压缩空气的应用

压缩空气的应用

气体的压缩有一个基本目的，即以高于原来压力的压力传送气体。原来的压力水平可能高低不等，从非常低的绝对压力（千分之几公斤）直到几千公斤；压力从几克到几千公斤；而传输的气量从几立方米/分直到几十万立方米/分。 压缩的具体目的有各种各样:

1.在驱动气动工具的压缩空气系统中传递功率； 2.为燃烧提供空气；

3.在天然气管道和城市煤气分配系统中输送和分配气体； 4.驱动生产线自动化设备的气缸及电磁阀； 5.用于涂装线的涂装设备；

6.出于多种目的制造和维持一个比原来高的压力水平，办法是将漏入或流入该系统的气体 或原来就存在的杂气排出系统。 7.用于饮料厂的吹瓶设备； 8.用在气体搅拌的设备；

9.提供空分设备的空气气源，如PSA变压吸附制氮机； 压缩方法

压缩气体的办法有4种: 2种是断续气流法，另2种是连续气流法（这是说明性的分类术语，而不是按热力学或功能分类）。这些方法要：

1.将一定量的连续气体截留于某种容器内，减小其体积从而使压力升高，然后将压缩气体推出容器。 2.将一定量的连续气体截留于某种容器内，把气体带到排气口但不改变其体积，通过排气系统的逆流来压缩气体，然后将压缩空气推出容器。

3.通过快速旋转的转子的机械运动来压缩气体。转子把速度和压力传给流动的气体（在固定的扩压器或挡板上速度进一步转化为压力）。

4.将气体送入同种或另一种气体（通常是，但不一定是蒸汽）的高速喷嘴里，并在扩压器上将混合气体的高速度转化为压力。

采用方法1和2的压缩机属于断续气流类，称为变容压缩机；采用方法3的称为速度型压缩机；采用方法4的称为喷射压缩机，其进气压力一般低于大气压力。 压缩机的种类和特点

下面是各种压缩机的定义。凸轮式，膜片式和扩散泵等压缩机没有列入其中，是因为它们用途特殊而尺寸相对较小 。

容积式压缩机--是将一定量的连续气流限制于一个封闭的空间里，使压力升高。 往复式压缩机--是容积式压缩机，其压缩组件是一个活塞，在气缸内作往复运动。 回转式压缩机--是容积式压缩机，压缩是由旋转组件的强制运动实现的。

滑片式压缩机--是回转式变容压缩机，其轴向滑片在同圆柱缸体偏心的转子上作径向滑动。截留于滑片之间的空气被压缩后排出。

液体-活塞式压缩机--是回转容积式压缩机，在其中水或其它液体当作活塞来压缩气体，然后将气体排出。 罗茨双转子式压缩机--属回转容积式压缩机，在其中两个罗茨转子互相啮合从而将气体截住，并将其从进气口送到排气口。没有内部压缩。

螺杆压缩机--是回转容积式压缩机，在其中两个带有螺旋型齿轮的转子相互啮合，从而将气体压缩并排出。 速度型压缩机--是回转式连续气流压缩机，在其中高速旋转的叶片使通过它的气体加速，从而将速度能转化为压力。这种转化部分发生在旋转叶片上，部分发生在固定的扩压器或回流器挡板上。

离心式压缩机--属速度型压缩机，在其中有一个或多个旋转叶轮（叶片通常在侧面）使气体加速。主气流

是径向的。

轴流式压缩机--属速度型压缩机，在其中气体由装有叶片的转子加速。主气流是轴向的。 混合流式压缩机--也属速度型压缩机，其转子的形状结合了离心式和轴流式两者的一些特点。

喷射式压缩机--利用高速气体或蒸汽喷射流带走吸入的气体，然后在扩压器上将混合气体的速度转化为压力。

工业应用常竟见三种基本类型的空压机包括：

往复式 螺旋式 离心式

以上三种类型的空压机可进一步划分为：

风冷和水冷 喷油和无油

让我们简单地讨论以下这三种类型的空压机： 往复式空压机

尺寸为0.7MPa(G) --范围的0.72Kw 和0.028M3/min 到 932 Kw和176.4M3/min

往复式空压机是变容式压缩机。这种压缩机将封闭在一个密闭空间内的空气逐次压缩（缩小其体积）从而提高其气压。往复式空压机以汽缸内的一个活塞作为压缩位移的原件来完成以上的压缩过程。

