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1.1空气与压缩空气在地球引力作用下，大量气体聚集在地球周围，形成数千公里的大气层。气体密度随离地面高度的增加而变得愈来愈稀薄。探空火箭在3000公里高空仍发现有稀薄大气，有人认为，大气层的上界可能延伸到离地面6400公里左右。地表大气平均压力为1个大气压，相当于每平方厘米地球表面包围1034g空气。地球总表面积为510100934平方公里，所以大气总质量约为5.2×1015吨，差不多占地球总质量的百万分之一，大气随高度的增加而逐渐稀薄，50%的质量集中在30km以下的范围内。高度100km以上的空气质量仅是整个大气圈质量的百万分之一。地面的大气是多种气体的混合物，其中：氮78%、氧21%、氩0.93%、二氧化碳0.03%、氖0.0018%，此外还有其他惰性气体、臭氧、水气和尘埃等。由于环境污染，目前空气还含有二氧化硫、氮氧化物、一氧化碳等有毒气体。干空气的分子量为28.96，在0℃、760mmHg柱时的密度为1.293g/m3。空气经过机械压缩以后就成了压缩空气，用作生产压缩空气的设备通常称为空气压缩机。人类很早就懂得使用压缩空气，现在压缩空气已是人类生产、生活中一种不可缺少的动力。随着现代工业的不断发展，对压缩空气质量的要求也越来越高，而且呈多样化。现代产业对压缩空气的要求可分为以下几个方面：1）压力、流量的要求：任何需要压缩空气的场合对压缩空气的压力和流量都是有要求的。目前最普遍的压力值在0.7MPa（g）左右。在一些特殊场合如玻璃行业，对压缩空气的压力要求可能为0.2-0.4MPa（g）左右；在某些军工企业，对压缩空气压力要求可能在几十MPa。市场上有各种各样的空气压缩机可以来满足这些要求。2）干燥度（即含水量或露点温度）的要求：不同的工艺对压缩空气露点温度要求也不同，如用作仪表方面的压缩空气压力露点一般要求在-40℃以下，而在半导体芯片厂对压缩空气的压力露点可能要求在-70℃，但在多数场合，对压缩空气的露点温度要求在0℃以上就已足够。压缩空气的露点要求通常由干燥机来实现。3）清洁度的要求（相对比较复杂，包括：固体物、油雾、微生物、有害气体等）：由压缩空气过滤器来解决。1.2压力、流量与温度压力、流量与温度是压缩空气的三个基本指标。由于地球引力的作用，地球表面的大气层对地球表面或表面物体所造成的压力称为“大气压”。由于地球表面的海拔高度不同，所处不同高度的空气密度不同，所以，处在不同高度上的物体受到的大气压力的大小也不同。所谓标准大气压力是指在摄氏零度（0℃）条件下，在纬度45度的海平面上，所受到的大气压力（干燥空气），经测量标准大气压力等于760mmHg（汞）/cm2，即每平方厘米承受760mmHg的压力，我们可以换算为kgf（千克力）：76cm×13.6gf/cm3=1033.6gf/cm2＝1.0336kgf/cm2。一个标准大气压力相当于每平方厘米承受1.0336kg，约1公斤压力。压力的法定单位是帕斯卡（Pa）：1Pa=1N/m2（牛顿/平方米）。工程上常用的是兆帕（MPa）：1MPa=106Pa。也有人习惯用kgf/cm2（千克力/平方厘米）作压力单位，而且f经常省略：1kgf/cm2＝0.098Mpa。1个标准大气压力=1.00336×0.098MPa=0.10108MPa≈0.1Mpa。国外也有用巴(bar)和psi作为压缩空气压力单位的，这些单位与MPa的关系如下：1bar=0.1MPa1psi=0.006895Mpa气体在容器内的压力，在实际应用中有两种不同的表示方法，一种是直接表示气体施于器壁上的压力大小的实际数值，叫做绝对压力，用符号“P(a)”表示；另一种是用压力表测量压力值时的显示值，叫做表压力，用符号“P(g)”表示。当绝对压力高于当地大气压时，压力表所指示的数值为正值，这时：P(a)=B+P(g)（B——当地大气压力）压缩空气的流量用Nm3/min或用Nm3/h来表示，通常表示空气在“空气压缩机吸气状态”下的容积流量。