壓縮空氣系統氣動(dòng)效率研究

　　著(zhù)重要意義。
　　完整壓縮空氣系統由空氣壓縮機組、后處理設備、輸送管路、壓力控制、氣動(dòng)元器件組成，即壓縮空氣氣動(dòng)系統。系統工作原理是：壓縮機將空氣壓縮至額定壓力，后處理設備加以處理，管網(wǎng)(Pipe Network)輸送至用氣單位，再經(jīng)調節到使用壓力，驅動(dòng)氣動(dòng)工具、元器件工作，典型系統如所示。
　　典型壓縮空氣氣動(dòng)系統示意隨著(zhù)對節能的重視，越來(lái)越多的人開(kāi)始對壓縮空氣系統輸出氣動(dòng)效率進(jìn)行研究，由于過(guò)程(guò chéng)復雜，很難得到精確、清晰的結果。很多人對氣動(dòng)系統效率只有大概、模糊概念，缺少準確的量化認識。
　　本文旨在通過(guò)(tōng guò)PV圖熱力學(xué)分析，對壓縮、氣動(dòng)過(guò)程(guò chéng)進(jìn)行研究，精確確定系統各種狀況過(guò)程的輸出能源（解釋:向自然界提供能量轉化的物質(zhì))效率，并可通過(guò)圖示直觀(guān)顯示(display)。目的是使得大家明確系統各形式、過(guò)程效率，對系統進(jìn)行優(yōu)化技術(shù)要求、設計參數，合理選用高效（指效能高的）氣動(dòng)工具、元器件；也為目前研究壓縮空氣作為動(dòng)力驅動(dòng)、儲能，提供。
　　2壓縮空氣(Basin air)系統能量分析壓縮空氣系統中壓縮空氣能量是由焓、運動(dòng)能和勢能組成。壓縮空氣輸送、使用過(guò)程，運動(dòng)能和勢能比較小以致可以忽略不計。流動(dòng)壓縮空氣的能量公式為：Cp―等壓比熱0空氣溫度為了便于分析，本文將壓縮空氣系統內的能量轉換，簡(jiǎn)化認為是壓縮機組做功將空氣壓縮，能量?jì)Υ娴綁嚎s空氣中，壓縮空氣對氣動(dòng)工具、元器件釋放能量輸出機械功，實(shí)現動(dòng)力(dòng lì)傳遞。本文通過(guò)分析壓縮空氣體積V的壓縮或膨脹、壓力P變化過(guò)程來(lái)實(shí)現分析系統的能量過(guò)程。
　　效能概念。壓縮空氣的對外做功能力，即壓縮空氣所含焓中可轉換成機械能的部分，該部分能量(energy)稱(chēng)為壓縮空氣的有效能。有效能是在相對環(huán)境下，壓縮空氣在等溫膨脹下的做功能力，是壓縮空氣理想做功能力。
　　壓縮空氣流(airflow)束所含的有效氣動(dòng)動(dòng)力為：一壓縮空氣絕對壓力一壓縮空氣容積流量一空氣體積P.――大氣壓力式（2）、（3）可以用來(lái)計算系統中各過(guò)程(guò chéng)的壓縮空氣有效能。
　　系統熱力學(xué)過(guò)程PV圖如所示。昆山空壓機是一種用以壓縮氣體的設備?？諝鈮嚎s機與水泵構造類(lèi)似。大多數空氣壓縮機是往復活塞式，旋轉葉片或旋轉螺桿。離心式壓縮機是非常大的應用程序。
　　系統熱力學(xué)基本過(guò)程PV圖般壓縮機（以螺桿(Screw)壓縮機為例）熱力學(xué)工作過(guò)程為：1-2-3-4方向，對氣體做的功為：1-2-3-4 -1面積5.氣動(dòng)有效能熱力學(xué)工作過(guò)程為：4-5-2-1方向，氣體做的機械功量為：4-5 -4面積，這是等溫膨脹過(guò)程，等于等溫壓縮功，是個(gè)理想過(guò)程。昆山空壓機保養主要噪聲源是進(jìn)、排氣口，應選用適宜的進(jìn)排氣消聲器?？諌簷C進(jìn)氣噪聲的頻譜呈低頻特性，進(jìn)氣消聲器應選用抗性結構或以個(gè)、抗性為主的阻抗復合式結構?？諌簷C的排氣氣壓大，氣流速度高，應在空壓機排氣口使用小孔消聲器
　　3典型壓縮(compression)空氣系統氣動(dòng)過(guò)程為了能對效率得到直觀(guān)認識，本文PV圖示將全部按比例做出，可以通過(guò)圖示面積比較顯示。為方便(圖示分析，PV圖中氣動(dòng)單元空氣量與壓縮單元空氣量相同；氣動(dòng)元器件選擇氣動(dòng)氣缸(壓縮空氣)、氣馬達，以其的熱力學(xué)過(guò)程為例分析。
