張紅茹

青島政益達(dá)實(shí)業(yè)有限公司 山東青島 266031

摘要：本文分析了動(dòng)力用空氣壓縮機(jī)的工作過程，分析動(dòng)力用空氣壓縮機(jī)能量轉(zhuǎn)換的機(jī)理，分析影響動(dòng)力用空氣壓縮機(jī)能源效率的原因。通過精確分析，給出計(jì)算動(dòng)力用空氣壓縮機(jī)壓縮空氣效率的衡量方法，給出一般動(dòng)力用空氣壓縮機(jī)的能源效率值。

關(guān)鍵詞：空氣壓縮機(jī)；能源效率；壓縮空氣；能耗

1.引言

我國(guó)的經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，使得我國(guó)的能源消耗不斷的增加，降低能耗成為我國(guó)未來經(jīng)濟(jì)發(fā)展的主要目標(biāo)之一。動(dòng)力用空氣壓縮機(jī)的用途有很多，我國(guó)許多領(lǐng)域都在用動(dòng)力用空氣壓縮機(jī)，這就使得動(dòng)力用空氣壓縮機(jī)耗能很大，據(jù)統(tǒng)計(jì)我國(guó)的空氣壓縮系統(tǒng)每年消耗的能量占全國(guó)發(fā)電量的15%以上，并且空氣壓縮機(jī)的能量利用率不高，普遍有30%的節(jié)能潛力。所以發(fā)展高效節(jié)能的動(dòng)力用空氣壓縮機(jī)具有十分現(xiàn)實(shí)的意義。要研究空氣壓縮機(jī)的能耗情況，首先需要研究的就是準(zhǔn)確的計(jì)算動(dòng)力用空氣壓縮機(jī)壓縮空氣的能源效率，只有準(zhǔn)確的分析動(dòng)力用空氣壓縮機(jī)能源效率，才能清楚空氣壓縮機(jī)的耗能情況，為研究高效節(jié)能的空氣壓縮機(jī)提供理論支持。

2.壓縮機(jī)工作原理

空氣壓縮機(jī)是氣動(dòng)系統(tǒng)的核心設(shè)備，它是將電機(jī)能轉(zhuǎn)化為空氣壓力能的裝置，是壓縮空氣的能量轉(zhuǎn)換裝置。當(dāng)前主流的空氣壓縮機(jī)是濕式雙螺桿壓縮機(jī)，主要的優(yōu)點(diǎn)是機(jī)械設(shè)備中的零件少，不易損壞，可靠性較高，動(dòng)力平衡性好，適應(yīng)性強(qiáng)，自動(dòng)化程度高。它的由一對(duì)平行、互相嚙合的陰、陽(yáng)螺桿組成，是回旋壓縮機(jī)中應(yīng)用最廣的。

如圖2.1所示，空氣壓縮機(jī)系統(tǒng)的工作原理是：齒間基元容積隨著轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)而不斷的增大，并且和圖中機(jī)器左下方進(jìn)氣孔連接。氣體通過進(jìn)氣孔進(jìn)入基元容積，直到齒間基元容積超過進(jìn)氣口后，與進(jìn)氣口斷開，完成進(jìn)氣過程；接著兩個(gè)孤立的齒間基元容積由于陽(yáng)螺桿的凸齒侵入陰螺桿的凹齒，基元容積同時(shí)開始縮小，實(shí)現(xiàn)氣體的壓縮過程；一對(duì)基元容積與排氣孔口相連通，兩個(gè)齒完全嚙合時(shí)一直進(jìn)行排氣過程。

圖2.1 螺桿壓縮機(jī)理想工作原理圖

3.壓縮空氣系統(tǒng)能量分析

空氣的能量是由焓、動(dòng)能以及勢(shì)能組成的。其中，動(dòng)能在壓縮空氣的過程中幾乎可以忽略不計(jì)。在壓縮空氣的過程中，勢(shì)能變化很小，重力勢(shì)能的變化量不到空壓機(jī)耗能的0.01%，所以勢(shì)能也可以忽略不計(jì)。所以被壓縮的空氣的能量就只是焓。整個(gè)過程中壓縮空氣的能量如式3-1所示：