国家标准GB3853对一般容积式空气压缩机的吸气状态规定为：空气温度t=20℃，绝对压力P=0.1MPa，相对湿度φ=0％（标准状态）。空压机厂家对其产品宣传资料中空压机的排气量是基于什么吸气状态下一般都没有表明。为了与空压机配套，压缩空气干燥机和过滤器等后处理设备的处理能力都是以空气标准状态下的流量来标注的，单位中的N就是表示标准状态，不过N常常被省略。在国外，一些国家习惯用cfm（每分钟立方英尺）表示压缩空气的流量，cfm与m3/min的换算关系是：1m3/min=35.315cfm按照某空压机制造商提供的经验数据，一台排气压力为0.7MPa的空压机，每马力（空压机之电动机的功率，1马力=0.75千瓦）可生产0.1416m3的压缩空气，也就是生产1m3、0.7MPa的压缩空气需要5.3kw的电能。在压缩空气系统中存在压力降，每0.007MPa的压力降，需要损耗0.7%的功率。温度反映了物质分子热运动状况，温度单位有“绝对温度”、“摄氏温度”和“华氏温度”三种。绝对温度：以气体分子停止运动时的最低极限温度为起点的温度，以T表示，单位为“开（开尔文）”，单位符号为K。摄氏温度：以冰的融点为起点的温度，单位为“摄氏度”，单位符号为℃。华氏温度：一些欧美的习惯用法，单位符号为F。这三种温度单位之间的换算关系：T（K）＝t（℃）＋273.16t（F）=1.8t(℃)＋321.3固体杂质现在我们周围的空气中含有大量的悬浮物，我国的《环境质量空气标准》把悬浮物作为衡量空气质量的一项重要指标。该标准把当量直径≤100μm的所有悬浮物称为“总悬浮物”，把当量直径≤10μm的悬浮物称为“可吸入颗粒物”。空气中的悬浮物种类多样，但可按照粒子的大小来细分。在流动的空气中悬浮物不容易沉降，在静止的空气中能缓慢沉降。悬浮物的来源很多，如：烟煤燃烧时排出的烟尘、汽车排出的尾气、建筑工地、工厂等等都可产生悬浮物。人的肉眼能看见的最小的物体为30-40μm，人的头发直径为100μm左右，而空气中的绝大部分悬浮物人是看不到的。对空气中的悬浮物我们在《过滤器》中还有描述。1.4水1.4.1与水有关的概念自然界几乎没有绝对干燥的空气。在雾天，空气中的气体水凝结成了水雾，并形成了气溶胶。由于空气中水的存在，因此压缩空气中必然也有水。衡量空气含水量的单位有：水蒸气分压力、绝对湿度、相对湿度、含湿量、露点温度等，下面我们作一一说明：湿空气是水蒸气与干空气的混合物，在一定体积的湿空气里水蒸气所占的份量（以重量计）通常比干空气要少得多，但按“气体定律”它占有与干空气相同的体积，也具有相同的温度。湿空气所具有的压力是各组成气体（即干空气与湿空气）分压力的和。湿空气中水蒸气所具有的压力，称为水蒸气分压，记作Pw（注），其值可反映湿空气中水蒸气含量，饱和空气中水蒸气分压力叫饱和水蒸气分压，记作Pws。其他表示水在压缩空气中含量的参数都是由水蒸气分压计算而得的。注：符号Pw中的w指水（water），Pws中的S指饱和状态（saturation），下同。表示空气干湿程度的物理量叫“湿度”。常用的湿度表示方法有“绝对湿度”、“相对湿度”和“含湿量”三种。绝对湿度是指空气中的水蒸气质量与体积的比率，通常用X表示，单位为kg/m3或g/m3。我们可用气体状态方程计算F1.4.1式中：mw——水蒸气质量kgV——湿空气体积m3Pw——水蒸气压力PaRw——水蒸气气体常数（426.05J/kgK）T——绝对温度K绝对湿度只表明单位体积湿空气中含有多少水蒸气，不能表示湿空气的饱和程度。从式1.4.1中可以看出，绝对湿度就是湿空气中水蒸气的密度。饱和空气的绝对湿度（水蒸气密度）是有极限的。在气动压力（2MPa）范围内，可认为饱和空气中水蒸气的密度只取决于温度的高低而和空气压力大小无关，温度越高，饱和水蒸气的密度越大（这是因为压缩空气中水蒸气分压的大小取决于温度，而绝对湿度是通过水蒸气分压计算而得）。