壓縮空氣系統(tǒng)氣動效率研究

　　著重要意義。
　　完整壓縮空氣系統(tǒng)由空氣壓縮機組、后處理設(shè)備、輸送管路、壓力控制、氣動元器件組成，即壓縮空氣氣動系統(tǒng)。系統(tǒng)工作原理是：壓縮機將空氣壓縮至額定壓力，后處理設(shè)備加以處理，管網(wǎng)(Pipe Network)輸送至用氣單位，再經(jīng)調(diào)節(jié)到使用壓力，驅(qū)動氣動工具、元器件工作，典型系統(tǒng)如所示。
　　典型壓縮空氣氣動系統(tǒng)示意隨著對節(jié)能的重視，越來越多的人開始對壓縮空氣系統(tǒng)輸出氣動效率進行研究，由于過程(guò chéng)復(fù)雜，很難得到精確、清晰的結(jié)果。很多人對氣動系統(tǒng)效率只有大概、模糊概念，缺少準(zhǔn)確的量化認(rèn)識。
　　本文旨在通過(tōng guò)PV圖熱力學(xué)分析，對壓縮、氣動過程(guò chéng)進行研究，精確確定系統(tǒng)各種狀況過程的輸出能源（解釋:向自然界提供能量轉(zhuǎn)化的物質(zhì))效率，并可通過圖示直觀顯示(display)。目的是使得大家明確系統(tǒng)各形式、過程效率，對系統(tǒng)進行優(yōu)化技術(shù)要求、設(shè)計參數(shù)，合理選用高效（指效能高的）氣動工具、元器件；也為目前研究壓縮空氣作為動力驅(qū)動、儲能，提供。
　　2壓縮空氣(Basin air)系統(tǒng)能量分析壓縮空氣系統(tǒng)中壓縮空氣能量是由焓、運動能和勢能組成。壓縮空氣輸送、使用過程，運動能和勢能比較小以致可以忽略不計。流動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(tǒng)內(nèi)的能量轉(zhuǎn)換，簡化認(rèn)為是壓縮機組做功將空氣壓縮，能量儲存到壓縮空氣中，壓縮空氣對氣動工具、元器件釋放能量輸出機械功，實現(xiàn)動力(dòng lì)傳遞。本文通過分析壓縮空氣體積V的壓縮或膨脹、壓力P變化過程來實現(xiàn)分析系統(tǒng)的能量過程。
　　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(zhuǎn)換成機械能的部分，該部分能量(energy)稱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)束所含的有效氣動動力為：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）可以用來計算系統(tǒng)中各過程(guò chéng)的壓縮空氣有效能。
　　系統(tǒng)熱力學(xué)過程PV圖如所示。昆山空壓機是一種用以壓縮氣體的設(shè)備?？諝鈮嚎s機與水泵構(gòu)造類似。大多數(shù)空氣壓縮機是往復(fù)活塞式，旋轉(zhuǎn)葉片或旋轉(zhuǎn)螺桿。離心式壓縮機是非常大的應(yīng)用程序。
　　系統(tǒng)熱力學(xué)基本過程PV圖般壓縮機（以螺桿(Screw)壓縮機為例）熱力學(xué)工作過程為：1-2-3-4方向，對氣體做的功為：1-2-3-4 -1面積5.氣動有效能熱力學(xué)工作過程為：4-5-2-1方向，氣體做的機械功量為：4-5 -4面積，這是等溫膨脹過程，等于等溫壓縮功，是個理想過程。昆山空壓機保養(yǎng)主要噪聲源是進、排氣口，應(yīng)選用適宜的進排氣消聲器?？諌簷C進氣噪聲的頻譜呈低頻特性，進氣消聲器應(yīng)選用抗性結(jié)構(gòu)或以個、抗性為主的阻抗復(fù)合式結(jié)構(gòu)?？諌簷C的排氣氣壓大，氣流速度高，應(yīng)在空壓機排氣口使用小孔消聲器
　　3典型壓縮(compression)空氣系統(tǒng)氣動過程為了能對效率得到直觀認(rèn)識，本文PV圖示將全部按比例做出，可以通過圖示面積比較顯示。為方便(圖示分析，PV圖中氣動單元空氣量與壓縮單元空氣量相同；氣動元器件選擇氣動氣缸(壓縮空氣)、氣馬達，以其的熱力學(xué)過程為例分析。
