吸氣參數(shù)對(duì)紡織企業(yè)不同類型空壓機(jī)性能影響的研究分析

秦　莉，顏蘇芊，劉　寧，魏世祥

(西安工程大學(xué)環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)院，西安　710048)

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吸氣參數(shù)對(duì)紡織企業(yè)不同類型空壓機(jī)性能影響的研究分析

秦莉，顏蘇芊，劉寧，魏世祥

(西安工程大學(xué)環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)院，西安710048)

摘要：采用實(shí)驗(yàn)測(cè)試與理論計(jì)算相結(jié)合的分析方法，探討吸氣參數(shù)對(duì)紡織企業(yè)常用空壓機(jī)性能的影響。結(jié)果表明：離心式空壓機(jī)運(yùn)行效率高于螺桿式空壓機(jī)；空壓機(jī)吸氣參數(shù)與其性能關(guān)系密切，溫度每增加1℃，變頻螺桿式空壓機(jī)全效率與多變效率分別降低約0.678%、0.898%，離心式空壓機(jī)分別降低約0.517%、0.832%；含濕量每增加1g/kg(干空氣)，螺桿機(jī)效率分別降低約0.457%、0.644%，離心機(jī)效率分別降低約0.277%、0.438%；焓每增加1kJ/kg(干空氣)，螺桿機(jī)效率分別降低約0.155%、0.235%，離心機(jī)效率分別降低約0.125%、0.151%；當(dāng)進(jìn)口空氣參數(shù)變化時(shí)，螺桿機(jī)較離心機(jī)效率變化更明顯，且對(duì)于同類型空壓機(jī)，當(dāng)吸氣參數(shù)改變時(shí)，其多變效率較全效率變化更顯著。

關(guān)鍵詞：空氣壓縮機(jī)；吸氣參數(shù)；溫度；含濕量；焓

壓縮空氣具有清潔、安全、使用方便等特點(diǎn)，現(xiàn)已成為紡織企業(yè)僅次于電力的第二大動(dòng)力源。而壓縮空氣的生產(chǎn)是一個(gè)高能耗的過(guò)程，在大多數(shù)紡織企業(yè)中，空壓系統(tǒng)能耗占到企業(yè)總能耗的30%，甚至超過(guò)40%。一個(gè)典型的壓縮空氣系統(tǒng)由壓縮空氣產(chǎn)生、輸送和使用三部分構(gòu)成，空壓機(jī)是壓縮空氣的氣源裝置，也是整個(gè)系統(tǒng)中最重要的部分，其耗電量占系統(tǒng)總耗電的96%。[1]當(dāng)空壓機(jī)吸氣溫度每增加3℃，空壓機(jī)的功耗就要增加1%左右。[2]壓縮空氣來(lái)源于大氣，其溫濕度會(huì)隨時(shí)間波動(dòng)，這種波動(dòng)會(huì)對(duì)空壓機(jī)乃至整個(gè)系統(tǒng)產(chǎn)生不可避免的影響?？諌簷C(jī)吸入高溫高濕空氣進(jìn)行壓縮，會(huì)導(dǎo)致其排氣量與排氣壓力降低、能耗增加。因此，分析研究吸氣參數(shù)對(duì)空壓機(jī)耗能的影響，采取積極措施降低空壓機(jī)吸氣溫濕度，已經(jīng)成為紡織企業(yè)節(jié)能節(jié)支的首要工作。本文首先介紹了紡織企業(yè)常用空壓機(jī)及其工作原理，然后介紹了常用的空壓機(jī)性能分析方法，最后針對(duì)紡織企業(yè)常用的變頻無(wú)油螺桿空壓機(jī)與離心式空壓機(jī)，采用實(shí)驗(yàn)測(cè)試與理論計(jì)算相結(jié)合的分析方法，探討了吸氣參數(shù)對(duì)空壓機(jī)性能的影響。

1　紡織企業(yè)常用空壓機(jī)及其工作原理

空壓機(jī)的分類方法很多，按照工作原理不同可將其分為速度式和容積式兩大類，其中速度式空壓機(jī)有軸流式、離心式和混流式；容積式空壓機(jī)有活塞式、膜式、滑片式、螺桿式和轉(zhuǎn)子式。目前，紡織廠常用的空壓機(jī)有離心式空壓機(jī)和螺桿式空壓機(jī)。

