周浩然,張 良,楊玉麒,葉方平
(1.上海理工大學(xué) 上海市動(dòng)力工程多相流動(dòng)與傳熱重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,上海 200093;2.浙江新勁空調(diào)設(shè)備有限公司,浙江龍泉 323799)
空氣壓縮機(jī)(簡(jiǎn)稱空壓機(jī))作為壓縮空氣的生產(chǎn)設(shè)備,起到了將電能轉(zhuǎn)化為空氣壓能的作用[1]。在工業(yè)生產(chǎn)中,壓縮機(jī)的用電量占到了全國(guó)發(fā)電量的9%以上[2],其性能直接關(guān)系到能源的轉(zhuǎn)換效率,對(duì)碳排放量起到了較大影響,成為我國(guó)能否如期達(dá)到“雙碳”目標(biāo)的重要影響因素。研究空壓機(jī)設(shè)備性能影響因素,并對(duì)設(shè)備進(jìn)行準(zhǔn)確有效的性能測(cè)試就顯得尤為重要。
對(duì)于風(fēng)冷螺桿空壓機(jī),因其可靠性高,螺桿壓縮機(jī)零部件少,沒(méi)有易損件,安裝環(huán)境的適應(yīng)力強(qiáng),冷卻系統(tǒng)簡(jiǎn)單可靠,設(shè)備可拆卸、方便維修移動(dòng)等優(yōu)點(diǎn),越來(lái)越受到市場(chǎng)的歡迎[3-4]。隨著市場(chǎng)規(guī)模的擴(kuò)大,空壓機(jī)逐步由傳統(tǒng)的中小型向大型化發(fā)展。在設(shè)備實(shí)際使用中,空壓機(jī)僅有約為15%的電能用來(lái)壓縮空氣,剩余85%的能量以熱量的形式散失到周圍的環(huán)境中[5]。對(duì)于大型空壓機(jī),散失的熱量總量大,會(huì)使得設(shè)備周圍空氣溫度、濕度狀態(tài)迅速變化,對(duì)空壓機(jī)進(jìn)口空氣狀態(tài)造成較大影響,從而影響壓縮機(jī)的工作效率[6]。為了滿足大功率空壓機(jī)的散熱要求,防止環(huán)境溫度波動(dòng)對(duì)空壓機(jī)性能的影響,測(cè)試和安裝環(huán)境的空調(diào)系統(tǒng)和氣流組織就顯得尤為重要[7]。
張志恒等[8]通過(guò)對(duì)3.5 m3/min 的小型螺桿空壓機(jī)進(jìn)行變工況試驗(yàn),分析了影響空壓機(jī)性能的多種因素,發(fā)現(xiàn)空壓機(jī)系統(tǒng)性能不僅與主機(jī)相關(guān),輔助設(shè)備的選擇、系統(tǒng)的裝配也很關(guān)鍵,并給出了進(jìn)口空氣速度的合適范圍(吸氣控制閥進(jìn)氣口的流速應(yīng)控制在10~20 m/s 范圍內(nèi),油氣分離器進(jìn)口氣體流速應(yīng)控制在15 m/s 左右);梁昌水等[9]依托于空壓機(jī)臺(tái)架試驗(yàn),研究取氣口位置對(duì)設(shè)備性能的影響,對(duì)3 種典型的取氣位置進(jìn)行比較分析,給出了不同工況下的最佳取氣位置;郝佳楠[3]以常用螺桿空氣壓縮機(jī)為研究對(duì)象,建立了能耗數(shù)學(xué)模型,量化分析了設(shè)備運(yùn)行時(shí)間、空壓機(jī)流量、壓縮空氣對(duì)系統(tǒng)機(jī)能的影響,從設(shè)備結(jié)構(gòu)和整體系統(tǒng)兩方面入手,通過(guò)改造閥門(mén)結(jié)構(gòu),達(dá)到節(jié)能的效果;王凱等[10]采用計(jì)算機(jī)配合數(shù)據(jù)采集卡與LabVIEW 軟件編程組成小型空壓機(jī)性能的測(cè)試系統(tǒng),為測(cè)試環(huán)境系統(tǒng)的軟件編程提供了參考。
