第八章

空 氣 壓 縮 系 統民 國 99 年 12 月 14 日

壓 縮 空 氣 壓 縮 空 氣 的 定 義 壓 縮 機 內 大 氣 空 氣 、 藉 機 械 能 擠 壓 空 氣 份子 減 少 空 間 而 獲 得 較 高 壓 力 潛 能 機 械 能 轉 換 成 壓 力 能 閉 合 系 統 內 P~T / V 工 場 依 用 途 區 分 動 力 空 氣 Plant Air 儀 器 空 氣 Instrument Air

Compressed Air Generation

What happens inside a compressor ?In a compressor, atmospheric air usually achieves a higherpressure potential by means of mechanical energy.By reducing the space, the enclosed air molecules arepressed together, i.e. “compressed”.

Definition of PressureIn general:Pressure (p) =Force (F)Area (A)Dimensions:1Newton(N)1 Pascal (Pa) =1 m² (A)Conversions10 5 Pa = 1bar1 MPa = 10 bar1 hPa = 0.001 barOverpressure1 bar = 14.5 psi(g)1bar = 10197 mmWS1bar = 750.062 torr1 NA = 1 m 2

Absolute Pressure / OverpressureAbsolute pressure ...... is the pressure measured fromabsolute zero. This value isrequired for theoretical studies aswell as in vacuum and blowertechnology.Overpressure ...... is the practical referencevariable and is determinedon the basis of theatmospheric pressure.atmospheric pressure20mbar500mbarabsolute pressure pa0 bar ( (ü)1 bar ( (ü)2 bar ( (ü)1 bar (a)2 bar (a)3 bar (a)4 bar (a)3 bar ( (ü)negat. gauge press. pu overpressure pü100%vacuum98%50%0%

VolumesTemperatureAir pressureRelative airhumidityAir densityVolume acc. toDIN 1343(physicalstandard state)0°C =273,15K1.01325bar0%1.294kg/m³Volume acc. toDIN/ISO 253315°C =288.15K1.01325bar0%1.225kg/m³Volume referredto environmentalconditions (stand.conditions)AmbienttemperatureAmbient airpressureAmbient airhumidityvariableVolumereferred tooperating stateOperatingtemperatureOperatingpressurevariablevariable

Gas EquationApplicable for closed systems:p0 x V0T0p1 x V1= = R = constantT1p = Pressure (bar)V = Volume (m 3 )T = Temperature (K)R = Special gas constantbar·m³e.g. R = 28.96K= 289.6for dry airJkg·K

壓 縮 空 氣 製 造 流 程CWRAfter CoolerTo UserCompressorCWSSeparatorReceiverPA HeaderCWRTo UserCompressorCWSSeparatorReceiverDryerIA Header

氣 水 分 離 器後 級 冷 卻 器

Air Trap

自 由 浮 球 空 氣 袪 水 器 Free Float Air Trap

IA Header

儀 器 空 氣 品 質 要 求 壓 力 夠 高 且 穩 定 露 點 要 低 不 含 固 體 粒 狀 物 不 含 油 份 不 含 腐 蝕 性 物 質

Purification of Compressed Air - Why?Percentages of pollutants inatmospheric air*Organic compoundsDust 4% 6%Sulphur dioxide19%52%Carbonmonoxide* Depending on the region1412Nitrous oxides 1019% g/m³86420Jan Feb Mär Apr Mai Jun Jul Aug Sep Okt Nov DezAverage water content in the air

大 氣 中 空 氣 污 染 物 分 類‣ 依 形 態 分固 體 粒 狀 物液 體 粒 狀 物氣 態 物‣ 依 污 染 物 性 質 分有 機 物 與 無 機 物可 見 物 與 不 可 見 物毒 物 與 無 毒 物微 視 物 與 肉 眼 可 見 物腐 蝕 性 物 質 與 非 腐 蝕 性 物 質

ISO/DIN 8573.1 國 際 標 準 組 織 壓 縮 空 氣 品 質 標 準品質等級固 體 顆 粒Solid Particles水 份 @ 7BarGResidual Water油 份 ( 含 蒸 氣 )Residual oilcontentμm mg/m 3 PDP ppm.vol g/m 3 mg/m 31 0.1 0.1 -70℃ 0.3 0.0003 0.012 1 1 -40℃ 16 0.12 0.13 5 5 -20℃ 128 0.88 14 40 8 3℃ 940 6 55 - - 7℃ 1240 7.8 256 - - 10℃ 1500 9.4 -7 - Not Specified -

Design Basis forCompressed Air Pipes• Volume Flow• OperatingPressure• Pipe Length• PressureDrop

Determination of the MaximumPressure at the CompressorPressure at the consumer:Pressure drop from the consumerto the compressor station(including purification by meansof fridge dryer and filter):Operating pressure:Control rangeMax. pressure of compressorsp e= 6 barΔp= 1 barp e= 7 barΔp = 0,5 barp e= 7,5 barAttention:If the determined maximum pressure is>7,5 bar, respective measures must betaken!

