压缩空气系统气动效率研究.pdf

2 0 1 1 年第 3 9 卷第 1 2 期 流体机械 文章编号 1 0 0 5 0 3 2 9 2 0 1 1 1 2 0 0 2 30 5 压缩空气系统气动效率研究 孙晓明 ， 林子 良 ， 张成彦 1 ． 合肥通用机械研究院 压缩机技术国家重点实验室， 安徽合肥2 3 0 0 8 8 ； 2 ． 合肥通用机电产品检测院， 安徽合肥2 3 0 0 8 8 摘要 研究了驱动气动工具、 气动元器件系统的压缩空气能量传递过程， 结合 P V图示方法进行了热力学分析， 精确 计算各种情况的压缩空气有效能量 ， 给出一般动力压缩空气系统气动驱动效率。用 P V图示直观展示系统气动能源效 率状况 ， 促进重视压缩空气系统节能工作， 合理、 高效地使用压缩空气。 关键词 压缩空气； 压缩机； 气动动力 ； 气动效率； P V图示 中图分类号 T H 4 1 文献标识码 A d o i 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 5 0 3 2 9 ． 2 0 1 1 ． 1 2 ． 0 0 6 Re s e a r c h o n Pn e u ma t i c Effi c i e n c y f o r Co mp r e s s e d Ai r S y s t e m S UN Xi a o ． mi n g ， LI N Zi ． 1 i a n g ， ZHANG Ch e n g y a n 1 ． S t a t e K e y L a b o r a t o r y o f C o m p r e s s o r T e c h n o l o g y ， H e f e i G e n e r a l Ma c h i n e r y R e s e r c k I n s i t u t e ， He f e i 2 3 0 0 8 8 ， C h i n a ； 2 ． H e f e i G e n e r a l Ma c h i n e ry E l e c t ri c a l P r o d u c t s I n s p e c t i o n I n s i t u t e ， H e f e i 2 3 0 0 8 8 ， C h i n a Ab s t r a c t T h e c o mp r e s s e d a i r e n e r gy t r a n s f e r p r o c e s s f o r d riv e r p n e u ma t i c t o o l a n d p n e u ma t i c c o mp o n e n t s y s t e m w a s s t u d i e d ． C o mb i n e d w i t h t h e P V g r a p h i c a l me t h o d for t h e r mo d y n a mi c a n aly s i s a c c u r a t e c a l c u l a t i o n f o r k i n d s o f c o mp r e s s e d a i r e n e r gy a n d g i v e n t h e p n e u ma t i c d riv e r e f fi c i e n t for g e n e r al p o w e r o f c o mp r e s s e d a i r s y s t e m． W e C a ll k n o wn t h e p n e u ma t i c s y s t e m e n e r gy e ff i - c i e n c y d i r e c t l y a n d p r o mo t e t h e e n e r gy s a v i n g w o r k，r e a s o n a b l e a n d e f fi c i e n t u s e o f c o mp r e s s e d a i r a r e i mp o r t a n t ． Ke y wo r d s c o mp r e s s e d a i r ， c o mp r e s s o r ， p n e u ma t i c p o w e r ， a e r o d y n a mi c e ffic i e n c y ， P V g r a p h i c 1 前言 压缩空气是现代工业 四大动力源之一 ， 作为 动力介质 ， 用 于驱 动、 自动控制 j 。随着现代 工 业自动化的飞速发展， 气动技术作为其重要手段， 越来越广泛应用于机械 、 化工、 电子、 电气 、 汽车、 纺织 、 食品、 轻工 、 包装 、 印刷等各个制造业 ； 尤 其在各种 自动化生产设备和生产线中得到广泛应 用， 也极大地提高了制造业的生产效率和产业质 量。随着我国国民经济水平的提高， 工业制造技 术也越来越先进 ， 压缩空气需求量越来越大。 压缩空气系统的耗能占全国发电总量 1 0 ％ 以上， 用能水平还较低， 普遍有着 2 0 ％ ～ 4 0 ％的 节能潜力 ； 其节能降耗对完成“ 十二五” 规划目 标单位国内生产总值能源消耗降低 1 6 ％， 有 收稿 日期 2 0 1 1 0 9 2 2 修稿 日期 2 0 1 11 1 2 3 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 ， 典型系统如图 1所示。 P 压缩机 图1 典型压缩空气气动系统示意 2 4 FL UI D MACHI NERY Vo 1 ． 3 9， No ．