1.1離心式空壓機(jī)工作原理

離心式空壓機(jī)是將葉輪動(dòng)能轉(zhuǎn)化為空氣的壓力和動(dòng)能。工作時(shí)，各級(jí)主機(jī)葉輪高速旋轉(zhuǎn)，使空氣受到離心力在產(chǎn)生壓力的同時(shí)獲得流速，空氣離開(kāi)葉輪后經(jīng)擴(kuò)壓器、擴(kuò)張通道等擴(kuò)壓裝置將動(dòng)能轉(zhuǎn)化為壓力能，使空氣壓力得到進(jìn)一步提升。同時(shí)經(jīng)過(guò)冷卻塔冷卻的低溫冷卻水流入冷卻器內(nèi)，與高溫空氣完成熱交換后流出冷卻器。三級(jí)壓縮離心式空壓機(jī)，其冷卻水系統(tǒng)與空氣系統(tǒng)的工作流程見(jiàn)圖1。

圖1　三級(jí)壓縮離心式空壓機(jī)工作流程

1.2螺桿式空壓機(jī)的工作原理

螺桿式空壓機(jī)是依靠氣缸內(nèi)平行布置的兩個(gè)呈“∞”形且相互嚙合的螺旋轉(zhuǎn)子，按一定傳動(dòng)比反向旋轉(zhuǎn)完成吸氣、壓縮和排氣過(guò)程來(lái)生產(chǎn)壓縮空氣。吸氣時(shí)，經(jīng)過(guò)過(guò)濾的清潔空氣經(jīng)吸氣口進(jìn)入兩轉(zhuǎn)子間的齒間容積，隨著螺桿不斷轉(zhuǎn)動(dòng)，兩轉(zhuǎn)子間齒間容積不斷增大，當(dāng)容積達(dá)到最大時(shí)與吸氣口斷開(kāi)，完成吸氣過(guò)程。壓縮過(guò)程是依靠轉(zhuǎn)子間容積不斷減小完成的，當(dāng)齒間容積與排氣口相通，壓縮過(guò)程完成。排氣過(guò)程緊隨其后，排氣時(shí)不斷旋轉(zhuǎn)的螺桿將壓縮空氣輸送至排氣管道，直到齒間容積達(dá)到最小時(shí)，排氣過(guò)程完成。同時(shí)冷卻水分別流入冷卻器和各級(jí)氣缸外側(cè)，與高溫空氣、氣缸完成熱交換后流出冷卻器。二級(jí)壓縮無(wú)油螺桿空壓機(jī)，其冷卻水系統(tǒng)與空氣系統(tǒng)的工作流程見(jiàn)圖2。

圖2　二級(jí)壓縮螺桿式空壓機(jī)工作流程

2　空壓機(jī)性能分析方法

不同類型空壓機(jī)的工作原理不同，因此吸氣參數(shù)對(duì)性能的影響也不盡相同，本文針對(duì)紡織企業(yè)常用的變頻無(wú)油螺桿空壓機(jī)與離心式空壓機(jī)進(jìn)行測(cè)試分析。由于空壓機(jī)吸氣狀態(tài)與進(jìn)氣量不同時(shí)，功率差異明顯。為了分析方便，選擇測(cè)試空壓機(jī)吸氣參數(shù)與功率，并以此為依據(jù)對(duì)空壓機(jī)全效率和多變壓縮效率進(jìn)行分析計(jì)算，研究吸氣參數(shù)對(duì)空壓機(jī)性能的影響。全效率與多變壓縮效率是判斷空壓機(jī)性能的重要指標(biāo)。在一定產(chǎn)氣壓力下，以全效率是否降低來(lái)判斷空壓機(jī)性能是否下降?？諌簷C(jī)全效率計(jì)算可用式(1)表示：

(1)

式中：Pair為輸出壓縮空氣有效氣動(dòng)功率，kW；Pele為空壓機(jī)消耗電功率，kW。輸出壓縮空氣有效氣動(dòng)功率Pair是壓縮空氣空氣流動(dòng)時(shí)，壓縮空氣流束含有的有效能表現(xiàn)為動(dòng)力的形式[3]，可通過(guò)式(2)計(jì)算：

(2)

式中：z為壓縮級(jí)數(shù)；Pa為大氣絕對(duì)壓力，MPa；qv為壓縮狀態(tài)下體積流量，Nm3/s；Pv為壓縮狀態(tài)下絕對(duì)壓力，MPa。