　　典型壓縮空氣氣動(dòng)系統(system)為：壓縮機(compressor)組一后處理設備一壓力調節裝置一氣動(dòng)機械及管路，如所示。本文主要對壓縮空氣后處理、輸送，壓力調節控制、氣動(dòng)原理的熱力學(xué)過(guò)程能源效率(efficiency)研究。壓縮機技術(shù)(technology)已經(jīng)很成熟，效率狀況很明確，本文簡(jiǎn)化用壓縮機比功率得出（因機組輸入比功率實(shí)際反映壓縮機的能效狀況，本文提及的比功率，全部為機組輸入比功率）。
　　目前動(dòng)力用空氣(Basin air)壓縮機，螺桿壓縮機占據大多數，本分析以螺桿壓縮機示功圖為例，分析壓縮過(guò)程及比功率值、壓縮過(guò)程效率。壓縮機、氣動(dòng)過(guò)程PV圖，壓縮空氣作為理想氣體，過(guò)程為理想狀況，沒(méi)有壓力損失。壓縮機的各種能量損失統在比功率中考慮（包含透平壓縮機在內的其它類(lèi)型壓縮機，大家可以通過(guò)比功率比較，得到壓縮過(guò)程效率）。
　　系統參數取一般壓縮空氣動(dòng)力系統，壓縮機進(jìn)氣壓力(pressure)為：0.1MPa，輸出壓力為：0.8MPa（本文所述及圖中壓力均絕對壓力），空氣壓縮性指數為：n =1.1，PV示功圖如所示。昆山空壓機維修工作時(shí)，空氣經(jīng)過(guò)自潔式空氣過(guò)濾器被吸入，通過(guò)PLC自動(dòng)清洗過(guò)濾器，空氣在經(jīng)過(guò)進(jìn)口導葉自動(dòng)調節后進(jìn)入一級壓縮，經(jīng)一級壓縮后的氣體溫度較高，然后進(jìn)入中間冷卻器進(jìn)行冷卻(水走管內，氣走管外，中冷器的水流量要求為110m/h)之后進(jìn)入二級壓縮系統壓縮機的機組輸入比功率范圍在5.6~17.4kWm3/min），微型壓縮機的比功率值大，大型離心(Centrifugal)壓縮機的比功率值小。本文取具有代表性55~90kW螺桿壓縮機的2級能效值6.9kW/（m3/min）可作為壓縮機的比功率平均值，用于計算效率。
　　-2-3-4-1為壓縮(compression)機對空氣的壓縮過(guò)程，壓縮機對空氣做功量Wm為1 -2-3-4-1的面積；壓縮機對空氣做功效率為55.9%.下面分兩種情況進(jìn)行分析：（1）壓縮空氣輸送壓力損失。壓縮空氣經(jīng)過(guò)后處理、管路輸送，存在壓力損失；（2）用氣壓力損失。用氣單位(unit)在控制調節、用氣時(shí)，會(huì )再出現壓力損失。
　　3.1壓縮空氣輸送(delivery)壓力損失狀況實(shí)際運行中，壓縮機輸出(Output)壓縮空氣后，經(jīng)過(guò)后處理設備(shèbèi)、管路，都會(huì )有壓力損失，通常出現0.1MPa的壓差是正常的，若系統設計、運行管理不合理，則會(huì )出現很大壓差。下面對出現的幾種壓差值損失輸出能源效率進(jìn)行分析。
　　壓縮空氣被生產(chǎn)后，經(jīng)過(guò)冷卻，再經(jīng)后處理。
　　在輸送過(guò)程，管路比較長(cháng)，壓縮空氣會(huì )進(jìn)步冷卻。本文假設管路輸送過(guò)程與環(huán)境充分換熱，冷卻到與環(huán)境相同溫度，即=T通常的氣動(dòng)氣缸、氣電動(dòng)機、發(fā)動(dòng)機，壓縮空氣工作(gōng zuò)是接近等壓驅動(dòng)過(guò)程。本文氣動(dòng)氣缸、氣馬達作為典型，以等壓過(guò)程研究（research)。
　?。?）假設壓縮空氣(Basin air)輸送沒(méi)有壓力損失，如-2-5-4為理想等溫壓縮過(guò)程，壓縮空氣的有效能等于等溫壓縮功為：1 -2-5-4-1的面積也就是公式（2）表示的有效能，是壓縮空氣可以對外做出的最大功，也是氣動(dòng)可能獲得最大的能量。計算得出理想的壓縮空氣系統有效能效率為50.6%.壓縮空氣氣動(dòng)做功膨脹基本都沒(méi)有得到利用2，熱力學(xué)過(guò)程為4-5-6-1過(guò)程；系統輸出(Output)氣動(dòng)能為4 -5-6-1-4的面積，圖中網(wǎng)格面積；系統輸出氣動(dòng)能量效率為21.1%（2）壓縮空氣輸送出現壓力損失時(shí)，5、6、7、8所示。壓縮空氣做功為5-6-7-1過(guò)程；壓縮空氣的有效能量疋為5-6-7-1 -5的面積，即圖中網(wǎng)格面積。下面是在幾種壓力損失時(shí)，壓縮空氣對氣動(dòng)元件輸出能量效率狀況。