上述文獻(xiàn)對(duì)空壓機(jī)性能測(cè)試系統(tǒng)的整體性研究相對(duì)較少[11-14],只關(guān)注小型空壓機(jī)性能的影響因素、裝置的節(jié)能和測(cè)試系統(tǒng)的軟件選擇與編程,且缺少對(duì)大型空壓機(jī)測(cè)試環(huán)境的研究。本文結(jié)合實(shí)際應(yīng)用,設(shè)計(jì)研究了一種局部排風(fēng)的大型空壓機(jī)性能測(cè)試系統(tǒng),并探究環(huán)境參數(shù)變化對(duì)空壓機(jī)容積流量和比功率的影響(文中將額定功率為9~37 kW 的空壓機(jī)定義為中小型空壓機(jī),額定功率為37~250 kW 的空壓機(jī)定義為大型空壓機(jī))。
針對(duì)空壓機(jī)測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要分為3 個(gè)部分:空壓機(jī)性能測(cè)試裝置、測(cè)試房間空氣處理系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集與軟件測(cè)試系統(tǒng)等。系統(tǒng)的整體框圖如圖1 所示。
圖1 測(cè)試系統(tǒng)的整體框圖Fig.1 Overall block diagram of test system
本文研究的空壓機(jī)測(cè)試環(huán)境,房間尺寸為13.8 m×6.3 m×5.2 m。東墻內(nèi)側(cè)存在尺寸為2.24 m×2.15 m×5.2 m 的測(cè)試系統(tǒng)控制機(jī)房。為了簡(jiǎn)化計(jì)算,將控制機(jī)房排除在空壓機(jī)測(cè)試環(huán)境之外。針對(duì)空調(diào)系統(tǒng)的不同運(yùn)行模式、不同運(yùn)行階段,分別計(jì)算了環(huán)境熱濕負(fù)荷。設(shè)計(jì)了全空氣的二次回風(fēng)和全新風(fēng)混合的定風(fēng)量的空氣處理系統(tǒng),并采用上送上回的送風(fēng)方式,利用雙層百葉窗結(jié)合多葉調(diào)節(jié)閥對(duì)送風(fēng)角度和風(fēng)量進(jìn)行控制,以確保環(huán)境溫度、濕度的穩(wěn)定性。針對(duì)大型空壓機(jī)散熱量大的特點(diǎn),采用局部排風(fēng)罩對(duì)測(cè)試環(huán)境的排風(fēng)進(jìn)行控制。測(cè)試房間內(nèi)布置9 個(gè)送風(fēng)口,每個(gè)送風(fēng)口尺寸為1.2 m×0.5 m,設(shè)置在空壓機(jī)兩側(cè),距地面3.7 m??諌簷C(jī)上方的散熱氣流為熱射流,依據(jù)空壓機(jī)上方的冷凝器出風(fēng)口和排風(fēng)罩的相對(duì)高度(H=1.3 m),通過(guò)虛擬極點(diǎn)修正法可求得排風(fēng)罩的尺寸[15-17]。測(cè)試環(huán)境的空調(diào)系統(tǒng)布置如圖2所示。
圖2 測(cè)試環(huán)境的空調(diào)系統(tǒng)布置Fig.2 Air conditioning system layout of test environment
利用LabVIEW 軟件編程,通過(guò)DAQ 模塊實(shí)現(xiàn)空壓機(jī)測(cè)試系統(tǒng)測(cè)試數(shù)據(jù)的采集和系統(tǒng)硬件的控制。
本文研究的重點(diǎn)為風(fēng)冷螺桿空壓機(jī),其性能參數(shù)的測(cè)量普遍為氣流流量測(cè)量,依據(jù)GB/T 15487—2015《容積式壓縮機(jī)流量測(cè)量方法》和GB/T 3853—2017《容積式壓縮機(jī)驗(yàn)收實(shí)驗(yàn)》,通過(guò)對(duì)比分析不同氣體流量測(cè)量的優(yōu)缺點(diǎn),結(jié)合實(shí)際情況,最終選擇臨界文丘里噴嘴測(cè)試方式。
臨界文丘里噴嘴的風(fēng)冷螺桿空壓機(jī)容積流量測(cè)試裝置原理如圖3 所示。對(duì)于該流量測(cè)試裝置,存在內(nèi)外雙氣源。外部氣源由工廠提供,作為氣動(dòng)閥門(mén)的動(dòng)力源,保證系統(tǒng)的運(yùn)行。