相对湿度是空气的绝对湿度与相同压力、温度下的饱和绝对湿度之比值。通常用φ表示，单位为%。F1.4.2相对湿度φ值在0－100％之间。在一定压力和温度下：φ值越小，空气越干燥，吸水能力越强。φ值越大，空气越潮湿；吸水能力越弱。我们容易得到相对湿度为100%的空气，不可能得到相对湿度为0%的空气。“含湿量”可分为“质量含湿量”和“容积含湿量”两种。1kg干空气含有水蒸气的重量叫做“质量含湿量”，常用dm来表示，单位为g/kg（干空气）或kg/kg（干空气），我们可通过水蒸气分压计算而得：kg/kg(干空气)F1.4.31m3干空气中所含有的水蒸气重量叫做“容积含湿量”，可用dv表示，单位为g/m3或kg/m3(干空气)。kg/m3（干空气）F1.4.4从式F1.4.3可以看出，质量含湿量dm几乎同水蒸气分压力Pw成正比，而同空气总压力P成反比。dm确切反映了空气中含有的水蒸气量的多少。由于在某一地区，大气压力基本上是定值，所以空气含湿量仅同水蒸气分压力Pw有关。质量含湿量常用在压缩空气干燥机的设计计算中，而容积含湿量常用在销售工作中。两者的关系如式1.4.4所示。按ISO8573.1-2001的规定，压缩空气的标准状态为：表1-1标准工况空气温度20℃空气压力1bar绝对压力水蒸气分压0*1bar=0.1MPa因此按F4.3计算所得的质量含湿量，再按F4.4乘上标准状态下的空气密度：1.205kg/m3即得压缩空气的容积含湿量，单位为：kg/m3（标准工况）。第3章中列出了0.101325MPa（a）压力下不同温度空气中饱和含水量。一定压力下，未饱和空气在保持水蒸气分压不变（即保持绝对含水量不变）情况下降低温度，使之达到饱和状态时的温度叫“露点温度”。温度降至露点温度时，湿空气中便有凝结水滴析出（称为“结露”），此时空气的相对湿度为100%。空气压力为1个大气压时称为“大气露点”（也称“常压露点”，按照ISO8573.12.10.1规定大气露点不应用在压缩空气的干燥方面），压缩空气的露点温度称为此压力下的“压力露点”。湿空气的露点温度与湿空气中水分含量的多少有关。因此压力露点温度是所有压缩空气干燥机的一个关键性能指标。我们周围空气中的水分含量与环境温度和相对湿度有关，环境温度决定了饱和水蒸气分压的大小，相对湿度表明了空气的饱和程度。每个地区一年四季空气中的含水量不同地区也不一样。具体参见表1-2。因此按F4.3计算所得的质量含湿量，再按F4.4乘上标准状态下的空气密度：1.205kg/m3即得压缩空气的容积含湿量，单位为：kg/m3（标准工况）。第3章中列出了0.101325MPa（a）压力下不同温度空气中饱和含水量。一定压力下，未饱和空气在保持水蒸气分压不变（即保持绝对含水量不变）情况下降低温度，使之达到饱和状态时的温度叫“露点温度”。温度降至露点温度时，湿空气中便有凝结水滴析出（称为“结露”），此时空气的相对湿度为100%。空气压力为1个大气压时称为“大气露点”（也称“常压露点”，按照ISO8573.12.10.1规定大气露点不应用在压缩空气的干燥方面），压缩空气的露点温度称为此压力下的“压力露点”。湿空气的露点温度与湿空气中水分含量的多少有关。因此压力露点温度是所有压缩空气干燥机的一个关键性能指标。我们周围空气中的水分含量与环境温度和相对湿度有关，环境温度决定了饱和水蒸气分压的大小，相对湿度表明了空气的饱和程度。每个地区一年四季空气中的含水量不同地区也不一样。具体参见表1-2。表1-2我国主要城市空气湿度参数地名大气压力（kPa）室外温度(℃)夏季含量(g/kg干)冬季含水量(g/kg干)冬季夏季冬季夏季拉萨65.0065.23-8.0022.805.900.5250乌鲁木齐91.9990.67-27.0034.106.900.2576西宁77.5177.35-15.0025.907.800.4939兰州85.1484.31-13.0030.5010.600.7175呼和浩特90.0988.94-22.0029.9011.600