Pressure Drop in Compressed Air PipesPressure is lost in:p[bar]7Pressure loss62D-Bend3D-BendT-pipeReducerExtensionBranch pieceValveFlange• long pipes• small internaldiameters• narrow pipe bends• throats• fittings andconnectionsΔp → 0 at:• ball valves withfull opening• flap valves

Standard Values for Pressure LossesPipe NetworkConnection accessoriesPer dryer (without filter)Pre-filterHeavy-duty filterActivated Carbon FilterCompressor - differentialgapΔp =(bar)0,10,5 - 0,90,1 - 0,30,1 - 0,30,1 - 0,30,1 - 0,30,1 - 0,3NotesMain pipe: 0.03 barDistribution pipe: 0.03 barConnection pipe: 0.04 barMaintenance unit, fast pipecoupling, tubeFilter element to be exchanged atΔp = 0.35 bar at the latest!Filter element to be exchanged atΔp = 0.35 bar at the latest!To be exchanged together withheavy-duty filter at the latestIncreases in case of several compressorswith cascaded control

露 點 Dew Point 空 氣 與 水 汽 的 混 合 氣 ( 或 大 氣 ),在 一 特 定 壓 力 下 冷 卻 至 開 始 析 出水 份 時 的 溫 度 稱 之 為 露 點 。 壓 力 露 點 (PDP)腐 蝕 性 氣 體 濃 度 限 制 依 廠 商 或 公 司 規 範

壓 力 露 點 與 大 氣 露 點 壓 力 露 點 Pressure Dew Point (PDP)壓 縮 空 氣 在 壓 縮 系 統 中 之 露 點 大 氣 露 點 Atmosphere Dew Point (ADP)大 氣 狀 態 下 , 空 氣 - 水 汽 混 合 氣 的 露 點

Atmospheric Dew PointExample:Pressure dew point: 0 °CWorking pressure: 7 barAtm. dew point: -20 °C72 bar35 bar14 bar7 bar2.8 barAtmosphere60Pressuredew pointin °C0--70 -20-Atmospheric dew point in °C40-70

壓 力 露 點 的 控 制 壓 縮 空 氣 中 的 含 水 量大 氣 空 氣 RH 85%PDP 20℃:14.72 g 水 /m 3 空 氣壓 縮 空 氣 中 的 含 水 量 ( 體 積 由 8m 3 壓 縮 成1m 3 )14.72×8=117.76 g (Air Temp. > 100℃)壓 縮 空 氣 經 後 級 冷 卻 器 Air Temp. 35℃?@ PDP 35℃、 RH 100%: 僅 能 含 有 40g 水117.76-40 =77.76 g 水 需 排 出

各 種 壓 力 、 溫 度 下 壓 縮 空 氣 所 含 飽 和 水 分 量0.040.01520℃ 1atm RH100%17.32g/Nm 317.32×85%RH=14.72 (PDP 17℃)14.72×8=117.76117.76-40=77.76 (35℃)表壓力-51735

Water Vapourp D0,140,120,10,080,060,040,02Saturated vapour pressure(p D in bar) dependent on theair temperature (t in °C)g/m³6005004000300-10-6-2261014182226303438424650200g/m³1010,10,01-50-40-30-20-40-10-2000204060801001000Water absorption capacity of the air dependent on the temperature in °C

壓 縮 空 氣 系 統 中 的 水 份 型 態‣ 液 態 的 水 霧 : 運 用 前 、 後 級 冷 卻 器 冷 凝 、(2/3) 氣 水 分 離 器 、 Air Trap 收 集形 成 大 水 滴 排 出‣ 氣 態 的 水 蒸 氣 : 冷 凍 、 滲 透 膜 或 吸 附 乾 燥(1/3) 方 式 移 除

Condensate DrainsTime-controlledsolenoid valveManual drainMechanical floatcontrolleddrainCondensate drain with electronic level control

露 點 控 制 方 法 化 學 乾 燥 法 [ PDP 5~7℃ @7kgcm 2 ]利 用 除 濕 劑 與 水 份 化 合 冷 凍 式 乾 燥 法 [ PDP 2~10℃ @7kgcm 2 ]低 溫 冷 媒 與 壓 縮 空 氣 熱 交 換 吸 附 式 乾 燥 法 [ PDP -70℃ @7kgcm 2 ]多 孔 性 物 質 吸 附 壓 縮 空 氣 中 水 份

