压缩空气系统气动效率研究

　　着重要意义。

　　完整压缩空气系统由空气压缩机组、后处理设备、输送管路、压力控制、气动元器件组成，即压缩空气气动系统。系统工作原理是：压缩机将空气压缩至额定压力，后处理设备加以处理，管网输送至用气单位，再经调节到使用压力，驱动气动工具、元器件工作，典型系统如所示。

　　典型压缩空气气动系统示意随着对节能的重视，越来越多的人开始对压缩空气系统输出气动效率进行研究，由于过程复杂，很难得到精确、清晰的结果。很多人对气动系统效率只有大概、模糊概念，缺少准确的量化认识。

　　本文旨在通过PV图热力学分析，对压缩、气动过程进行研究，精确确定系统各种状况过程的输出能源效率，并可通过图示直观显示。目的是使得大家明确系统各形式、过程效率，对系统进行优化技术要求、设计参数，合理选用高效气动工具、元器件；也为目前研究压缩空气作为动力驱动、储能，提供。

　　2压缩空气系统能量分析压缩空气系统中压缩空气能量是由焓、运动能和势能组成。压缩空气输送、使用过程，运动能和势能比较小以致可以忽略不计。流动压缩空气的能量公式为：Cp―等压比热0空气温度为了便于分析，本文将压缩空气系统内的能量转换，简化认为是压缩机组做功将空气压缩，能量储存到压缩空气中，压缩空气对气动工具、元器件释放能量输出机械功，实现动力传递。本文通过分析压缩空气体积V的压缩或膨胀、压力P变化过程来实现分析系统的能量过程。

　　效能概念。压缩空气的对外做功能力，即压缩空气所含焓中可转换成机械能的部分，该部分能量称为压缩空气的有效能。有效能是在相对环境下，压缩空气在等温膨胀下的做功能力，是压缩空气理想做功能力。

　　压缩空气流束所含的有效气动动力为：一压缩空气绝对压力一压缩空气容积流量一空气体积P.――大气压力式（2）、（3）可以用来计算系统中各过程的压缩空气有效能。

　　系统热力学过程PV图如所示。

　　系统热力学基本过程PV图般压缩机（以螺杆压缩机为例）热力学工作过程为：1-2-3-4方向，对气体做的功为：1-2-3-4 -1面积5.气动有效能热力学工作过程为：4-5-2-1方向，气体做的机械功量为：4-5 -4面积，这是等温膨胀过程，等于等温压缩功，是个理想过程。

　　3典型压缩空气系统气动过程为了能对效率得到直观认识，本文PV图示将全部按比例做出，可以通过图示面积比较显示。为方便图示分析，PV图中气动单元空气量与压缩单元空气量相同；气动元器件选择气动气缸、气马达，以其的热力学过程为例分析。

　　典型压缩空气气动系统为：压缩机组一后处理设备一压力调节装置一气动机械及管路，如所示。本文主要对压缩空气后处理、输送，压力调节控制、气动原理的热力学过程能源效率研究。压缩机技术已经很成熟，效率状况很明确，本文简化用压缩机比功率得出（因机组输入比功率实际反映压缩机的能效状况，本文提及的比功率，全部为机组输入比功率）。

　　目前动力用空气压缩机，螺杆压缩机占据大多数，本分析以螺杆压缩机示功图为例，分析压缩过程及比功率值、压缩过程效率。压缩机、气动过程PV图，压缩空气作为理想气体，过程为理想状况，没有压力损失。压缩机的各种能量损失统在比功率中考虑（包含透平压缩机在内的其它类型压缩机，大家可以通过比功率比较，得到压缩过程效率）。

　　系统参数取一般压缩空气动力系统，压缩机进气压力为：0.1MPa，输出压力为：0.8MPa（本文所述及图中压力均绝对压力），空气压缩性指数为：n =1.1，PV示功图如所示。压缩机的机组输入比功率范围在5.6~17.4kWm3/min），微型压缩机的比功率值大，大型离心压缩机的比功率值小。本文取具有代表性55~90kW螺杆压缩机的2级能效值6.9kW/（m3/min）可作为压缩机的比功率平均值，用于计算效率。

　　-2-3-4-1为压缩机对空气的压缩过程，压缩机对空气做功量Wm为1 -2-3-4-1的面积；压缩机对空气做功效率为55.9%.下面分两种情况进行分析：（1）压缩空气输送压力损失。压缩空气经过后处理、管路输送，存在压力损失；（2）用气压力损失。用气单位在控制调节、用气时，会再出现压力损失。

