能效參考/工業/壓縮空氣/技術入門
- 本節旨在讓您熟悉壓縮空氣系統中通常遇到的裝置和術語。本節分為三個小節
- 如何識別工業壓縮空氣系統及其相關裝置的關鍵元件。
- 本節提供了不同型別系統控制的效能關係。效能曲線包括圖形化地顯示氣流和功率之間的關係。
- 定義
- ACFM：壓縮機損失後實際輸送的氣流
- ACFM-FAD：過濾器前氣流（自由空氣輸送量）
- CFM：每分鐘立方英尺氣流
- ICFM：進氣法蘭處的氣流
- 調製控制：減少氣流以匹配部分負荷要求的方法，包括節流閥、轉閥、螺旋閥或滑閥。
- Psi：每平方英寸磅的壓力
- Psig：Psi 計，以大氣壓為參考
- Psia：Psi 絕對壓，海平面為 14.7 psi
- SCFM：標準條件下的等效氣流（兩個不同的標準，CAGI 和 ASME 使用相同的術語）
- CAGI（壓縮空氣與氣體研究所）：14.7 psiz，60 F，0% rh（相對溼度）
- ASME：14.7 psia，68 F，36% rh
- 卸荷和卸荷點：壓縮機卸荷時的壓力
- 為了評估裝置空氣系統，重要的是能夠識別所使用的裝置型別，並大體瞭解該裝置的工作原理。以下部分介紹了您可能在壓縮空氣系統中遇到的常見裝置以及重要細節。
- 往復式和螺桿式壓縮機是最常見的兩種型別的空氣壓縮機。其他型別的壓縮機在附錄中描述。空氣壓縮機通常需要輔助裝置來乾燥空氣，去除油和緩衝壓力波動。
- 往復式壓縮機使用活塞在氣缸中壓縮空氣。它們的操作類似於汽車發動機。小型往復式壓縮機使用單作用壓縮行程，而大型壓縮機使用雙作用活塞。雙作用活塞在向上和向下行程中壓縮空氣。往復式壓縮機在廣泛的操作條件下提供良好的效率，並且在低壓應用中非常高效。然而，往復式壓縮機比螺桿式壓縮機需要更多的維護。在西北地區，往復式壓縮機比螺桿式壓縮機不太常見。附錄中對往復式壓縮機的更完整描述。
- 螺桿式壓縮機是西北地區最普遍的壓縮機型別。螺桿式壓縮機使用兩個齧合的螺桿。這些螺桿旋轉，迫使空氣流過它們之間。當空氣透過螺桿時，螺桿之間間隙的體積減小，從而壓縮空氣。
- 大多數壓縮空氣系統都包含空氣乾燥機。許多工業應用需要含水量低的空氣。例如，氣動控制通常需要乾燥空氣。在較冷的氣候中，含有水分的空氣會導致冰塊形成，從而堵塞或損壞管道。高含水量還會導致任何壓縮空氣系統腐蝕。乾燥要求和空氣的體積決定了所需的空氣乾燥機型別和尺寸。典型的空氣乾燥機使用製冷或吸附劑從空氣中去除水分。
- 後冷卻器提供從 150 華氏度以上的熱壓縮空氣進行初始冷卻。透過使用接近溼球溫度的冷卻塔水，水冷可以更有效。來自壓縮機室的空氣通常比室外空氣更熱。後冷卻器會凝結壓縮空氣中的一些水蒸氣，但通常不足以用於氣動工具或氣動控制。考慮廢熱的使用。避免城市自來水冷卻流入下水道。
- 製冷式空氣乾燥機能夠將壓縮空氣的露點（空氣完全飽和並開始液化空氣中的水分的溫度）降低到 35-50 華氏度。通常，這些都是必需的，並且通常是乾燥空氣的最經濟的方法。製冷式空氣乾燥機透過製冷系統冷卻壓縮空氣來工作。水分從冷卻的空氣中凝結出來，並被幹燥機捕獲。運營成本大約為每百萬立方英尺空氣 5.00 美元至 8.00 美元。這與每百萬立方英尺空氣 130 千瓦時相關聯。