圖3 容積流量測(cè)試裝置原理Fig.3 Schematic diagram of volumetric flow test device
測(cè)試開(kāi)始時(shí),由被測(cè)空壓機(jī)輸送的壓縮空氣作為內(nèi)部氣源,經(jīng)壓縮空氣進(jìn)氣手閥的選擇進(jìn)入測(cè)試系統(tǒng),經(jīng)過(guò)緩沖罐(用于保證空氣壓力的穩(wěn)定和測(cè)試氣體的連續(xù)性)。通過(guò)改變氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥的閥門(mén)開(kāi)度,調(diào)節(jié)空壓機(jī)的排氣壓力。通過(guò)對(duì)不同支路氣動(dòng)球閥的選擇,使得被測(cè)壓縮空氣經(jīng)過(guò)整流器后進(jìn)入不同尺寸的臨界文丘里噴嘴(12.7,19.05,25.4,31.75 mm),并由測(cè)試傳感器測(cè)得空氣狀態(tài)。最終壓縮空氣經(jīng)過(guò)消音器處理,降低分貝后排入環(huán)境。
對(duì)于臨界文丘里噴嘴,噴嘴狀態(tài)下質(zhì)量流量由式(1)(2)獲得。容積流量由式(3)~(8)獲得,最終將噴嘴處的容積流量(實(shí)際容積流量)根據(jù)氣體狀態(tài)方程換算為標(biāo)準(zhǔn)入口狀態(tài)條件下空氣的容積流量(標(biāo)準(zhǔn)容積流量)。GB 19153—2019《容積式空氣壓縮機(jī)能效限定值及能效等級(jí)》中規(guī)定,空壓機(jī)測(cè)試吸入口空氣溫度為20 ℃,壓力為0.1 MPa,相對(duì)濕度為0。
臨界流系數(shù)的計(jì)算式:
式中,C*為臨界流系數(shù);t1為噴嘴上游氣體溫度,℃;p1為噴嘴上游氣體壓力,MPa。
臨界文丘里噴嘴的實(shí)際質(zhì)量流量qm的計(jì)算式:
式中,qm為流經(jīng)噴嘴的氣體質(zhì)量流量,kg/s;d為噴嘴直徑,mm;C為噴嘴流出系數(shù),根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)及規(guī)定精度取C=0.988 8;R為氣體常數(shù),J/(kg·K);T1為噴嘴上游氣體溫度,K。
干空氣的壓力Pdry的計(jì)算式:
式中,Pdry為干空氣的壓力,MPa;Pat為測(cè)試環(huán)境壓力,MPa;φ為環(huán)境相對(duì)濕度;Pqb為飽和狀態(tài)下水蒸氣的分壓力,MPa。
0~200 ℃飽和水蒸氣的分壓力Pqb的計(jì)算式:式中,C8=-5.800 220 6×103;Ti為空壓機(jī)進(jìn)口空氣溫度,K;C9=1.391 499 3;C10=-4.864 023 9×10-2;C11=4.176 476 8×10-5;C12=-1.445 209 3×10-8;C13=6.545 967 3。
干空氣密度ρ的計(jì)算式:
式中,ρ為干空氣密度,kg/m3;Rm為干空氣的氣體常數(shù),J/(kg·K),Rm=287.1 J/(kg·K)。
實(shí)際容積流量qv的計(jì)算式:
式中,qv為噴嘴工況條件下的容積流量(實(shí)際容積流量),m/min3;K1為轉(zhuǎn)速修正系數(shù);K13為冷凝液修正系數(shù),對(duì)于測(cè)試過(guò)程中有冷凝液析出的需進(jìn)行此項(xiàng)修正。
轉(zhuǎn)速修正系數(shù)K1的計(jì)算式:
式中,Ned為空壓機(jī)額定轉(zhuǎn)速;Nsd為空壓機(jī)測(cè)試設(shè)定轉(zhuǎn)速。
冷凝液修正系數(shù)K13的計(jì)算式:
式中,Pi為空壓機(jī)進(jìn)口壓力,MPa;Pqb為飽和狀態(tài)下水蒸氣的分壓力,MPa。
定頻空壓機(jī)比功率計(jì)算式:
式中,e為空氣壓縮機(jī)機(jī)組比功率,kW/(m3/min);K14為機(jī)組比功率吸氣溫度修正系數(shù)。