吸 收吸 附熱 回 收 式 乾 燥 機

Pressure Dew Point Classes -Average Energy ConsumptionEnergy requirement by direct or indirectelectrical energy consumptionWatt/m³2014103Adsorption dryer(heatless)Adsorption dryer(external heat regeneration)Pressure dew point classCompressed air fridge dryer1 (-70°C) 2 (-40°C) 3 (-20°C) 4 (+3°C) 5 (+7°C) 6 (+10°C)Adsorption dryerMembrane dryer* Indirect electrical energy consumptionresults from the fact that additionalcompressed air is required in order tocompensate the purging and/orregeneration losses of the systems(e.g. heatless adsorption dryers).Compressed air fridge dryerMembrane dryer (for small volume flow rates only)

吸 附 劑 Adsorbent 選 用 條 件 具 有 較 大 的 比 表 面 積 具 有 選 擇 性 的 吸 附 作 用 吸 附 容 量 要 大 機 械 強 度 佳 熱 穩 定 性 佳 價 格 便 宜 來 源 廣 取 得 容 易

常 用 吸 附 劑 種 類‣ 分 子 篩 (Molecular Sieve)‣ 活 性 氧 化 鋁 (Activated Alumina)‣ 活 性 碳 (Activated Carbon)‣ 矽 膠 (Silica Gel)

空 氣 乾 燥 機• 主 要 考 量 條 件 :• (1). 流 量 大 小• (2). 壓 力 露 點 要 求• (3). 入 口 壓 力 與 入 口 溫 度• (4). 環 境 溫 度 或 冷 卻 水 溫 度• (5). 最 高 容 許 壓 力 降

空 氣 乾 燥 機 再 生 方 式 常 用 : 冷 凍 式 、 吸 附 式 兩 種 吸 附 式 : 依 再 生 方 式 分A. 無 熱 式B. 加 熱 式a. 內 部 加 熱 式b. 外 部 加 熱 式 ( 熱 回 收 式 )

內 部 加 熱 式 乾 燥 機

UpperManifoldOutletAssemblyAdjustableOrificeLower AssemblyLower Manifold

Demister

空 壓 機 的 種 類• 以 壓 縮 空 氣 是 否 與 潤 滑 油 的 混 合 來 區 分 :• 有 油 式• 無 油 式• 以 壓 縮 的 方 式 來 區 分 :• 定 排 量 式 空 壓 機 (Positive DisplacementCompressor)• 往 復 式 及 螺 旋 式• 動 能 式 空 壓 機 (Dynamic Compressor)• 離 心 式• 以 冷 卻 的 方 式 來 區 分 空 壓 機 可 以 分 為 :• 水 冷 式• 氣 冷 式

• 以 安 裝 的 方 式 來 區 分 空 壓 機 可 以 分 為 :• 移 動 式 空 壓 機• 固 定 式 空 壓 機• 以 壓 縮 的 段 數 來 區 分 空 壓 機 可 以 分 為 :• 單 段 式 空 壓 機• 多 段 式 空 壓 機• 以 壓 縮 的 方 法 ( 往 復 式 ) 來 區 分 空 壓 機 可 以 分 為 :• 單 動 式 空 壓 機• 複 動 式 空 壓 機

Compressed Air MotorsGear motorLamellae airmotorPiston motorScrew motorTurbine motorFrom: Compressed Air Manual

Compressor typesCOMPRESSORSPositive type compressorsTurbo compressorsOscillatingRotatingRadialAxialPistonMembraneSingle shaftTwo-shaft~Sliding vaneSpiralcompressorDrehzahnPivotcompressorScrewRotary piston

儀 器 空 氣 定 義 :供 儀 控 系 統 使 用 、 乾 燥 過 的 壓 縮 空 氣 介 質 : 壓 力 數 值 反 應 製 程 程 序 變 數Process Variable 變 化 或 將 控 制器 欲 改 變 製 程 程 序 變 數 信 號 傳遞 至 接 收 儀 器 能 量 : 作 動 最 終 機 構 動 力

儀 控 系 統 之 演 進‣ 傳 統 空 氣 式‣ 單 回 路 電 子 式‣ 可 程 式 邏 輯 控 制 器 PLC‣ 分 散 式 控 制 系 統 DCS‣ 通 訊 協 定 傳 送 Fieldbus

Fieldbus ? 德 國 Siemens 所 研 發 的 歐 洲 標 準 系 統 運 用 網 路 技 術 替 代 傳 統 式 輸 配 線 利 用 網 路 架 構 數 位 雙 向 傳 輸 信 號 替代 4~20mA 類 比 信 號 的 一 種 裝 置 具 數 位 儀 器 診 斷 維 護 製 程 數 據 資 訊管 理 能 力

HART可 尋 址 遠 程 轉 換 器 高 速 通 道 的 開 放 通 信 協 議DVC6000 Series

頻 移 鍵 控 信 號FrequencyShift KeyingHART/FSK Techniqe在 低 頻 4-20mA 模 擬信 號 上 疊 加 幅 度 為0.5mA 音 頻 數 位 信 號進 行 雙 向 數 位 通 信