空壓機(jī)實(shí)際工作是一種多變壓縮過(guò)程，多變效率是多變壓縮過(guò)程消耗的功和實(shí)際壓縮過(guò)程所消耗功之比。多變壓縮效率ηs·n可通過(guò)式(3)計(jì)算：

(3)

式中：Ps·n為由初始狀態(tài)到終了狀態(tài)的多變壓縮軸功率，kW。

多級(jí)離心式空壓機(jī)，其多變軸功率可通過(guò)式(4)計(jì)算：

Ps·n=

(4)

多級(jí)螺桿式空壓機(jī)，其多變軸功率可通過(guò)式(5)計(jì)算：

(5)

3　吸氣參數(shù)對(duì)不同類型空壓機(jī)性能影響的分析

3.1吸氣溫度對(duì)空壓機(jī)性能的影響

空壓機(jī)性能與其吸氣溫度密不可分，本實(shí)驗(yàn)在空壓機(jī)吸入空氣的含濕量分別為11.1g/kg(干空氣)和15.7g/kg(干空氣)時(shí)對(duì)吸入不同溫度空氣的螺桿式與離心式空壓機(jī)功率及其效率進(jìn)行測(cè)試分析，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1。

表1相同進(jìn)氣含濕量不同溫度空壓機(jī)的測(cè)試結(jié)果

含濕量/(g/kg(干空氣))螺桿式空壓機(jī)溫度/℃全效率/%多變效率/%離心式空壓機(jī)溫度/℃全效率/%多變效率/%11.123.967.43089.96534.591.22297.65230.266.15789.22135.191.18997.61630.465.98989.05835.791.08697.54931.264.88488.16336.390.48795.61332.763.65287.30538.586.66691.61215.724.467.25388.87318.491.68598.12925.266.86387.46025.389.21794.27128.565.91586.27233.887.68792.44632.563.85881.09035.187.34792.08833.763.72780.26436.786.75391.462

通過(guò)對(duì)空壓機(jī)相同吸氣含濕量不同溫度性能的測(cè)試分析發(fā)現(xiàn)：離心式空壓機(jī)的全效率與多變效率均明顯高于變頻螺桿式空壓機(jī)，且空壓機(jī)吸氣溫度對(duì)螺桿式空壓機(jī)性能影響較離心式空壓機(jī)更明顯。當(dāng)吸氣含濕量相同時(shí)，空壓機(jī)進(jìn)氣溫度越高，運(yùn)行效率越低，溫度每增加1℃，變頻螺桿式空壓機(jī)全效率與多變效率分別降低約0.678%和0.898%；離心式空壓機(jī)的全效率與多變效率分別降低約0.517%和0.832%。當(dāng)吸氣溫度升高時(shí)，同類空壓機(jī)多變效率比全效率變化更顯著。

3.2吸氣含濕量對(duì)空壓機(jī)性能的影響

吸氣含濕量對(duì)空壓機(jī)性能影響不可忽略，本實(shí)驗(yàn)在螺桿式空壓機(jī)吸入空氣的溫度分別為25℃和31℃、離心式空壓機(jī)吸氣溫度分別為21℃和33℃時(shí)，對(duì)吸入不同含濕量空氣的空壓機(jī)功率及其效率進(jìn)行測(cè)試分析，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表2。

表2相同進(jìn)氣溫度不同含濕量空壓機(jī)的測(cè)試結(jié)果

螺桿式空壓機(jī)溫度/℃含濕量/(g/kg(干空氣))全效率/%多變效率/%離心式空壓機(jī)溫度/℃含濕量/(g/kg(干空氣))全效率/%多變效率/%253110.310.515.315.716.813.113.214.114.514.965.18265.09563.88563.85863.72764.45264.38863.28563.03362.91981.65981.09080.90480.41980.26481.20381.19980.72080.61080.582213315.315.716.016.719.810.815.515.716.116.888.40288.26988.13587.99487.08991.68590.68790.62490.57590.37193.20193.04592.89192.59890.09498.12996.74596.62096.46296.418