3-1

其中，H為壓縮空氣的能量，Cp是等壓比熱，m為空氣質(zhì)量，t為空氣溫度。

有效勢(shì)能可以用式3-2近似計(jì)算：

3-2

被壓縮空氣所包含有效氣體動(dòng)能：

3-3

上式中P是被壓縮空氣的壓力，Q代表被壓縮空氣的容積，V代表空氣體積，P0代表大氣壓力。

4.能源效率

4.1空氣焓表示能源效率

空氣壓縮機(jī)壓縮空氣的過程是一個(gè)能量轉(zhuǎn)換的過程，能量轉(zhuǎn)換主要是動(dòng)能和勢(shì)能。主要的能量轉(zhuǎn)換過程是空氣壓縮機(jī)壓縮空氣做功，空氣壓縮機(jī)的動(dòng)能轉(zhuǎn)化成為被壓縮其他的勢(shì)能，然后被壓縮氣體對(duì)氣動(dòng)工具和元件等做功，將勢(shì)能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能。焓是表示空氣有限轉(zhuǎn)換的能量，它具有有效能才能對(duì)外做功。所以，在常溫常壓之下，空氣的有效能為零，在空氣被壓縮之下，空氣具有了能量，也就具有了做功的能力?？諝鈮嚎s機(jī)的功能是壓縮空氣，將機(jī)器的機(jī)械能轉(zhuǎn)換成為空氣的有效能。式3-1給出來了計(jì)算空氣焓的公式。所以在壓縮空氣的過程中，焓的變化量就是被壓縮空氣的能量，可以用△H表示，如式4-1所示：

4-1

從上式可以看出被壓縮空氣的能量和溫度變化有關(guān)，而有壓力沒有關(guān)系。所以當(dāng)空氣壓縮機(jī)入口的空氣溫度和出口的溫度一樣時(shí)，被壓縮的空氣的焓沒有變化。那么，空氣壓縮機(jī)做功沒有使被壓縮的空氣能量增加，，也就是說空氣壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)換效率為零，所以討論焓的變化量來反應(yīng)空氣壓縮機(jī)的效率的方式是沒有意義的。

4.2有效能表示能源效率

我們從式3-2可以看出被壓縮的空氣做功，做功大小為E。根據(jù)上一節(jié)分析，空氣焓做功，做功大小是焓的變化量△H。所以在常溫常壓下，空氣是不做功的，只有在壓縮空氣或是空氣溫度變化時(shí)才做功?？諝鈮嚎s機(jī)就是壓縮空氣，使空氣具有做功的能力。被壓縮的空氣做功是通過體積膨脹將有效能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，在這個(gè)過程中，被壓縮的空氣溫度下降，焓變小。空氣壓縮機(jī)壓縮空氣的最終目的是為了獲得壓縮空氣的有效值，因此，定義空氣壓縮機(jī)的能量轉(zhuǎn)換效率為：壓縮空氣的能量有效值與空氣壓縮機(jī)輸入的能量之比：

η=E/W 4-2

上式中E表示壓縮空氣的能量有效值，W表示空氣壓縮機(jī)輸入的能量

在第三節(jié)中已經(jīng)知道被壓縮空氣所包含的能量為N，有效能為E，所以輸出功率效率可以表示成式4-3所示的形式：

η=N/W 4-3

空氣壓縮機(jī)在標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境下工作，用大氣狀態(tài)下的壓縮空氣氣動(dòng)動(dòng)力值和空氣壓縮機(jī)輸入比功率表示市4-3。那么壓縮空氣的能量有效值與空氣壓縮機(jī)輸入的能量之比就變成了：

η=NP/q 4-4

上式NP表示標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下空氣流量為1m3/min的壓縮空氣的氣動(dòng)動(dòng)力，q表示空氣壓縮機(jī)輸入比功率。根據(jù)上式可以計(jì)算出動(dòng)力用空氣壓縮機(jī)能源效率。

5.結(jié)論

動(dòng)力用空氣壓縮機(jī)用來提供氣源動(dòng)力，是氣動(dòng)系統(tǒng)的核心設(shè)備機(jī)電引氣源裝置中的主體，它是將原動(dòng)（通常是電動(dòng)機(jī)）的機(jī)械能轉(zhuǎn)換成氣體壓力能的裝置，是壓縮空氣的氣壓發(fā)生裝置。那么動(dòng)力用空氣壓縮機(jī)就有一個(gè)關(guān)于空氣壓縮效率的量化概念，這樣才能真正了解空氣壓縮機(jī)的工作效率。本文分析了動(dòng)力用壓縮空氣系統(tǒng)的工作原理，提供了分析動(dòng)力用空氣壓縮機(jī)壓縮空氣系統(tǒng)輸出的氣動(dòng)能量效率，指出動(dòng)力用空氣壓縮機(jī)的效率可以超過10%，給大家一個(gè)正確的空氣壓縮效率，為之后的有關(guān)動(dòng)力用空氣壓縮機(jī)研究工作提供理論支持。

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