1 2， 2 01 1 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 P V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， 提供参考。 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 HUP mC p O 1 式中m 空气质量 c 等压比热 一 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 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。 文献 [ 4 ] 提出了压缩空气在大气状态下的有 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。 有效能计算式 D E P V I n 2 f O 压缩空气流束所含的有效气动动力为 p NP Q l n 3 』 0 式中 P _压缩空气绝对压力 Q 压缩空气容积流量 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 P V图如图 2所示。 P 图 2系统热力学基本过程 P V图 一 般压缩机 以螺杆 压缩机为例 热力学工 作过程为 1 23 4方 向， 对气体做 的功为 1 23 41面积 J 。气动有效能热力学工作 过程为 4 5 21方向， 气体做 的机械功量为 4 5 2 1 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 P V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， P V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 ， 如图 1 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 P V 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 。 2 0 1 1 年第3 9卷第 1 2 期 流体机械 系统参数取一般压缩空气动力系统 ， 压缩机 进气压力为 0 ． 1 M P a ， 输出压力为 0 ． 8 MP a 本文 所述及图 中压力均绝对压力 ， 空气压缩性指数 为 ／ 7 , 1 ． 1 ， P V示功 图如图 2所示。压缩机的机 组输入 比功率范围在 5 ． 6～1 7 ． 4 k W／ m ／ mi n ， 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 5 5 9 0 k W 螺杆压 缩机的 2级能效值 6 ． 9 k W／ m ／ mi n 可作为压 缩机的比功率平均值， 用于计算效率。 如 图2所示 ， 过程 1 2 341为压缩机 对空气 的压缩过程 ， 压缩机对空气做功量 为 1 2 3 41的面积； 压缩机对空气做功效率为 5 5． 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 ． 1 MP a 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， 压缩空气会进一步冷 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 l r o 。 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 ， 如图 3 所示 ， 即 P d P 】 0 。 P 过程 1 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 41 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5 0 ． 6 ％。 压缩空气气动做功膨胀基本都没有得到利 用 ] ， 热力学过程为 45 61过程 ； 系统输 出 气动能为 4 5 61 4的面积， 图中网格面积 ； 系统输 出气动能量效率为 2 1 ． 1 ％； 2 压缩空气输送 出现压力损失时， 图 4、 5 、 6 、 7 、 8所示 。压缩空气做功为 5 6 71过程 ； 压缩空气的有效能量 为 5 6 71 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 。 当压力 损 失 为 0 ．1 MP a ， 即 P dP 】0 ． 1 MP a ， P P ． 0 ． 7 MP a ， 见 图 4 ， 系统输 出气动能 量效率 2 0 ． 7 ％ ； 当压 力损 失 为 0 ． 2 M P a ， 即 P dP l0 ． 2 MP a ， P P 0 ． 6 MP a ， 见 图 5， 系统输 出气动能 量效率 2 0 ． 1 ％ ； P 图4 管网0 ． 1 MP a 压力损失时系统 P V图 尸 图3 管网无压力损失时系统 P V图 图5 管网 0 ． 2 MP a 压力损失时系统 P V图 2 6 FL UI D MACHI NERY Vo 1 ． 3 9， No ． 1 2 ，2 01 1 P 图6 管网0 ． 3 MP a 压力损失时系统 P V图 P 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 ． 1 MP a 即 P 0 ． 