張紅茹

青島政益達實業(yè)有限公司 山東青島 266031

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

關(guān)鍵詞：空氣壓縮機；能源效率；壓縮空氣；能耗

1.引言

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

2.壓縮機工作原理

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

如圖2.1所示，空氣壓縮機系統(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，并且和圖中機器左下方進氣孔連接。氣體通過進氣孔進入基元容積，直到齒間基元容積超過進氣口后，與進氣口斷開，完成進氣過程；接著兩個孤立的齒間基元容積由于陽螺桿的凸齒侵入陰螺桿的凹齒，基元容積同時開始縮小，實現(xiàn)氣體的壓縮過程；一對基元容積與排氣孔口相連通，兩個齒完全嚙合時一直進行排氣過程。

圖2.1 螺桿壓縮機理想工作原理圖

3.壓縮空氣系統(tǒng)能量分析

空氣的能量是由焓、動能以及勢能組成的。其中，動能在壓縮空氣的過程中幾乎可以忽略不計。在壓縮空氣的過程中，勢能變化很小，重力勢能的變化量不到空壓機耗能的0.01%，所以勢能也可以忽略不計。所以被壓縮的空氣的能量就只是焓。整個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。

有效勢能可以用式3-2近似計算：

3-2

被壓縮空氣所包含有效氣體動能：

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

空氣壓縮機壓縮空氣的過程是一個能量轉(zhuǎn)換的過程，能量轉(zhuǎn)換主要是動能和勢能。主要的能量轉(zhuǎn)換過程是空氣壓縮機壓縮空氣做功，空氣壓縮機的動能轉(zhuǎn)化成為被壓縮其他的勢能，然后被壓縮氣體對氣動工具和元件等做功，將勢能轉(zhuǎn)換為機械能。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機的功能是壓縮空氣，將機器的機械能轉(zhuǎn)換成為空氣的有效能。式3-1給出來了計算空氣焓的公式。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。所以當空氣壓縮機入口的空氣溫度和出口的溫度一樣時，被壓縮的空氣的焓沒有變化。那么，空氣壓縮機做功沒有使被壓縮的空氣能量增加，，也就是說空氣壓縮機的轉(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才做功?？諝鈮嚎s機就是壓縮空氣，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)化為機械能，在這個過程中，被壓縮的空氣溫度下降，焓變小。空氣壓縮機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

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

η=NP/q 4-4

上式NP表示標準大氣壓下空氣流量為1m3/min的壓縮空氣的氣動動力，q表示空氣壓縮機輸入比功率。根據(jù)上式可以計算出動力用空氣壓縮機能源效率。

5.結(jié)論

動力用空氣壓縮機用來提供氣源動力，是氣動系統(tǒng)的核心設(shè)備機電引氣源裝置中的主體，它是將原動（通常是電動機）的機械能轉(zhuǎn)換成氣體壓力能的裝置，是壓縮空氣的氣壓發(fā)生裝置。那么動力用空氣壓縮機就有一個關(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的工作效率。本文分析了動力用壓縮空氣系統(tǒng)的工作原理，提供了分析動力用空氣壓縮機壓縮空氣系統(tǒng)輸出的氣動能量效率，指出動力用空氣壓縮機的效率可以超過10%，給大家一個正確的空氣壓縮效率，為之后的有關(guān)動力用空氣壓縮機研究工作提供理論支持。

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