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压缩空气系统气动效率研究

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(Pipe Network)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(guò chéng)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(tōng guò)PV图热力学分析,对压缩、气动过程(guò chéng)进行研究,精确确定系统各种状况过程的输出能源(解释:向自然界提供能量转化的物质)效率,并可通过图示直观显示(display)。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(指效能高的)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(Basin air)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(dòng lì)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(energy)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(airflow)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(guò chéng)的压缩空气有效能。
  系统热力学过程PV图如所示。昆山空压机是一种用以压缩气体的设备。空气压缩机与水泵构造类似。大多数空气压缩机是往复活塞式,旋转叶片或旋转螺杆。离心式压缩机是非常大的应用程序。
  系统热力学基本过程PV图般压缩机(以螺杆(Screw)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。昆山空压机保养主要噪声源是进、排气口,应选用适宜的进排气消声器。空压机进气噪声的频谱呈低频特性,进气消声器应选用抗性结构或以个、抗性为主的阻抗复合式结构。空压机的排气气压大,气流速度高,应在空压机排气口使用小孔消声器
  3典型压缩(compression)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(压缩空气)、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(system)为:压缩机(compressor)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(efficiency)研究。压缩机技术(technology)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(Basin air)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(pressure)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。昆山空压机维修工作时,空气经过自洁式空气过滤器被吸入,通过PLC自动清洗过滤器,空气在经过进口导叶自动调节后进入一级压缩,经一级压缩后的气体温度较高,然后进入中间冷却器进行冷却(水走管内,气走管外,中冷器的水流量要求为110m/h)之后进入二级压缩系统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(Centrifugal)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(compression)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(unit)在控制调节、用气时,会再出现压力损失。
  3.1压缩空气输送(delivery)压力损失状况实际运行中,压缩机输出(Output)压缩空气后,经过后处理设备(shèbèi)、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、气电动机、发动机,压缩空气工作(gōng zuò)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(research)。
  (1)假设压缩空气(Basin air)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,是压缩空气可以对外做出的最大功,也是气动可能获得最大的能量。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(Output)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(pressure)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(Pipe Network)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。昆山空压机维修在启动前,首先启动油泵控制系统,油泵控制系统启动后保证空压机各润滑部件润滑良好,同时油泵控制系统可通过内置的温控阀来调节内部油压和油温,以满足系统需要。为方便分析,本文把用气单位(unit)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(Output)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(Output)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(Basin air)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(element),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(compressor)的效率(efficiency)不同,压缩机对空气做功效率差异也非常(very much)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(machinery)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(research)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(compressor)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(Output)气动能量(energy)效率(efficiency)、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。昆山空压机维修工作时,空气经过自洁式空气过滤器被吸入,通过PLC自动清洗过滤器,空气在经过进口导叶自动调节后进入一级压缩,经一级压缩后的气体温度较高,然后进入中间冷却器进行冷却(水走管内,气走管外,中冷器的水流量要求为110m/h)之后进入二级压缩系统


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