　　典型壓縮空氣氣動系統(tǒng)(system)為：壓縮機(compressor)組一后處理設(shè)備一壓力調(diào)節(jié)裝置一氣動機械及管路，如所示。本文主要對壓縮空氣后處理、輸送，壓力調(diào)節(jié)控制、氣動原理的熱力學(xué)過程能源效率(efficiency)研究。壓縮機技術(shù)(technology)已經(jīng)很成熟，效率狀況很明確，本文簡化用壓縮機比功率得出（因機組輸入比功率實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）。
　　目前動力用空氣(Basin air)壓縮機，螺桿壓縮機占據(jù)大多數(shù)，本分析以螺桿壓縮機示功圖為例，分析壓縮過程及比功率值、壓縮過程效率。壓縮機、氣動過程PV圖，壓縮空氣作為理想氣體，過程為理想狀況，沒有壓力損失。壓縮機的各種能量損失統(tǒng)在比功率中考慮（包含透平壓縮機在內(nèi)的其它類型壓縮機，大家可以通過比功率比較，得到壓縮過程效率）。
　　系統(tǒng)參數(shù)取一般壓縮空氣動力系統(tǒng)，壓縮機進氣壓力(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(shù)為：n =1.1，PV示功圖如所示。昆山空壓機維修工作時，空氣經(jīng)過自潔式空氣過濾器被吸入，通過PLC自動清洗過濾器，空氣在經(jīng)過進口導(dǎo)葉自動調(diào)節(jié)后進入一級壓縮，經(jīng)一級壓縮后的氣體溫度較高，然后進入中間冷卻器進行冷卻(水走管內(nèi)，氣走管外，中冷器的水流量要求為110m/h)之后進入二級壓縮系統(tǒng)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%.下面分兩種情況進行分析：（1）壓縮空氣輸送壓力損失。壓縮空氣經(jīng)過后處理、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(diào)節(jié)、用氣時，會再出現(xiàn)壓力損失。
　　3.1壓縮空氣輸送(delivery)壓力損失狀況實際運行中，壓縮機輸出(Output)壓縮空氣后，經(jīng)過后處理設(shè)備(shèbèi)、管路，都會有壓力損失，通常出現(xiàn)0.1MPa的壓差是正常的，若系統(tǒng)設(shè)計、運行管理不合理，則會出現(xiàn)很大壓差。下面對出現(xiàn)的幾種壓差值損失輸出能源效率進行分析。
　　壓縮空氣被生產(chǎn)后，經(jīng)過冷卻，再經(jīng)后處理。
　　在輸送過程，管路比較長，壓縮空氣會進步冷卻。本文假設(shè)管路輸送過程與環(huán)境充分換熱，冷卻到與環(huán)境相同溫度，即=T通常的氣動氣缸、氣電動機、發(fā)動機，壓縮空氣工作(gōng zuò)是接近等壓驅(qū)動過程。本文氣動氣缸、氣馬達作為典型，以等壓過程研究（research)。
　?。?）假設(shè)壓縮空氣(Basin air)輸送沒有壓力損失，如-2-5-4為理想等溫壓縮過程，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，也是氣動可能獲得最大的能量。計算得出理想的壓縮空氣系統(tǒng)有效能效率為50.6%.壓縮空氣氣動做功膨脹基本都沒有得到利用2，熱力學(xué)過程為4-5-6-1過程；系統(tǒng)輸出(Output)氣動能為4 -5-6-1-4的面積，圖中網(wǎng)格面積；系統(tǒng)輸出氣動能量效率為21.1%（2）壓縮空氣輸送出現(xiàn)壓力損失時，5、6、7、8所示。壓縮空氣做功為5-6-7-1過程；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，壓縮空氣對氣動元件輸出能量效率狀況。
