论文部分内容阅读
青岛政益达实业有限公司 山东青岛 266031
摘要：本文分析了动力用空气压缩机的工作过程，分析动力用空气压缩机能量转换的机理，分析影响动力用空气压缩机能源效率的原因。通过精确分析，给出计算动力用空气压缩机压缩空气效率的衡量方法，给出一般动力用空气压缩机的能源效率值。
关键词：空气压缩机；能源效率；压缩空气；能耗
1.引言
我国的经济快速发展，使得我国的能源消耗不断的增加，降低能耗成为我国未来经济发展的主要目标之一。动力用空气压缩机的用途有很多，我國许多领域都在用动力用空气压缩机，这就使得动力用空气压缩机耗能很大，据统计我国的空气压缩系统每年消耗的能量占全国发电量的15%以上，并且空气压缩机的能量利用率不高，普遍有30%的节能潜力。所以发展高效节能的动力用空气压缩机具有十分现实的意义。要研究空气压缩机的能耗情况，首先需要研究的就是准确的计算动力用空气压缩机压缩空气的能源效率，只有准确的分析动力用空气压缩机能源效率，才能清楚空气压缩机的耗能情况，为研究高效节能的空气压缩机提供理论支持。
2.压缩机工作原理
空气压缩机是气动系统的核心设备，它是将电机能转化为空气压力能的装置，是压缩空气的能量转换装置。当前主流的空气压缩机是湿式双螺杆压缩机，主要的优点是机械设备中的零件少，不易损坏，可靠性较高，动力平衡性好，适应性强，自动化程度高。它的由一对平行、互相啮合的阴、阳螺杆组成，是回旋压缩机中应用最广的。
如图2.1所示，空气压缩机系统的工作原理是：齿间基元容积随着转子旋转而不断的增大，并且和图中机器左下方进气孔连接。气体通过进气孔进入基元容积，直到齿间基元容积超过进气口后，与进气口断开，完成进气过程；接着两个孤立的齿间基元容积由于阳螺杆的凸齿侵入阴螺杆的凹齿，基元容积同时开始缩小，实现气体的压缩过程；一对基元容积与排气孔口相连通，两个齿完全啮合时一直进行排气过程。
图2.1 螺杆压缩机理想工作原理图
3.压缩空气系统能量分析
空气的能量是由焓、动能以及势能组成的。其中，动能在压缩空气的过程中几乎可以忽略不计。在压缩空气的过程中，势能变化很小，重力势能的变化量不到空压机耗能的0.01%，所以势能也可以忽略不计。所以被压缩的空气的能量就只是焓。整个过程中压缩空气的能量如式3-1所示：
3-1
其中，H为压缩空气的能量，Cp是等压比热，m为空气质量，t为空气温度。
有效势能可以用式3-2近似计算：
3-2
被压缩空气所包含有效气体动能：
3-3
上式中P是被压缩空气的压力，Q代表被压缩空气的容积，V代表空气体积，P0代表大气压力。
4.能源效率
4.1空气焓表示能源效率
空气压缩机压缩空气的过程是一个能量转换的过程，能量转换主要是动能和势能。主要的能量转换过程是空气压缩机压缩空气做功，空气压缩机的动能转化成为被压缩其他的势能，然后被压缩气体对气动工具和元件等做功，将势能转换为机械能。焓是表示空气有限转换的能量，它具有有效能才能对外做功。所以，在常温常压之下，空气的有效能为零，在空气被压缩之下，空气具有了能量，也就具有了做功的能力。空气压缩机的功能是压缩空气，将机器的机械能转换成为空气的有效能。式3-1给出来了计算空气焓的公式。所以在压缩空气的过程中，焓的变化量就是被压缩空气的能量，可以用△H表示，如式4-1所示：
4-1
从上式可以看出被压缩空气的能量和温度变化有关，而有压力没有关系。所以当空气压缩机入口的空气温度和出口的温度一样时，被压缩的空气的焓没有变化。那么，空气压缩机做功没有使被压缩的空气能量增加，，也就是说空气压缩机的转换效率为零，所以讨论焓的变化量来反应空气压缩机的效率的方式是没有意义的。
4.2有效能表示能源效率
我们从式3-2可以看出被压缩的空气做功，做功大小为E。根据上一节分析，空气焓做功，做功大小是焓的变化量△H。所以在常温常压下，空气是不做功的，只有在压缩空气或是空气温度变化时才做功。空气压缩机就是压缩空气，使空气具有做功的能力。被压缩的空气做功是通过体积膨胀将有效能转化为机械能，在这个过程中，被压缩的空气温度下降，焓变小。空气压缩机压缩空气的最终目的是为了获得压缩空气的有效值，因此，定义空气压缩机的能量转换效率为：压缩空气的能量有效值与空气压缩机输入的能量之比：