7 MP a ， 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 图 9～ 1 2 ， 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 为 9 78 1 9的面积 ， 即图中网格面积。 尸 图7 管网0 ． 4 MP a 压力损失时系统 P V图 图9 用气0 ． 1 MP a 压力损失时系统 P V图 P 图 8 管网 0 ． 5 MP a压力损失时系统 P V图 当压 力 损 失 为 0 ． 3 MP a ， 即 P 一P。0 ． 3 MP a ， P ， P 0 ． 5 M P a ， 见图 6 ， 系统输出气动能 量效率 1 9 ． 3 ％ ； 当压力损失为 0 ． 4 M P a ， 即 P dP 0 ． 4 MP a ， P 3 P 0 ． 4 M P a ， 见图 7， 系统输出气动能 量效率 1 8 ． 1 ％ ； 当压 力 损失 为 0 ． 5 M P a ， 即 P 一P 0 ． 5 MP a ， P P 0 ． 3 M P a ， 见 图 8 ， 系统输出气动能 量效率 1 6 ． 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 图 1 0 用气 0 ． 2 MP a 压力损失时系统 P V图 当压 力 损失 为 0 ． 1 MP a ， 即 P 一P 0 ． 1 MP a ， P 。 0 ． 6 M P a ， 见图 9， 系统输 出气动能量效 率为 1 9 ． 3 ％ ； 当压力损失为 0 ． 2 M P a ， 即 P 一P 0 ． 2 MP a ， P 0 ． 5 MP a ， 见 图 l 0， 系统输 出气动能量效 率为 1 7 ． 6 ％ ； 当压 力 损失 为 0 ． 3 MP a ， 即 P 一P 0 ． 3 M P a ， P ， 0 ． 4 M P a ， 见图1 1 ， 系统输出气动能量效 率为 l 5 ． 4 ％ ； 当压 力 损失 为 0 ． 4 MP a ， 即 P 一P 30 ． 4 M P a ， P 0 ． 3 M P a ， 见图 l 2 ， 系统输出气动能量效 率为 1 2 ． 6 ％。 2 0 1 1 年第 3 9卷第 1 2期 流体机械 2 7 P 图 1 1 用气 0 ． 3 M P a压力损失时系统 P V图 尸 图 1 2 用气 0 ． 4 MP a压力损失时系统 P V图 4结语 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 1 0 ％ 一 3 0 ％的泄漏损失 ； 2 压缩机机组气量减荷 ， 效率损失有5 ％ 一 2 0 ％； 3 压缩机运行参数不合 理会有 3 ％ ～1 0 ％效率损失， 如 8 M P a 压力空气 压缩 机 ， 运 行压 力每 上升 0 ． 1 MP a ， 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 2 0 ％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 l ／ 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。根据文献[ 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 T V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 。 参考文献 [ 1 ] 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， 2 0 1 0 ， 3 8 6 4 9 - 5 2 ． [ 2 ] S MC 中国 有限公司． 现代实用气动技术 第 3版 [ M] ． 机械工业出版社 ， 2 0 0 8 ． 5 ． [ 3 ] 潘志呖， 韩俊英． 压缩空气系统节能[ J ] ． 通用机械， 2 0 0 5 ， 3 1 4 1 6 ． [ 4] M a o l i n C a i ， K e n j i K a w a s h i ma ，T o s h i h a r u K a g a w a ． P o we r As s e s s me n t o f F l o wi n g C o mp r e s s e d Ai r ， J o u rna l of F l u i d s E n g i n e e r i n g [ J ] ． T r a n s a c t i o n s of t h e A S ME ， 2 0 0 6 ， 1 2 8 2 4 0 2 - 4 0 5 ． [ 5 ] 邢子文． 螺杆压缩机理论 、 设计及应用[ M] ． 机 械工业出版社， 2 0 0 8 ． 8 ． [ 6 ] 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， 2 0 0 9 ， 7 4 2 ． [ 7 ] 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， 2 0 0 6 ， 3 4 1 0 41 - 4 4． [ 8 ] 荒木， 棚橘． 空气压 灭于厶l 二 挡c 于为省工 才 、 ， 一 现状一4 ． 3 ． 空气压回路 省工才 、 ， L ， 专一对策 [ R] ． 油空压 灭于厶省工才 、 ， L ， 缶一调查研究 研 究成果鞭告害， 社 日本楼械学会， 1 9 8 5 ． 作者简介 孙 晓明 1 9 6 3一 ， 研究 员， 主要 研究方 向为 压缩 机、 试验技术， 压缩空气系统运行及节能技术， 通讯地址 2 3 0 0 3 1 安徽合肥市长江西路 8 8 8 号合肥通用机械研究院。