　　=0.7MPa，見，系統(tǒng)輸出氣動能量效率：20.7%；當(dāng)壓力(pressure)損失為0.2MPa，即：Pd-P！=0.2MPa，P3=Pi=0.6MPa，見，系統(tǒng)輸出氣動能量效率：20.1%管網(wǎng)(Pipe Network)無壓力損失時系統(tǒng)PV圖管網(wǎng)0.2MPa壓力損失時系統(tǒng)PV圖合理的配管、接頭，出現(xiàn)不該有的過大減壓，這個過程往往是絕熱膨脹、或接近絕熱的吸熱膨脹，由于過程很短，壓縮空氣不能較好得到換熱。昆山空壓機維修在啟動前，首先啟動油泵控制系統(tǒng)，油泵控制系統(tǒng)啟動后保證空壓機各潤滑部件潤滑良好，同時油泵控制系統(tǒng)可通過內(nèi)置的溫控閥來調(diào)節(jié)內(nèi)部油壓和油溫，以滿足系統(tǒng)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程研究。
　　下面過程取輸送壓力損失為0. 7MPa），用氣單位出現(xiàn)幾種壓力損失值時，壓縮空氣對氣動元件輸出(Output)能效率狀況。如~12，6-7為絕熱膨脹線，壓縮空氣做功為9 -7-8-1過程；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，系統(tǒng)輸出(Output)氣動能量效率：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(tǒng)中，用氣單位在接近氣動元器件時，會安裝壓力調(diào)節(jié)控制元件(element)，還大量的出現(xiàn)不為了分析方便，本文將未作分析各項過程設(shè)想為理想狀態(tài)，實際過程非常復(fù)雜，還有多種影響壓縮空氣系統(tǒng)氣動效率的因素，系統(tǒng)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(shù)不合理會有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(tǒng)實際運行中，輸出氣動能量效率會比上節(jié)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(tǒng)使用的是小型壓縮機，效率甚至只有本文計算的1/2左右。
　　實際的壓縮空氣氣動系統(tǒng)，氣動工具及元器件的機械(machinery)損失及配管內(nèi)殘余空氣的排放引起的損失，對系統(tǒng)效率都有很大影響。根據(jù)8，氣動氣缸驅(qū)動系統(tǒng)的效率僅為6%.現(xiàn)在出現(xiàn)各種節(jié)能型式研究（research)熱潮，不少人在進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，將電能轉(zhuǎn)化壓縮空氣能量儲能，用電高峰時，再釋放壓縮空氣轉(zhuǎn)化為電能及其它能量；還有一種是，將電能轉(zhuǎn)化為壓縮空氣能量儲存，用于驅(qū)動汽車、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，都會使系統(tǒng)效率下降。
　　本文通過TV圖示方法分析壓縮空氣系統(tǒng)氣動熱力學(xué)過程，提供了方便、直觀認(rèn)識壓縮空氣系統(tǒng)輸出(Output)氣動能量(energy)效率(efficiency)、影響效率因素的方法；通過對典型參數(shù)系統(tǒng)為例分析，獲得對壓縮空氣系統(tǒng)氣動效率狀況明確地認(rèn)識。昆山空壓機維修工作時，空氣經(jīng)過自潔式空氣過濾器被吸入，通過PLC自動清洗過濾器，空氣在經(jīng)過進口導(dǎo)葉自動調(diào)節(jié)后進入一級壓縮，經(jīng)一級壓縮后的氣體溫度較高，然后進入中間冷卻器進行冷卻(水走管內(nèi)，氣走管外，中冷器的水流量要求為110m/h)之后進入二級壓縮系統(tǒng)