η=E/W 4-2
上式中E表示压缩空气的能量有效值，W表示空气压缩机输入的能量
在第三节中已经知道被压缩空气所包含的能量为N，有效能为E，所以输出功率效率可以表示成式4-3所示的形式：
η=N/W 4-3
空气压缩机在标准环境下工作，用大气状态下的压缩空气气动动力值和空气压缩机输入比功率表示市4-3。那么压缩空气的能量有效值与空气压缩机输入的能量之比就变成了：
η=NP/q 4-4
上式NP表示标准大气压下空气流量为1m3/min的压缩空气的气动动力，q表示空气压缩机输入比功率。根据上式可以计算出动力用空气压缩机能源效率。
5.结论
动力用空气压缩机用来提供气源动力，是气动系统的核心设备机电引气源装置中的主体，它是将原动（通常是电动机）的机械能转换成气体压力能的装置，是压缩空气的气压发生装置。那么动力用空气压缩机就有一个关于空气压缩效率的量化概念，这样才能真正了解空气压缩机的工作效率。本文分析了动力用压缩空气系统的工作原理，提供了分析动力用空气压缩机压缩空气系统输出的气动能量效率，指出动力用空气压缩机的效率可以超过10%，给大家一个正确的空气压缩效率，为之后的有关动力用空气压缩机研究工作提供理论支持。
参考文献
[1]孙晓明.压缩空气系统气动效率研究[J].流体机械，2011，48（9）：23-27.
[2]Paul C Hanlon.压缩机手册[M].北京：中国石化出版社，2003，5.
[3]朱明善.工程热力学[M].北京：清华大学出版社，2011
[4]蔡茂林；香川利春.气动系统的能量消耗评价体系及能量损失分析[J].机械工程学报，2007年09期
[5]秦宏波；胡寿根；闵圣恺.压缩空气系统泄漏量测定方法及控制技术研究[J].流体机械，2006年10期
[6]秦宏波；胡寿根.工业压缩空气系统优化潜力研究[J].流体机械，2010年02期
[7]蔡茂林.压缩空气系统的能耗现状及节能潜力[J].中国设备工程，2009年07期
[8]潘志旸，韩俊英.压缩空气系统节能[J].通用机械，2005年03期
[9]王朝政.论压缩空气系统的节能措施[J].机电信息，2011年09期
摘要：本文分析了动力用空气压缩机的工作过程，分析动力用空气压缩机能量转换的机理，分析影响动力用空气压缩机能源效率的原因。通过精确分析，给出计算动力用空气压缩机压缩空气效率的衡量方法，给出一般动力用空气压缩机的能源效率值。
关键词：空气压缩机；能源效率；压缩空气；能耗
1.引言
我国的经济快速发展，使得我国的能源消耗不断的增加，降低能耗成为我国未来经济发展的主要目标之一。动力用空气压缩机的用途有很多，我國许多领域都在用动力用空气压缩机，这就使得动力用空气压缩机耗能很大，据统计我国的空气压缩系统每年消耗的能量占全国发电量的15%以上，并且空气压缩机的能量利用率不高，普遍有30%的节能潜力。所以发展高效节能的动力用空气压缩机具有十分现实的意义。要研究空气压缩机的能耗情况，首先需要研究的就是准确的计算动力用空气压缩机压缩空气的能源效率，只有准确的分析动力用空气压缩机能源效率，才能清楚空气压缩机的耗能情况，为研究高效节能的空气压缩机提供理论支持。
2.压缩机工作原理
空气压缩机是气动系统的核心设备，它是将电机能转化为空气压力能的装置，是压缩空气的能量转换装置。当前主流的空气压缩机是湿式双螺杆压缩机，主要的优点是机械设备中的零件少，不易损坏，可靠性较高，动力平衡性好，适应性强，自动化程度高。它的由一对平行、互相啮合的阴、阳螺杆组成，是回旋压缩机中应用最广的。
如图2.1所示，空气压缩机系统的工作原理是：齿间基元容积随着转子旋转而不断的增大，并且和图中机器左下方进气孔连接。气体通过进气孔进入基元容积，直到齿间基元容积超过进气口后，与进气口断开，完成进气过程；接着两个孤立的齿间基元容积由于阳螺杆的凸齿侵入阴螺杆的凹齿，基元容积同时开始缩小，实现气体的压缩过程；一对基元容积与排气孔口相连通，两个齿完全啮合时一直进行排气过程。
图2.1 螺杆压缩机理想工作原理图
3.压缩空气系统能量分析
空气的能量是由焓、动能以及势能组成的。其中，动能在压缩空气的过程中几乎可以忽略不计。在压缩空气的过程中，势能变化很小，重力势能的变化量不到空压机耗能的0.01%，所以势能也可以忽略不计。所以被压缩的空气的能量就只是焓。整个过程中压缩空气的能量如式3-1所示：