吸氣溫度修正系數(shù)K14的計(jì)算式:
式中,Ti為空壓機(jī)進(jìn)口溫度實(shí)測(cè)值,K。
變轉(zhuǎn)速噴油回轉(zhuǎn)空氣壓縮機(jī)機(jī)組比功率,由滿負(fù)荷機(jī)組容積流量的100%,70%和40%時(shí)的機(jī)組比功率按下式加權(quán)計(jì)算為:
式中,eVC為變轉(zhuǎn)速噴油回轉(zhuǎn)空氣壓縮機(jī)機(jī)組比功率,kW/(m3/min);eVC,a為規(guī)定工況下,變轉(zhuǎn)速噴油回轉(zhuǎn)空氣壓縮機(jī)滿負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí),容積流量為a對(duì)應(yīng)的空氣壓縮機(jī)機(jī)組比功率,kW/(m3/min);fa為權(quán)重系數(shù),按表1 選??;a為對(duì)應(yīng)變轉(zhuǎn)速噴油回轉(zhuǎn)空氣壓縮機(jī)滿負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)100%,70%,40%容積流量的工況。
表1 變轉(zhuǎn)速噴油回轉(zhuǎn)空氣壓縮機(jī)機(jī)組比功率計(jì)算權(quán)重系數(shù)Tab.1 Weighting coefficient for specific power calculation of variable speed oil injection rotary air compressor unit %
2.3.1 測(cè)試裝置
試驗(yàn)中測(cè)試裝置的相關(guān)參數(shù)見(jiàn)表2。
表2 測(cè)試裝置Tab.2 Test Devices
2.3.2 不確定度分析
以質(zhì)量流量qm為例,如果用于流量qm計(jì)算的各獨(dú)立量為X1,X2,X3,…,Xn,流量可以用函數(shù)表示為:
且X1,X2,X3,…,Xn對(duì)應(yīng)的不確定度為δ X1,δ X2,δ X3,…,δ Xn,則流量的不確定度:
即:
式中,C為流出系數(shù);ε為膨脹系數(shù);d為噴嘴直徑;Δp為氣體流經(jīng)節(jié)流元件時(shí)的壓力差;ρ為測(cè)量位置氣體密度。
依據(jù)上述公式可求得質(zhì)量流量的不確定度為2.46%。同樣的,容積流量和比功率的不確定度也可求得,分別為2.51%和2.62%。
本文試驗(yàn)的重點(diǎn)分成2 個(gè)部分:(1)通過(guò)試驗(yàn)確保測(cè)試環(huán)境的穩(wěn)定性;(2)探究環(huán)境參數(shù)變化對(duì)空壓機(jī)容積流量和比功率的影響。
空壓機(jī)測(cè)試環(huán)境的穩(wěn)定性主要在于溫度場(chǎng)的穩(wěn)定,取決于2 個(gè)方面,一方面是空壓機(jī)上方排風(fēng)罩附近的溫度場(chǎng)穩(wěn)定性,另一方面是空壓機(jī)進(jìn)氣口附近的溫度場(chǎng)穩(wěn)定性。注重這2 個(gè)方面的意義在于,防止空壓機(jī)產(chǎn)生的廢熱沒(méi)有被排風(fēng)罩捕集,逸散到測(cè)試環(huán)境中,如果大量廢熱被空壓機(jī)進(jìn)氣口吸入,不僅會(huì)影響空壓機(jī)性能,還會(huì)影響空壓機(jī)的冷凝散熱效率,使空壓機(jī)內(nèi)部產(chǎn)生高溫,長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行甚至?xí)蠓鶞p小空壓機(jī)的使用壽命。
3.1.1 局部排風(fēng)罩捕集性能驗(yàn)證
本文綜合考慮各項(xiàng)因素,通過(guò)虛擬極點(diǎn)修正法確定了局部排風(fēng)罩結(jié)構(gòu)尺寸,有效地提高了排風(fēng)罩的整體性能。