　　=0.7MPa，見(jiàn)，系統輸出氣動(dòng)能量效率：20.7%；當壓力(pressure)損失為0.2MPa，即：Pd-P！=0.2MPa，P3=Pi=0.6MPa，見(jiàn)，系統輸出氣動(dòng)能量效率：20.1%管網(wǎng)(Pipe Network)無(wú)壓力損失時(shí)系統PV圖管網(wǎng)0.2MPa壓力損失時(shí)系統PV圖合理的配管、接頭，出現不該有的過(guò)大減壓，這個(gè)過(guò)程往往是絕熱膨脹、或接近絕熱的吸熱膨脹，由于過(guò)程很短，壓縮空氣不能較好得到換熱。昆山空壓機維修在啟動(dòng)前，首先啟動(dòng)油泵控制系統，油泵控制系統啟動(dòng)后保證空壓機各潤滑部件潤滑良好，同時(shí)油泵控制系統可通過(guò)內置的溫控閥來(lái)調節內部油壓和油溫，以滿(mǎn)足系統需要。為方便分析，本文把用氣單位(unit)壓力損失作為絕熱膨脹過(guò)程研究。
　　下面過(guò)程取輸送壓力損失為0. 7MPa），用氣單位出現幾種壓力損失值時(shí)，壓縮空氣對氣動(dòng)元件輸出(Output)能效率狀況。如~12，6-7為絕熱膨脹線(xiàn)，壓縮空氣做功為9 -7-8-1過(guò)程；壓縮空氣的有效能量疋為9-7-8-1-9的面積，即圖中網(wǎng)格面積。
　　量效率：19.3%；=0.4MPa，見(jiàn)，系統輸出(Output)氣動(dòng)能量效率：18.1%；量效率：16.1%. 3.2用氣單位壓力損失狀況壓縮空氣(Basin air)系統中，用氣單位在接近氣動(dòng)元器件時(shí)，會(huì )安裝壓力調節控制元件(element)，還大量的出現不為了分析方便，本文將未作分析各項過(guò)程設想為理想狀態(tài)，實(shí)際過(guò)程非常復雜，還有多種影響壓縮空氣系統氣動(dòng)效率的因素，系統還有很多能量損失，如其中比較大的有：（1）通常有10%~30%的泄漏損失6‘7；（2）壓縮機機組氣量減荷，效率損失有5%~20%；（3）壓縮機運行參數不合理會(huì )有3%~10%效率損失，如：8MPa壓力空氣壓縮機，運行壓力每上升0.1MPa，將增加能耗6%左右。因此，可以得出系統實(shí)際運行中，輸出氣動(dòng)能量效率會(huì )比上節所述效率還要低20%左右，甚至更多。
　　由于壓縮機(compressor)的效率(efficiency)不同，壓縮機對空氣做功效率差異也非常(very much)大，大型壓縮機效率比較高，小型壓縮機效率要低很多。如果系統使用的是小型壓縮機，效率甚至只有本文計算的1/2左右。
　　實(shí)際的壓縮空氣氣動(dòng)系統，氣動(dòng)工具及元器件的機械(machinery)損失及配管內殘余空氣的排放引起的損失，對系統效率都有很大影響。根據8，氣動(dòng)氣缸驅動(dòng)系統的效率僅為6%.現在出現各種節能型式研究（research)熱潮，不少人在進(jìn)行壓縮空氣儲能研究。其中有為了平衡用電等情況，在用電低谷時(shí)，將電能轉化壓縮空氣能量?jì)δ?，用電高峰時(shí)，再釋放壓縮空氣轉化為電能及其它能量；還有一種是，將電能轉化為壓縮空氣能量?jì)Υ?，用于驅?dòng)汽車(chē)、輪船等。由于是高壓儲氣，高壓壓縮機(compressor)的較低效率和儲能釋放前的減壓損失，都會(huì )使系統效率下降。
　　本文通過(guò)TV圖示方法分析壓縮空氣系統氣動(dòng)熱力學(xué)過(guò)程，提供了方便、直觀(guān)認識壓縮空氣系統輸出(Output)氣動(dòng)能量(energy)效率(efficiency)、影響效率因素的方法；通過(guò)對典型參數系統為例分析，獲得對壓縮空氣系統氣動(dòng)效率狀況明確地認識。昆山空壓機維修工作時(shí)，空氣經(jīng)過(guò)自潔式空氣過(guò)濾器被吸入，通過(guò)PLC自動(dòng)清洗過(guò)濾器，空氣在經(jīng)過(guò)進(jìn)口導葉自動(dòng)調節后進(jìn)入一級壓縮，經(jīng)一級壓縮后的氣體溫度較高，然后進(jìn)入中間冷卻器進(jìn)行冷卻(水走管內，氣走管外，中冷器的水流量要求為110m/h)之后進(jìn)入二級壓縮系統