3-1
其中，H为压缩空气的能量，Cp是等压比热，m为空气质量，t为空气温度。
有效势能可以用式3-2近似计算：
3-2
被压缩空气所包含有效气体动能：
3-3
上式中P是被压缩空气的压力，Q代表被压缩空气的容积，V代表空气体积，P0代表大气压力。
4.能源效率
4.1空气焓表示能源效率
空气压缩机压缩空气的过程是一个能量转换的过程，能量转换主要是动能和势能。主要的能量转换过程是空气压缩机压缩空气做功，空气压缩机的动能转化成为被压缩其他的势能，然后被压缩气体对气动工具和元件等做功，将势能转换为机械能。焓是表示空气有限转换的能量，它具有有效能才能对外做功。所以，在常温常压之下，空气的有效能为零，在空气被压缩之下，空气具有了能量，也就具有了做功的能力。空气压缩机的功能是压缩空气，将机器的机械能转换成为空气的有效能。式3-1给出来了计算空气焓的公式。所以在压缩空气的过程中，焓的变化量就是被压缩空气的能量，可以用△H表示，如式4-1所示：
4-1
从上式可以看出被压缩空气的能量和温度变化有关，而有压力没有关系。所以当空气压缩机入口的空气温度和出口的温度一样时，被压缩的空气的焓没有变化。那么，空气压缩机做功没有使被压缩的空气能量增加，，也就是说空气压缩机的转换效率为零，所以讨论焓的变化量来反应空气压缩机的效率的方式是没有意义的。
4.2有效能表示能源效率
我们从式3-2可以看出被压缩的空气做功，做功大小为E。根据上一节分析，空气焓做功，做功大小是焓的变化量△H。所以在常温常压下，空气是不做功的，只有在压缩空气或是空气温度变化时才做功。空气压缩机就是压缩空气，使空气具有做功的能力。被压缩的空气做功是通过体积膨胀将有效能转化为机械能，在这个过程中，被压缩的空气温度下降，焓变小。空气压缩机压缩空气的最终目的是为了获得压缩空气的有效值，因此，定义空气压缩机的能量转换效率为：压缩空气的能量有效值与空气压缩机输入的能量之比：
η=E/W 4-2
上式中E表示压缩空气的能量有效值，W表示空气压缩机输入的能量
在第三节中已经知道被压缩空气所包含的能量为N，有效能为E，所以输出功率效率可以表示成式4-3所示的形式：
η=N/W 4-3
空气压缩机在标准环境下工作，用大气状态下的压缩空气气动动力值和空气压缩机输入比功率表示市4-3。那么压缩空气的能量有效值与空气压缩机输入的能量之比就变成了：
η=NP/q 4-4
上式NP表示标准大气压下空气流量为1m3/min的压缩空气的气动动力，q表示空气压缩机输入比功率。根据上式可以计算出动力用空气压缩机能源效率。
5.结论
动力用空气压缩机用来提供气源动力，是气动系统的核心设备机电引气源装置中的主体，它是将原动（通常是电动机）的机械能转换成气体压力能的装置，是压缩空气的气压发生装置。那么动力用空气压缩机就有一个关于空气压缩效率的量化概念，这样才能真正了解空气压缩机的工作效率。本文分析了动力用压缩空气系统的工作原理，提供了分析动力用空气压缩机压缩空气系统输出的气动能量效率，指出动力用空气压缩机的效率可以超过10%，给大家一个正确的空气压缩效率，为之后的有关动力用空气压缩机研究工作提供理论支持。
参考文献
[1]孙晓明.压缩空气系统气动效率研究[J].流体机械，2011，48（9）：23-27.
[2]Paul C Hanlon.压缩机手册[M].北京：中国石化出版社，2003，5.
[3]朱明善.工程热力学[M].北京：清华大学出版社，2011
[4]蔡茂林；香川利春.气动系统的能量消耗评价体系及能量损失分析[J].机械工程学报，2007年09期
[5]秦宏波；胡寿根；闵圣恺.压缩空气系统泄漏量测定方法及控制技术研究[J].流体机械，2006年10期
[6]秦宏波；胡寿根.工业压缩空气系统优化潜力研究[J].流体机械，2010年02期
[7]蔡茂林.压缩空气系统的能耗现状及节能潜力[J].中国设备工程，2009年07期
[8]潘志旸，韩俊英.压缩空气系统节能[J].通用机械，2005年03期
[9]王朝政.论压缩空气系统的节能措施[J].机电信息，2011年09期