　　3.1压缩空气输送压力损失状况实际运行中，压缩机输出压缩空气后，经过后处理设备、管路，都会有压力损失，通常出现0.1MPa的压差是正常的，若系统设计、运行管理不合理，则会出现很大压差。下面对出现的几种压差值损失输出能源效率进行分析。

　　压缩空气被生产后，经过冷却，再经后处理。

　　在输送过程，管路比较长，压缩空气会进步冷却。本文假设管路输送过程与环境充分换热，冷却到与环境相同温度，即=T通常的气动气缸、气马达，压缩空气工作是接近等压驱动过程。本文气动气缸、气马达作为典型，以等压过程研究。

　　（1）假设压缩空气输送没有压力损失，如-2-5-4为理想等温压缩过程，压缩空气的有效能等于等温压缩功为：1 -2-5-4-1的面积也就是公式（2）表示的有效能，是压缩空气能够对外做出的*大功，也是气动可能获得*大的能量。计算得出理想的压缩空气系统有效能效率为50.6%.压缩空气气动做功膨胀基本都没有得到利用2，热力学过程为4-5-6-1过程；系统输出气动能为4 -5-6-1-4的面积，图中网格面积；系统输出气动能量效率为21.1%（2）压缩空气输送出现压力损失时，5、6、7、8所示。压缩空气做功为5-6-7-1过程；压缩空气的有效能量疋为5-6-7-1 -5的面积，即图中网格面积。下面是在几种压力损失时，压缩空气对气动元件输出能量效率状况。

　　=0.7MPa，见，系统输出气动能量效率：20.7%；当压力损失为0.2MPa，即：Pd-P！=0.2MPa，P3=Pi=0.6MPa，见，系统输出气动能量效率：20.1%管网无压力损失时系统PV图管网0.2MPa压力损失时系统PV图合理的配管、接头，出现不该有的过大减压，这个过程往往是绝热膨胀、或接近绝热的吸热膨胀，由于过程很短，压缩空气不能较好得到换热。为方便分析，本文把用气单位压力损失作为绝热膨胀过程研究。

　　下面过程取输送压力损失为0. 7MPa），用气单位出现几种压力损失值时，压缩空气对气动元件输出能效率状况。如~12，6-7为绝热膨胀线，压缩空气做功为9 -7-8-1过程；压缩空气的有效能量疋为9-7-8-1-9的面积，即图中网格面积。

　　量效率：19.3%；=0.4MPa，见，系统输出气动能量效率：18.1%；量效率：16.1%. 3.2用气单位压力损失状况压缩空气系统中，用气单位在接近气动元器件时，会安装压力调节控制元件，还大量的出现不为了分析方便，本文将未作分析各项过程设想为理想状态，实际过程非常复杂，还有多种影响压缩空气系统气动效率的因素，系统还有很多能量损失，如其中比较大的有：（1）通常有10%~30%的泄漏损失6‘7；（2）压缩机机组气量减荷，效率损失有5%~20%；（3）压缩机运行参数不合理会有3%~10%效率损失，如：8MPa压力空气压缩机，运行压力每上升0.1MPa，将增加能耗6%左右。因此，可以得出系统实际运行中，输出气动能量效率会比上节所述效率还要低20%左右，甚至更多。

　　由于压缩机的效率不同，压缩机对空气做功效率差异也非常大，大型压缩机效率比较高，小型压缩机效率要低很多。如果系统使用的是小型压缩机，效率甚至只有本文计算的1/2左右。

　　实际的压缩空气气动系统，气动工具及元器件的机械损失及配管内残余空气的排放引起的损失，对系统效率都有很大影响。根据8，气动气缸驱动系统的效率仅为6%.现在出现各种节能型式研究热潮，不少人在进行压缩空气储能研究。其中有为了平衡用电等情况，在用电低谷时，将电能转化压缩空气能量储能，用电高峰时，再释放压缩空气转化为电能及其它能量；还有一种是，将电能转化为压缩空气能量储存，用于驱动汽车、轮船等。由于是高压储气，高压压缩机的较低效率和储能释放前的减压损失，都会使系统效率下降。

　　本文通过TV图示方法分析压缩空气系统气动热力学过程，提供了方便、直观认识压缩空气系统输出气动能量效率、影响效率因素的方法；通过对典型参数系统为例分析，获得对压缩空气系统气动效率状况明确地认识。