表3 列出不同測(cè)試環(huán)境溫度下,距離排風(fēng)罩四周0.1 m 處,沿高度Z方向的實(shí)測(cè)溫度值。通過(guò)采集測(cè)試結(jié)果發(fā)現(xiàn)4 種溫度工況下,由于熱量外逸導(dǎo)致的最大溫升為0.40 ℃,相比于小排風(fēng)罩四周溫度升高的現(xiàn)象,大排風(fēng)罩周圍的環(huán)境溫升更小,原因在于,排風(fēng)罩捕集效果跟相對(duì)高度密切相關(guān),但由于房間設(shè)計(jì)要求,小排風(fēng)罩相對(duì)空壓機(jī)上方冷凝器出風(fēng)口高度最低為1.3 m,暫未達(dá)到最佳相對(duì)高度,而大排風(fēng)罩相對(duì)高度已經(jīng)達(dá)到最佳。排風(fēng)罩附近最大溫升僅為0.40 ℃,滿足測(cè)試環(huán)境溫度均勻性為0.5 ℃的設(shè)計(jì)要求,認(rèn)為空壓機(jī)排出的熱量大部分被局部排風(fēng)罩捕集并帶離測(cè)試環(huán)境。
表3 不同測(cè)試環(huán)境溫度下排風(fēng)罩四周最大采集溫度Tab.3 Maximum collected temperature around the exhaust hood under different test ambient temperatures ℃
3.1.2 空壓機(jī)進(jìn)氣口溫度場(chǎng)穩(wěn)定性
圖4 示出在20 ℃的測(cè)試環(huán)境溫度下,房間溫度場(chǎng)穩(wěn)定后,某一時(shí)刻大空壓機(jī)(X=2.9 m)和小空壓機(jī)(X=4.2 m)在空壓機(jī)進(jìn)氣口中心位置(小空壓機(jī)Z=1.0 m,大空壓機(jī)Z=1.1 m)的溫度分布。從圖中可以看出,測(cè)量溫度在Y方向有所波動(dòng),主要原因是在實(shí)際測(cè)試過(guò)程中,測(cè)試環(huán)境內(nèi)其他設(shè)備對(duì)溫度場(chǎng)產(chǎn)生干擾,以及空調(diào)送風(fēng)溫度存在波動(dòng)。但分析發(fā)現(xiàn)最大溫差僅為0.20 ℃,且最高溫度小于20.25 ℃。
圖4 20 ℃溫度場(chǎng)空壓機(jī)進(jìn)氣口采集溫度Fig.4 20℃ temperature field air compressor inlet acquisition temperature
表4 列出不同測(cè)試環(huán)境溫度下,房間溫度場(chǎng)穩(wěn)定后,30 min 內(nèi)的溫度最大值和最小值。分別測(cè)試了18,20,22,24 ℃共4 種工況條件下空壓機(jī)進(jìn)氣口在X方向的溫度均勻性。分析結(jié)果表明,18 ℃相比于24 ℃工況,均勻性數(shù)值相差較大。主要原因是廠房初始溫度為26 ℃,測(cè)試環(huán)境溫度越低,經(jīng)空調(diào)系統(tǒng)處理后,空氣的前后溫差越大,使得房間內(nèi)溫度均勻性有所下降,但由于設(shè)計(jì)空調(diào)系統(tǒng)風(fēng)量較大,送風(fēng)溫差較小,使得測(cè)試環(huán)境內(nèi)溫度均勻性可以滿足測(cè)試要求。
表4 不同測(cè)試環(huán)境溫度下空壓機(jī)進(jìn)氣口采集溫度Tab.4 Air compressor inlet acquisition temperature under different test ambient temperatures ℃
影響風(fēng)冷螺桿空壓機(jī)性能的因素多種多樣,如陰陽(yáng)轉(zhuǎn)子的幾何參數(shù)、空壓機(jī)轉(zhuǎn)速、循環(huán)潤(rùn)滑油量、機(jī)組的阻力特性等。而本文通過(guò)測(cè)試,記錄大排風(fēng)罩下不同測(cè)試環(huán)境參數(shù)(環(huán)境溫度、環(huán)境相對(duì)濕度)下被測(cè)機(jī)組的性能變化趨勢(shì),探究這2個(gè)因素對(duì)風(fēng)冷螺桿空壓機(jī)能效的影響。