- 吸附式空氣乾燥機可以達到比製冷式乾燥機更低的露點；低至 -150 華氏度。吸附式空氣乾燥機由兩個吸附劑彎管組成，壓縮空氣透過這些彎管。一個控制系統將所有空氣引導透過一個床，而另一個床則再生。再生過程在不同的吸附劑乾燥機之間有所不同，並且對執行成本有很大影響。所有系統都將乾燥的壓縮空氣吹過吸附劑床以再生它，然後將空氣和水分排放到大氣中。一些型號會先加熱乾燥的空氣以提高其吸收水分的能力。熱型效率更高，因為將空氣加熱到 300 華氏度所需的能量少於壓縮和乾燥其他空氣的能量，而其他空氣本來是必要的。加熱式空氣乾燥機只需要大約 1-7% 的總壓縮空氣來沖洗吸附劑床，而未加熱式乾燥機則需要 15% 或更多。吸附式乾燥機比製冷式空氣乾燥機更昂貴，維護和執行成本更高，但可以達到更低的露點。這些通常是唯一的選擇。運營成本在每百萬立方英尺空氣 15 美元到 30 美元之間。這與每百萬立方英尺空氣 300 到 500 千瓦時相關聯。這是用於再生乾燥機的壓縮空氣的成本。所需的額外壓縮空氣可能是巨大的成本。
- 膜式乾燥機是市場上相對較新的產品。它們使用半透膜，允許乾燥的空氣透過，同時阻止水蒸氣。這些乾燥機易於維護，可以達到低至 35 華氏度的露點，但是，它們會導致系統容量下降 9-10%，因為許多壓縮空氣會與水蒸氣一起損失在膜系統中。這種型別的空氣乾燥的執行成本很低，因為膜很少需要更換。
- 帶有卸荷或斷續控制的壓縮機需要儲氣罐來儲存壓縮空氣以供日後使用。儲氣罐應足夠大，以最大限度地減少壓縮機迴圈次數。一個常見的經驗法則是每 SCFM 輸出一加侖的儲氣空間，但是，就像在德克薩斯州一樣，更大更好，因為它會延長壓縮機迴圈週期。
- 在螺桿式壓縮機中，兩個齧合在一起壓縮空氣的螺桿如果沒有油會很快磨損。許多螺桿式壓縮機採用的潤滑程式會將油引入壓縮空氣中。油分離器在壓縮過程之後去除這種油。油分離器本質上是與金屬擋板配合的聚結過濾器。聚結過濾器會捕獲其可消耗元件中的微觀油滴。當空氣透過過濾器時，夾帶的油會聚結並滴落出來。空氣中殘留的任何油都會縮短工具壽命，因此保持分離器正常工作是值得的。維護不善的油分離器通常會給壓縮空氣系統帶來過大的壓降。壓降不應超過分離器兩側的 5 psi。當壓降大於 5 psi 時，則需要進行維護。
- 一些空氣壓縮機配備有空氣再熱器，用於在空氣乾燥後加熱空氣。加熱的空氣膨脹，增加壓力並減少壓縮機為達到給定壓力所做的功。系統的加熱程度和有效性因情況而異。如果熱量在分配系統中損失，則再熱器沒有幫助，這就是為什麼這種策略很少使用或推薦的原因。
- 以下是功率與氣流之間關係的介紹。這種關係是分析潛在節約中使用的所有計算的核心。
- 功率（%P）是指壓縮機功率，表示為滿載功率（FLP）的百分比。例如，如果壓縮機的滿載功率為 100 千瓦，並且在特定負載下壓縮機使用 74 千瓦，則該負載的百分比功率為 74%（74/100）。
- 氣流（%C）是指壓縮機輸送的空氣，表示為容量的百分比。例如，如果壓縮機的容量為 200 acfm，並且在特定負載下它輸送 120 acfm，則其百分比容量為 60%（120/200）>
- 可以比較功率和氣流以建立壓縮機效能曲線。功率與氣流之間的關係取決於用於使壓縮機輸出與負載匹配的策略。以下部分介紹了不同控制策略的功率與氣流關係。
- 有關每種控制型別的更多資訊，包括
- 簡要說明控制策略。
- 功率（%P）和氣流（%C）之間的關係式。
- 優點和缺點
- 壓縮機效能圖表，顯示功率與氣流之間的關係。
1) 節流控制
- 壓縮機型別：螺桿式
- 操作
- 節流控制透過使用滑閥或蝶閥在壓縮機入口處產生部分真空來工作。部分真空限制了進入壓縮室的空氣質量，從而降低了壓縮的空氣量。
- 功率和氣流關係
- 功率：%P = （滿載 %P - 無負載 %P） x 負載 %C + 無負載 %P
- 氣流：%C = （負載 %P - 無負載 %P）/（滿載 %P - 無負載 %P）
- 優點
- 恆定排放壓力
- 良好的高負荷效率