通過(guò)對(duì)空壓機(jī)相同吸氣溫度不同含濕量性能的測(cè)試分析發(fā)現(xiàn)：空壓機(jī)吸氣含濕量升高較溫度升高，性能變化略小。當(dāng)空壓機(jī)含濕量增加時(shí)，螺桿式空壓機(jī)性能變化較離心式空壓機(jī)更明顯。當(dāng)吸氣溫度相同時(shí)，空壓機(jī)進(jìn)氣含濕量越高，運(yùn)行效率越低，含濕量每增加1g/kg(干空氣)，變頻螺桿式空壓機(jī)全效率與多變效率分別降低約0.457%和0.644%；離心式空壓機(jī)的全效率與多變效率分別降低約0.277%和0.438%。當(dāng)吸氣溫度升高時(shí)，同類空壓機(jī)多變效率比全效率變化更顯著。

3.3吸氣焓值對(duì)空壓機(jī)性能的影響

焓是工質(zhì)的復(fù)合狀態(tài)參數(shù)，濕空氣的焓以1kg干空氣為計(jì)算基礎(chǔ)，它是1kg干空氣焓與dkg水蒸氣焓的總和，濕空氣焓隨溫度與含濕量的升高而增加。[5]本實(shí)驗(yàn)對(duì)空壓機(jī)吸入空氣不同焓值空氣時(shí)的功率及其效率進(jìn)行測(cè)試分析，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表3。

表3不同進(jìn)氣焓值空壓機(jī)的測(cè)試結(jié)果

螺桿式空壓機(jī)焓值/(kJ(kg(干空氣))全效率/%多變效率/%離心式空壓機(jī)焓值/(kJ/kg(干空氣))全效率/%多變效率/%44.069.67888.42344.092.60399.11149.567.46387.46045.892.36598.80252.866.23587.22353.191.87497.80860.265.17985.42356.191.68597.52965.864.18282.90469.790.67696.94867.064.16682.11270.990.56496.90571.063.95381.94171.790.31096.84173.063.88581.65973.690.13496.55274.963.85881.09077.889.76795.61276.063.65281.05279.589.50094.897

通過(guò)對(duì)空壓機(jī)吸入不同比焓空氣的性能測(cè)試分析發(fā)現(xiàn)：當(dāng)空壓機(jī)吸氣焓值升高時(shí)其降低。當(dāng)空壓機(jī)進(jìn)氣焓每增加1kJ/(kg(干空氣)，變頻螺桿式空壓機(jī)全效率與多變效率分別降低約0.155%和0.235%；離心式空壓機(jī)的全效率與多變效率分別降低約0.125%和0.151%。當(dāng)吸氣焓值增加時(shí)，同類空壓機(jī)多變效率比全效率變化更顯著。

4　結(jié)　論

通過(guò)對(duì)某紡織企業(yè)空壓機(jī)不同吸氣參數(shù)下不同類型空壓機(jī)效率進(jìn)行研究分析，可以得出以下結(jié)論：

a)紡織廠常用的空壓機(jī)按照其不同的工作原理有離心式和螺桿式空壓機(jī)兩類，離心式空壓機(jī)的效率高于螺桿式空壓機(jī)。對(duì)于同時(shí)擁有離心和螺桿式空壓機(jī)的企業(yè)，應(yīng)盡量使用離心式空壓機(jī)生產(chǎn)壓縮空氣，以降低壓縮空氣的生產(chǎn)成本。

b)空壓機(jī)性能與進(jìn)口空氣溫度關(guān)系密切，當(dāng)吸氣含濕量相同時(shí)，溫度每增加1℃，變頻螺桿式空壓機(jī)全效率與多變效率分別降低約0.678%和0.898%，離心式空壓機(jī)的全效率與多變效率分別降低約0.517%和0.832%。

c)進(jìn)口空氣含濕量與空壓機(jī)性能密不可分，當(dāng)吸氣溫度相同時(shí)，含濕量每增加1g(kg(干空氣))-1，變頻螺桿式空壓機(jī)全效率與多變效率分別降低約0.457%和0.644%；離心式空壓機(jī)的全效率與多變效率分別降低約0.277%和0.438%。

d)進(jìn)口空氣焓值對(duì)空壓機(jī)性能影響不可忽略，當(dāng)空壓機(jī)進(jìn)氣焓每增加1kJ/(kg(干空氣)，變頻螺桿式空壓機(jī)全效率與多變效率分別降低約0.155%和0.235%；離心式空壓機(jī)的全效率與多變效率分別降低約0.125%和0.151%。

e)當(dāng)進(jìn)口空氣參數(shù)變化時(shí)，螺桿式空壓機(jī)較離心式空壓機(jī)效率變化更明顯；對(duì)于同類型空壓機(jī)，當(dāng)吸氣參數(shù)改變時(shí)，其多變效率較全效率變化更顯著。