針對(duì)企業(yè)研發(fā)的風(fēng)冷螺桿空壓機(jī)進(jìn)行性能測(cè)試,探究其在排氣壓力為0.7 MPa,不同環(huán)境溫度(18~30 ℃)和相對(duì)濕度(50%~90%)下,空壓機(jī)容積流量和比功率的變化。對(duì)每一工況進(jìn)行試驗(yàn)并記錄結(jié)果。
3.2.1 測(cè)試環(huán)境參數(shù)對(duì)空壓機(jī)容積流量的影響
在測(cè)試環(huán)境溫度場(chǎng)穩(wěn)定的基礎(chǔ)上,改變環(huán)境溫度和相對(duì)濕度,探究機(jī)組容積流量的變化??諌簷C(jī)容積流量隨溫度和相對(duì)濕度的變化趨勢(shì)如圖5 所示。
圖5 空壓機(jī)修正后容積流量的變化Fig.5 Change of volume flow of air compressor after correction
從圖中可以看出,在測(cè)試溫度一定的情況下,隨著相對(duì)濕度的增加,機(jī)組的容積流量不斷增加,在測(cè)試溫度為30 ℃時(shí)容積流量變化最大,相對(duì)濕度在50%~90%的變化過(guò)程中,容積流量增加了1.89%。通過(guò)理論分析可知,隨著相對(duì)濕度的不斷增加,空氣密度下降,空氣中水蒸氣分壓力不斷上升,干空氣的分壓力下降,使得進(jìn)口干空氣的密度逐漸下降,吸氣壓力降低,冷凝液修正系數(shù)增大,雖然空壓機(jī)質(zhì)量流量有所波動(dòng),但最終導(dǎo)致空壓機(jī)容積流量的上升。
隨著測(cè)試環(huán)境溫度的升高,容積流量在相對(duì)濕度小于75%時(shí),趨勢(shì)并不明顯;當(dāng)相對(duì)濕度大于75%時(shí),測(cè)試環(huán)境溫度越高,容積流量越大。原因在于,空壓機(jī)容積流量的變化,主要受空氣質(zhì)量流量和密度的雙重影響。
當(dāng)測(cè)試環(huán)境溫度升高且處于低環(huán)境濕度時(shí),空氣質(zhì)量流量下降,空氣密度受到干空氣分壓力和空氣溫度的影響,使密度整體也呈下降的趨勢(shì),但此時(shí)質(zhì)量流量的下降帶來(lái)的影響更大,表現(xiàn)為在相對(duì)濕度為50%時(shí),在30 ℃工況下容積流量最小。但隨著相對(duì)濕度的增加,空氣密度變化的影響不斷增加,最終導(dǎo)致在高相對(duì)濕度區(qū),由于水蒸氣分壓力不斷增加,致使干空氣的分壓力不斷減小,在干空氣分壓力下降與溫度升高的雙重影響下,空氣密度下降趨勢(shì)大于質(zhì)量流量的下降趨勢(shì),空壓機(jī)的容積流量也隨之增加。在相對(duì)濕度為90%時(shí)變化最大,環(huán)境溫度在18~30 ℃的變化過(guò)程中,容積流量增加0.90%。
3.2.2 測(cè)試環(huán)境參數(shù)對(duì)空壓機(jī)比功率的影響
圖6 示出了各工況點(diǎn)下空壓機(jī)的比功率,從圖中可以看出,隨著測(cè)試環(huán)境溫度和相對(duì)濕度的增加,空壓機(jī)的比功率均增大,雖然相對(duì)濕度變化時(shí),比功率有所波動(dòng),但是整體趨勢(shì)依舊變大。在環(huán)境溫度一定的情況下,濕度在50%~90%的變化過(guò)程中,比功率最大增加1.03%。在相對(duì)濕度一定的情況下,環(huán)境溫度在18~30 ℃的變化過(guò)程中,比功率最大增加3.02%。
圖6 空壓機(jī)修正后比功率隨溫度的變化Fig.6 Change of specific power of air compressor with temperature after correction
