是精制机油,价格高于标准润滑油,因此空压机所有者迫切希望尽可能减少损失以及尽可能提高过滤效率。 提高过滤效率可节省成本并减少工厂经营者/所有者的后顾之忧。 在唐纳森的技术与工程支持下,空压机所有者可找到基于生态系统且与过滤部件配合优良的产品解决方案,帮助优化过滤效率。

空压机过滤效率法规

受最新法规变更影响,提高空压机过滤效率对工厂所有者来说变得越加重要。 美国能源部 (DOE) 已于 2016 年 12 月颁布旋转式空压机能效标准。 DOE 估计 30 年间售出的空压机中满足新标准的空压机将节省 0.16 千万亿 BTU(英热单位),或大约 156 亿千瓦时,在此期间购买的空压机节省的净额高达 2 到 4 亿美元。 同一时期内减少的能耗还将使 CO2 排放量降低大约 820 万公吨。

加拿大标准协会还颁布了关于空压机性能改进措施的相关文档(C837-16 “Monitoring and Energy Performance of Compressed Air Systems”(压缩空气系统的监控和能效),网址为 https://store.csagroup.org/)。 该标准规定了要收集的信息,以及如何根据统一、经过验证的可重复测量方法对功率、能耗、流体、压力和产量等系统参数进行测量或计算。 其中提供了关于能效指标和能源基准定义方法的指导,其中的能效指标和能源基准将应用于整体的能耗管理系统并作为该系统的组成部分。 对于压缩空气系统,标准提出了特定的具体要求,该要求概述了统一的能效测量、估计和报告方法。

欧盟发布了要求待定的环保设计指令。 该指令规定以下内容: “应在能源相关产品的设计阶段采取措施,因为在产品生命周期中造成的污染可能是在该阶段确定的,大部分相关成本也都是确定的…确定采用的工作计划时,应将通过增加能效缓解温室气体排放视为首要环境目标。” - 集成产品政策: 以环境生命周期思想为基础建立(欧盟期刊)。

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¹ “Determine the Cost of Compressed Air for Your Plant”(确定工厂压缩空气成本),美国能源部工业技术部门。    
Scott Galloway 是唐纳森公司空压机过滤部门的全球销售经理。  他拥有 25 年的空压机行业工作经验,致力于打造节能的解决方案并建立长期的战略合作伙伴关系。
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