压缩空气能量的度量基准探讨

　　以压缩空气为介质的气动系统已得到广泛的应用。人们是否注意到，压缩空气系统每年消耗气量所使用的电力约占全国发电量的10%.就当前的气动应用系统状况，节省10%~30%的耗气量是芫全可以做到的。这对中国这样一个缺能大国，是非常有价值的事。

　　要节省气动系统的能量，首先就涉及到某个气动系统或某单位的气动应用系统使用了多少能量，这些能量是如何使用掉的，然后，才能进一步分析哪些能量可以采取怎样的措施能够节省下来。这就先碰到两个问题，一是如何度量流动和不流动的压缩空气具有多少能量；二是如何测定该能量的大小。

　　1压缩空气的能量分析气动系统中，压缩空气的流动是相当复杂的。如所示，推动气缸运动的气动系统，当换向阀1复位时，气缸2无杆腔内为大气压力pa，而有杆腔内则为供给压力ps，整个气动系统内处于不流动状态，但无杆腔内静止的压缩空气已具有一定的能量。阀1换向时，压缩空气向气缸无杆腔充气，同时，无杆腔压缩空气则通过收稿曰期：控制的教学与研究工作。换向阀向外排气。充气开始，两端压力比Pa也一般小于气动充气回路的临界压力比b，故是以声速充气。直至缸内压力P与ps之比大于b值时，向缸内充气，才是亚声速充气。随P/Ps增大直至1，充气才由亚声速充气变成低速充气直至停止充气。气缸无杆腔则是从一开始的声速排气，逐渐变成亚声速排气、低速排气，直至排气停止。在充排气过程中，沿流动方向，还存在由于流动而产生的压力损失（即能量损失，机械能转化为热能）。且在流动的任一截面上，流动参数（如速度、压力等）也不是均匀的。气缸在动作过程中，也存在对外作功和与外界存在热交换的现象。由以上分析可见，气缸本身存在内部气体的热力学能，与外界进行热量交换和对外作功的能量守恒与转换。气动系统内的气体流动却是一种非一元、不可压缩和可压缩流动都存在、非理想流体（存在压力损失）、非定常流动（是充排气流动）。要对这样复杂的流动进行各种能量（如热力学能、动能、压力能、热功交换等）及其相互转化的分析是很困难的，但我们剖析静止压缩空气所具有的能量及流动的压缩空气在一定时间内的总消耗能量是可以做到的。这就可以进行压缩空气的成本孩算、节能分析等许多工作了。

　　2气体无明显宏观运动的能量分析气动元件或系统内的气体无明显宏观运动时，即气体的流动速度远远小于微观的分子运动速度时，如气缸在动作过程中缸内的气体运动就是如此，缸内气体从热力学能为Il的状态变化至热力学能为I2的状态的变化过程中，外界向缸内气体传递了热量Q，同时，缸内气体对外界作功为W，按能量守恒与转换定律，有Q=（I2-）+W（1）0；向外界放热，Q<0.缸内气体对外作功，W>0；外界对缸内气体作功，W<0.几种特定状态变化过程的热力学能变化、过程功及过程热量等如表1所示。

　　表1中，分别是气体的压力、温度和质量体积。Ai和-h分别表示单位质量气体的热力学能变化和焓的变化。Cp是质量定压热容，Cv是质量定容热容，让=01/（是热容比，也称作等熵指数。w和q是单位质量气体的过程功和过程热量。C是比热容。

　　由表1可见，能量守恒与转换的具体表现是与热力过程有关。如等容过程中，从外界吸收的热量，全部用来增加缸内气体的热力学能，表现为温度上升等。而等温过程中，热力学能不变化。等温膨胀时，从外界吸收的热量全部用于对外作功；而等温压缩时，外界对气体作功，全部转化为气体向外界放出的热量。

　　谈论无明显宏观运动的气体能量，通常是指气体处于某状态而言，即热力过程的始末，也没有必要对状态变化过程中的能量去进行分析。我们知道，静止气体的焓就是气体的总能量（含热力学能及机械能）。焓h是单位质量的气体在流动时所具有的包拮微观运动能量在内的能量。当1kg气体通过外界流入系统时，不仅将气体的质量势力学能1带进系统，同时，还把从后面获得的推动功（也可称作压力能，因是压力p产生的推动功）pV也带进系统，故有在热力变化的过程中，虽热力学能1与推动功Pv可相互转化，但只有转化后的推动功才能作为机械能，即未转化为推动功的热力学能是不能作为机械能的。