主要原因是由于在溫度升高時(shí),空壓機(jī)質(zhì)量流量減小,但單位質(zhì)量的氣體壓縮功耗增加,最終表現(xiàn)為空壓機(jī)整體功耗增加。同時(shí),在壓力相同的情況下,相比于干空氣,濕空氣的密度較小,所需要的壓縮功更多,也使得空壓機(jī)能耗增加。雖然隨著吸氣口空氣溫度和相對(duì)濕度的升高,空壓機(jī)系統(tǒng)的容積流量升高,但對(duì)于比功率而言,依舊有增大的趨勢(shì)。
圖7,8 分別示出不同型號(hào)空壓機(jī)在相對(duì)濕度50%下,比功率隨著環(huán)境溫度的變化;在環(huán)境溫度為20 ℃的情況下,比功率隨相對(duì)濕度的變化,變化規(guī)律與前文描述一致。
圖7 不同型號(hào)空壓機(jī)比功率隨環(huán)境溫度的變化Fig.8 Change of specific power of different types of air compressor with ambient temperature
圖8 不同型號(hào)空壓機(jī)比功率隨相對(duì)濕度的變化Fig.8 Change of specific power of different air compressors with relative humidity
綜上所述,通過(guò)實(shí)際測(cè)試將測(cè)試值轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)工況下空壓機(jī)吸入口空氣狀態(tài),探究了空壓機(jī)比功率隨環(huán)境溫度和相對(duì)濕度的變化規(guī)律。與此同時(shí),由于環(huán)境溫度過(guò)低,會(huì)使得螺桿機(jī)空壓內(nèi)部潤(rùn)滑油黏度上升,增加系統(tǒng)阻力,增大壓縮過(guò)程耗功,因此選擇合適的空壓機(jī)運(yùn)行溫度范圍就顯得尤為重要,既避免溫度過(guò)高帶來(lái)的壓縮空壓產(chǎn)生的能耗增加,又避免溫度過(guò)低帶來(lái)的潤(rùn)滑油阻力增大造成的能耗增加,使系統(tǒng)處于高效的運(yùn)行范圍。同時(shí),盡可能地減小空壓機(jī)使用環(huán)境的空氣相對(duì)濕度,也有利于空壓機(jī)運(yùn)行能效的提高。
(1)采用局部排風(fēng)的空壓機(jī)測(cè)試環(huán)境溫度均勻性能達(dá)到0.5 ℃以內(nèi),空壓機(jī)進(jìn)氣口溫度波動(dòng)度在±0.3 ℃以內(nèi),確保了測(cè)試環(huán)境的穩(wěn)定性。
(2)空壓機(jī)的容積流量受環(huán)境溫度和濕度的耦合影響。當(dāng)測(cè)試環(huán)境處于低環(huán)境濕度時(shí),測(cè)試環(huán)境的濕度相比溫度對(duì)容積流量的影響更大,表現(xiàn)在相對(duì)濕度為50%時(shí),30 ℃工況下容積流量最小。在高相對(duì)濕度區(qū),測(cè)試環(huán)境濕度的影響更小,表現(xiàn)為在相對(duì)濕度為90%時(shí),30 ℃工況下容積流量最大。在相對(duì)濕度一定的情況下,環(huán)境溫度在18~30 ℃的變化過(guò)程中,容積流量最大增加0.90%。在測(cè)試溫度一定的情況下,相對(duì)濕度在50%~90%的變化過(guò)程中,容積流量最大增加1.89%。
(3)隨著測(cè)試環(huán)境溫度和相對(duì)濕度的增加,空壓機(jī)的比功率均增大,相比溫度,環(huán)境濕度的變化對(duì)比功率的影響更小。在環(huán)境溫度一定、濕度在50%~90%的變化過(guò)程中,比功率最大增加1.03%。在相對(duì)濕度一定、環(huán)境溫度在18~30 ℃的變化過(guò)程中,比功率最大增加3.02%。
(4)空壓機(jī)在測(cè)試環(huán)境(相對(duì)濕度50%~90%、溫度18~30 ℃范圍內(nèi))相對(duì)濕度為50%,溫度為20 ℃時(shí),容積流量較小,比功率最小,性能最好。在實(shí)際工程中,通過(guò)適當(dāng)降低環(huán)境溫度和相對(duì)濕度,能有效地降低空壓機(jī)能耗。