秦　莉，顏蘇芊，劉　寧，魏世祥

(西安工程大學環(huán)境與化學工程學院，西安　710048)

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吸氣參數(shù)對紡織企業(yè)不同類型空壓機性能影響的研究分析

秦莉，顏蘇芊，劉寧，魏世祥

(西安工程大學環(huán)境與化學工程學院，西安710048)

摘要：采用實驗測試與理論計算相結(jié)合的分析方法，探討吸氣參數(shù)對紡織企業(yè)常用空壓機性能的影響。結(jié)果表明：離心式空壓機運行效率高于螺桿式空壓機；空壓機吸氣參數(shù)與其性能關(guān)系密切，溫度每增加1℃，變頻螺桿式空壓機全效率與多變效率分別降低約0.678%、0.898%，離心式空壓機分別降低約0.517%、0.832%；含濕量每增加1g/kg(干空氣)，螺桿機效率分別降低約0.457%、0.644%，離心機效率分別降低約0.277%、0.438%；焓每增加1kJ/kg(干空氣)，螺桿機效率分別降低約0.155%、0.235%，離心機效率分別降低約0.125%、0.151%；當進口空氣參數(shù)變化時，螺桿機較離心機效率變化更明顯，且對于同類型空壓機，當吸氣參數(shù)改變時，其多變效率較全效率變化更顯著。

關(guān)鍵詞：空氣壓縮機；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，現(xiàn)已成為紡織企業(yè)僅次于電力的第二大動力源。而壓縮空氣的生產(chǎn)是一個高能耗的過程，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40%。一個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，空壓機是壓縮空氣的氣源裝置，也是整個系統(tǒng)中最重要的部分，其耗電量占系統(tǒng)總耗電的96%。[1]當空壓機吸氣溫度每增加3℃，空壓機的功耗就要增加1%左右。[2]壓縮空氣來源于大氣，其溫濕度會隨時間波動，這種波動會對空壓機乃至整個系統(tǒng)產(chǎn)生不可避免的影響?？諌簷C吸入高溫高濕空氣進行壓縮，會導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)對空壓機耗能的影響，采取積極措施降低空壓機吸氣溫濕度，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)常用空壓機及其工作原理，然后介紹了常用的空壓機性能分析方法，最后針對紡織企業(yè)常用的變頻無油螺桿空壓機與離心式空壓機，采用實驗測試與理論計算相結(jié)合的分析方法，探討了吸氣參數(shù)對空壓機性能的影響。

1　紡織企業(yè)常用空壓機及其工作原理

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

1.1離心式空壓機工作原理

離心式空壓機是將葉輪動能轉(zhuǎn)化為空氣的壓力和動能。工作時，各級主機葉輪高速旋轉(zhuǎn)，使空氣受到離心力在產(chǎn)生壓力的同時獲得流速，空氣離開葉輪后經(jīng)擴壓器、擴張通道等擴壓裝置將動能轉(zhuǎn)化為壓力能，使空氣壓力得到進一步提升。同時經(jīng)過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。三級壓縮離心式空壓機，其冷卻水系統(tǒng)與空氣系統(tǒng)的工作流程見圖1。

圖1　三級壓縮離心式空壓機工作流程

1.2螺桿式空壓機的工作原理

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

圖2　二級壓縮螺桿式空壓機工作流程

2　空壓機性能分析方法

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

(1)

式中：Pair為輸出壓縮空氣有效氣動功率，kW；Pele為空壓機消耗電功率，kW。輸出壓縮空氣有效氣動功率Pair是壓縮空氣空氣流動時，壓縮空氣流束含有的有效能表現(xiàn)為動力的形式[3]，可通過式(2)計算：

(2)

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

空壓機實際工作是一種多變壓縮過程，多變效率是多變壓縮過程消耗的功和實際壓縮過程所消耗功之比。多變壓縮效率ηs·n可通過式(3)計算：

(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。

多級離心式空壓機，其多變軸功率可通過式(4)計算：

Ps·n=

(4)

多級螺桿式空壓機，其多變軸功率可通過式(5)計算：

(5)

3　吸氣參數(shù)對不同類型空壓機性能影響的分析

3.1吸氣溫度對空壓機性能的影響

空壓機性能與其吸氣溫度密不可分，本實驗在空壓機吸入空氣的含濕量分別為11.1g/kg(干空氣)和15.7g/kg(干空氣)時對吸入不同溫度空氣的螺桿式與離心式空壓機功率及其效率進行測試分析，測試結(jié)果見表1。