根據(jù)以上結(jié)論，本文對(duì)紡織企業(yè)提出以下建議：空壓機(jī)能耗影響整個(gè)系統(tǒng)甚至整個(gè)企業(yè)的能耗，企業(yè)應(yīng)采取積極措施降低空壓機(jī)進(jìn)口空氣溫度和濕度，以提高空壓機(jī)運(yùn)行效率，減少空壓機(jī)耗能，降低企業(yè)生產(chǎn)成本，提高企業(yè)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

參考文獻(xiàn)：

[1] 蔡茂林.壓縮空氣系統(tǒng)的能耗現(xiàn)狀及節(jié)能潛力[J].中國(guó)設(shè)備工程,2009(7):42-44.

[2] 秦宏波,黃軍徽,周華,等.基于系統(tǒng)測(cè)試的工業(yè)壓縮空氣系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)應(yīng)用研究[J].上海節(jié)能,2006(4):28-31.

[3] 蔡茂林,香川利春.氣動(dòng)系統(tǒng)的能量消耗評(píng)價(jià)體系及能量損失分析[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào),2007,43(9):69-74.

[4] 中國(guó)石化上海工程有限公司.化工工藝設(shè)計(jì)手冊(cè):上冊(cè)[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2009:1001-1003.

[5] 黃翔.空調(diào)工程[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2009:17-18.

[6] 王淑芬.工業(yè)企業(yè)壓縮空氣系統(tǒng)節(jié)能潛力分析[J].棉紡織技術(shù),2009(37):57-59.

[7] 蔡茂林,權(quán)明,王偉民.紡織行業(yè)壓縮空氣系統(tǒng)現(xiàn)狀及節(jié)能潛力[C]//中國(guó)紡織工程學(xué)會(huì).紡織空調(diào)除塵高效節(jié)能減排研討會(huì)論文集.北京,2010:149-153.

[8] 吳佩林,王建軍,王華.工業(yè)企業(yè)壓縮空氣系統(tǒng)節(jié)能潛力分析[J].壓縮機(jī)技術(shù),2012(1):38-41.

[9] 黃翔,霍海紅,衛(wèi)晨.高壓噴氣填料蒸發(fā)冷卻空調(diào)的應(yīng)用與分析[J].棉紡織技術(shù),2013,41(4):22-27.

(責(zé)任編輯：康鋒)

收稿日期：2015-07-22

作者簡(jiǎn)介：秦莉(1991-)，女，江蘇無(wú)錫人，碩士研究生，主要研究方向?yàn)閴嚎s空氣系統(tǒng)的節(jié)能及優(yōu)化。 通信作者：顏蘇芊,E-mail:746266396@qq.com

中圖分類號(hào)：TH138.21

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1009-265X(2016)03-0036-05

Research and Analysis of Effects of Suction Parameters on the Performances of Different Air Compressors in Textile Mill

QINLi,YANSuqian,LIUNing,WEIShixiang

(College of Environmental and Chemical Engineering, Xi’an Polytechnic University，Xi’an 710048, China)

Abstract：This paper discussed the effects of suction parameters on performances of common air compressors in textile enterprises by using the analytical method with the combination of experimental measurement and theoretical calculation. As shown in the result, the operating efficiency of centrifugal compressor is higher than that of rotary screw air compressor. The compressor’s suction parameters have close relations to their performances. When the suction temperature of air compressor increase by 1℃, the overall efficiency and polytropic efficiency of variable frequency screw compressor will decrease by 0.678% and 0.898% respectively while those of the centrifugal compressor will decrease by 0.517% and 0.832% respectively; when the moisture content of air compressor increase by 1 g/kg(dry air), such efficiencies of screw compressor will decrease by 0.457% and 0.644% respectively while such efficiencies of centrifugal compressor will decrease by 0.277% and 0.438% respectively. When the specificsuction enthalpy of air compressor increases by 1 kJ/kg (dry air), such efficiencies of screw compressor will increase by 0.155% and 0.235% respectively while such efficiencies of centrifugal compressor will decrease by 0.125% and 0.151% respectively. And when the inlet air parameter changes, the performance variation of screw compressor is more obvious than that of centrifugal compressor. For air compressors of the same type, when the suction parameters change, the polytropic compression efficiency changed more remarkably than overall efficiency.

Key words：air compressor; suction parameters; temperature; humidity; specific enthalpy