当压缩空气进入油水分离器后产生流向和速度的急剧变化，再依靠惯性作用，将密度比压缩空气大的油滴和水滴分离出来。常见的为撞击式油水分离器和环形回转式油水分离器。压缩空气自入口进入油水分离器壳体后，气流先受隔板阻挡撞击折回向下，继而又回升向上，产生环形回转。这样使水滴和油滴在离心力和惯性力作用下，从空气中分离析出并沉降在壳体底部，定期打开底部阀门即可排出油滴水滴，经初步净化的空气从出口送往储气罐。
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