表1相同進氣含濕量不同溫度空壓機的測試結(jié)果

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

通過對空壓機相同吸氣含濕量不同溫度性能的測試分析發(fā)現(xiàn)：離心式空壓機的全效率與多變效率均明顯高于變頻螺桿式空壓機，且空壓機吸氣溫度對螺桿式空壓機性能影響較離心式空壓機更明顯。當吸氣含濕量相同時，空壓機進氣溫度越高，運行效率越低，溫度每增加1℃，變頻螺桿式空壓機全效率與多變效率分別降低約0.678%和0.898%；離心式空壓機的全效率與多變效率分別降低約0.517%和0.832%。當吸氣溫度升高時，同類空壓機多變效率比全效率變化更顯著。

3.2吸氣含濕量對空壓機性能的影響

吸氣含濕量對空壓機性能影響不可忽略，本實驗在螺桿式空壓機吸入空氣的溫度分別為25℃和31℃、離心式空壓機吸氣溫度分別為21℃和33℃時，對吸入不同含濕量空氣的空壓機功率及其效率進行測試分析，測試結(jié)果見表2。

表2相同進氣溫度不同含濕量空壓機的測試結(jié)果

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

通過對空壓機相同吸氣溫度不同含濕量性能的測試分析發(fā)現(xiàn)：空壓機吸氣含濕量升高較溫度升高，性能變化略小。當空壓機含濕量增加時，螺桿式空壓機性能變化較離心式空壓機更明顯。當吸氣溫度相同時，空壓機進氣含濕量越高，運行效率越低，含濕量每增加1g/kg(干空氣)，變頻螺桿式空壓機全效率與多變效率分別降低約0.457%和0.644%；離心式空壓機的全效率與多變效率分別降低約0.277%和0.438%。當吸氣溫度升高時，同類空壓機多變效率比全效率變化更顯著。

3.3吸氣焓值對空壓機性能的影響

焓是工質(zhì)的復合狀態(tài)參數(shù)，濕空氣的焓以1kg干空氣為計算基礎(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]本實驗對空壓機吸入空氣不同焓值空氣時的功率及其效率進行測試分析，測試結(jié)果見表3。

表3不同進氣焓值空壓機的測試結(jié)果

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

通過對空壓機吸入不同比焓空氣的性能測試分析發(fā)現(xiàn)：當空壓機吸氣焓值升高時其降低。當空壓機進氣焓每增加1kJ/(kg(干空氣)，變頻螺桿式空壓機全效率與多變效率分別降低約0.155%和0.235%；離心式空壓機的全效率與多變效率分別降低約0.125%和0.151%。當吸氣焓值增加時，同類空壓機多變效率比全效率變化更顯著。

4　結(jié)　論

通過對某紡織企業(yè)空壓機不同吸氣參數(shù)下不同類型空壓機效率進行研究分析，可以得出以下結(jié)論：

a)紡織廠常用的空壓機按照其不同的工作原理有離心式和螺桿式空壓機兩類，離心式空壓機的效率高于螺桿式空壓機。對于同時擁有離心和螺桿式空壓機的企業(yè)，應盡量使用離心式空壓機生產(chǎn)壓縮空氣，以降低壓縮空氣的生產(chǎn)成本。

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

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

d)進口空氣焓值對空壓機性能影響不可忽略，當空壓機進氣焓每增加1kJ/(kg(干空氣)，變頻螺桿式空壓機全效率與多變效率分別降低約0.155%和0.235%；離心式空壓機的全效率與多變效率分別降低約0.125%和0.151%。

e)當進口空氣參數(shù)變化時，螺桿式空壓機較離心式空壓機效率變化更明顯；對于同類型空壓機，當吸氣參數(shù)改變時，其多變效率較全效率變化更顯著。

根據(jù)以上結(jié)論，本文對紡織企業(yè)提出以下建議：空壓機能耗影響整個系統(tǒng)甚至整個企業(yè)的能耗，企業(yè)應采取積極措施降低空壓機進口空氣溫度和濕度，以提高空壓機運行效率，減少空壓機耗能，降低企業(yè)生產(chǎn)成本，提高企業(yè)市場競爭力。

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(責任編輯：康鋒)

收稿日期：2015-07-22

作者簡介：秦莉(1991-)，女，江蘇無錫人，碩士研究生，主要研究方向為壓縮空氣系統(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：TH138.21

文獻標志碼：A

文章編號：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