- 缺點
- 低負荷效率差
- 典型的無負載功耗： 60-72% 的滿載功率
2) 轉閥或滑閥控制
- 壓縮機型別：螺桿式
- 操作
- 旋轉閥控制透過改變壓縮腔的有效長度來調節壓縮的空氣量。一個帶螺紋的軸旋轉以開啟壓縮機機殼上的埠。在有開放埠的轉子扇區內，空氣壓縮無法開始。這改變了空氣所處的腔體長度，並改變了容積壓縮比。彈簧閥的工作原理與旋轉閥類似。它們不是旋轉閥，而是一系列類似於汽車發動機閥門的閥門，它們在螺桿的長度方向上以離散的位置排列，允許空氣在沒有進一步壓縮的情況下排出。在這兩種情況下，閥門的執行都是為了匹配壓縮機輸出和工廠空氣需求。
- 功率和氣流關係
- 功率：%P = (滿載 %P - 無載 %P) x 負載 %C^2 + 無載 %P
- 氣流：%C = ((負載 %P - 無載 %P)/(滿載 %P - 無載 %P))1/2
- 優點
- 高負載效率良好
- 低儲氣罐容量需求
- 恆定排放壓力
- 缺點
- 低負載效率低
- 功率消耗： 55-60% 的滿載功率
3) 開關控制
- 壓縮機型別：螺桿式，往復式
- 操作
- 開關控制根據需要開啟和關閉壓縮機。壓縮機以滿載執行，直到達到最大壓力，然後關閉。啟動和停止大型壓縮機對壓縮機和電機都可能造成損害，因此在小型壓縮機上更為常見。開關控制還可以與其他調製策略相結合，以減少或消除低空氣需求或無空氣需求時的能源消耗。
- 功率和氣流關係
- 功率 = 氣流
- 優點
- 所有負載下的最大效率
- 缺點
- 高儲氣罐容量需求
- 典型無載功率消耗： 滿載功率的 0%
4) 解除安裝控制
- 壓縮機通常由上述控制方式之一進行調製，但是，可以在壓縮機上新增解除安裝控制以提高部分負載效率。解除安裝控制允許壓縮機以降低功率執行解除安裝時間。解除安裝策略有兩種型別：負載解除安裝和低負載解除安裝。
- A. 負載解除安裝控制
- 壓縮機型別：螺桿式，往復式
- 操作
- 負載解除安裝控制的工作方式類似於開關控制。它不是關閉壓縮機，而是解除安裝。當壓縮機達到最大壓力時，電磁閥開啟，將排氣降低到大氣壓力或至少降低壓力。然後，壓縮機在從進氣側到排氣側的壓力差較小的情況下執行。止回閥防止系統壓力下的空氣迴流。壓縮機在解除安裝時消耗的能量更少。
- 功率和氣流關係
- 功率：%P = (滿載 %P - 無載 %P) x 負載 %C + 無載 %P
- 氣流：%C = ((負載 %P - 無載 %P)/(滿載 %P - 無載 %P))
- 優點
- 所有負載下的良好效率
- 缺點
- 高儲氣罐容量需求
- 解除安裝期間的空氣損失較小
- 典型無載功率消耗： 滿載功率的 20%
- B. 低負載解除安裝控制
- 壓縮機型別：螺桿式
- 操作
- 低負載解除安裝控制是負載解除安裝和調製控制的組合。它們在較高負載下調製壓縮機，在較低負載下解除安裝壓縮機。低負載解除安裝控制有一個設定的解除安裝點，壓縮機在其周圍進行調製，並在其以下進行解除安裝。
- 功率和氣流關係
- a) 解除安裝點以上
- 調製功率和氣流公式取決於壓縮機採用的控制型別。（參見前面的描述）
- b) 解除安裝點以下
- 功率：%P = (解除安裝 %P - 無載 %P) x 負載 %C + 無載 %P
- 氣流：%C = ((負載 %P - 無載 %P)/(滿載 %P - 無載 %P))
- a) 解除安裝點以上
- 優點
- 高負載效率良好
- 需要較少的儲氣罐容量和壓力範圍才能進行合理執行
- 缺點
- 效率不如負載解除安裝
- 解除安裝期間的空氣損失較小
- 典型無載功率消耗： 滿載功率的 20%