　　故对质量为m、体积为V的气体而言，利用气体状态方程pV=RT，其总机械能Ep可以推出下式。

　　此总机械能就是该压缩气体具有作机械功的能力。总机械能就是该压缩空气的压力p与体积V的乘积。

　　应当注意，式（3）中的压力p应以表压力计。因为推动气缸运动必须克服外界已存在的大气压力的反作用力，故实际具有的总机械能必须扣除大气压力的影表1几种特定的热力过程特定热力过程等容过程v=C等压过程p=C等温过程T=C绝热过程q=0状态方程热力学能变化焓的变化过程功w=！pdv求得p2=0.3925MPa（绝对压力）在p2作用下，喷嘴内可达声速吹气。设S2是临界截面（M=1），根据气体动力学函数表，由=0. 275，查得S1管路内的马赫数吣=0.16，故￡=1.018，按下式可计算通过喷嘴的流量qa求得吹气的*大总流动功率（767-657）x5=5505压缩空气能量的度量基准探讨由以上分析，本文提出以下度量压缩空气能量的计算公式。

　　用总机械能来度量静止压缩空气的能量。由式（3）可计算总机械能。

　　用总流动功率来度量流动的压缩空气具有的能量。由式（8）可计算不可压缩流动中，某缓变流截面上的总流动功率。由式（13）可计算可压缩流动中，某缓变流截面上的总流动功率。由相邻两缓变流截面的总流动功率之差，可计算这两个缓变流截面之间的能量损失大小。

　　用*大总流动功率来度量气动回路或气动装置已使用掉的能量大小。由式（9）可计算不可压缩流动的*大总流动功率。由式（14）可计算可压缩流动的*大总流动功率。

　　有种观点认为，压力为P、体积为V的压缩空气的有效能，可以用该压缩空气等温膨胀成大气压力所作的功来表达。理由是，等温膨胀过程，压缩空气对外作功与其他过程（如绝热过程）相比，理论功*大。故认为压缩空气的有效能为且压缩空气流动时的有效功率为当压力为p、体积为V的压缩空气，压力由p等温膨胀至压力Pa的过程中，从外界吸收了热量，该热量又全部用来对外作功，其大小是由式（15）表达，但式（15）并不是压力为p、体积为V的压缩空气自身具有的有效能。像等容过程，虽对外作功为零，但并不意味该过程的气体没有有效能。所以，用式（16）来计算流动的压缩空气的有效功率也是不对的。

　　对例1，按式（3）计算，该压缩空气的总机械能为21X105.若按式（15）计算，该压缩空气的有效能可达49.9x105.相差太大了。

　　6压缩空气能量的测定静止的压缩空气具有的总机械能可用式（3）计算，故只要测得体积为V的压缩空气的表压力p便可。

　　要测定流动的压缩空气的总流动功率，除需测定标准状态下的体积流量qa外，还要测出缓变流截面上的总压p和静压p等。因气动回路中的连接管内径都比较小，测定总压、静压比较困难。作为工程问题，而不作为研究课题的话，可以不关心总流动功率的测定，只要测出*大总流动功率，便得知气动回路或气动装置使用了多少能量，从而可进一步研究节能措施和进行运行成本孩算。

　　测量*大总流动功率，从式（9）和式（14）可知，只需测出气动回路或装置所使用的气源压力ps和气源温度Ts，再测出通过该气动回路或装置的标准状态下的体积流量qa便可。

　　是利用PFA系列数字式流量开关来测定有压状态下的体积流量qv或标准状态下的体积流量qa.因qv是在管路中压力为p的状态下的体积流量，故应同时测出p.已知p和qv，可利用式（17）计算出qa.像所示的充排气回路，其*大总流动功率Nmx是时间的函数，若测出Nmx与时间t的变化如所示。则在一定时间周期T内，该气动回路所消耗的总机械能，便是所示曲线与时间轴线之间所包围的面积，用公式表示则是