当压缩过程仅靠活塞的一侧来完成时，该往复式称为单作用空压机，如果靠活塞的二头来完成时称为双作用。往复式空压机在每一个气缸上有许多弹簧式阀门，只有当阀门两侧的压差达到一定值后阀门才会打开。

当气缸内的压力略低于进气压力时，进气阀门打开，当气缸内的压力略高于排气压力时排气阀门打开。

如果压缩过程由一个汽缸或一组单级的汽缸完成时，该空压机称为单级空压机。许多实际使用工况要超过单级空压机的能力。压缩比大小（排气/进气压力）会引起排气温度过热或其它设计上的问题。

许多功率超过75Kw的往复式空压机被设计为多级机组，压缩过程由双级或多级组成，级级之间一般有冷却功能以降低进入下一级的气温。

往复式空压机有喷油和无油两种，具有压力和气量的广泛选择余地。

螺旋式空气压缩机

0.85M3/min -- 85M3/min回转式空压机是变容式压缩机，最普通的螺杆式空压机是单级喷油螺杆式空压机，这种压缩机在机腔内有两个转子，通过转子来压缩空气，内部没有阀门。这种空压机一般为油冷（冷却介质是空气或水），这种油起到了密封的作用。

由于冷却在空压机内部进行，因此部件不会有很高的温度，因此，回转式空压机是连续工作制可设计成风冷或水冷机组。

由于结构简单易损件少，螺杆式螺杆空压机很容易维护，操作，并具有安装灵活的特点。螺杆式空压机可安装在任何能支撑重量的地面。两级喷油螺杆空压机在主机部件里带有两对转子，压缩过程由第一级和第二级串接压缩完成。两级回转式空压机具有结构简单和灵活性以及高效率的特点，两级螺杆式空压机可是风冷和水冷以及全封装式。

无油螺杆空压机使用特别设计的主机无需喷油就可进行压缩，从而产生无油压缩空气。无油螺杆式空压机有风冷和水冷两种，并具有和喷油一样的灵活性。如你所看到的，回转式螺杆空压机有风冷、水冷、喷油、无油、单级和两级、在压力、气量、结构上有广泛的适用性。

离心式空气压缩机

11.2M3/min -- 420M3/min离心式空压机是一动力型空压机，他通过旋转的涡轮完成能量的转换，转子通过改变空气的动能和压力来实现以上的转换。由静止的扩压器降低空气的流速来实现动能向压力的变换。离心式空压机是无油空压机，运动齿轮的润滑油由轴密封和空气隔离。离心式是连续工况式压缩机，移动件很少，特别适用于大气量无油的要求。

离心式空压机是水冷式的，典型机组包括后冷却器和所有的控制装置。 压缩

绝热压缩是一种在压缩过程中气体热量不产生明显传入或传出的压缩过程。在一个完全隔热的气缸内上述过程可成为现实。等温压缩是一种在压缩过程中气体保持温度不变的压缩过程。 压缩比：（R）

压缩比是指压缩机排气和进气的绝对压力之比。例：在海平面时进气绝对压力为0.1 MPa ，排气压力为绝对压力0. 8MPa。则压缩比： P2 0.8 R= --------- = --------- = 8 P1 0.1 多级压缩的优点：

（1）节省压缩功（2）降低排气温度（3）提高容积系数；（4）对活塞压缩机来说，降低气体对活塞的推力。 压缩介质

为什么要用空气来作压缩介质？

因为空气是可压缩、清晰透明的，并且输送方便（不凝结）、无害性、安全、取之不尽。

惰性气体是一种对环境不起化学作用的气体，标准压缩机能一样压缩惰性气体。干氮和二氧化碳均为惰性气体。

空气的性质：

空气成分：氮气（N2） 氧气（O2） 其它气体 78.03% 20.93% 0.07% 分子量：28.96

比重：在0℃、760mmHg柱时，r0=1.2931kg/m3 比热：在25℃、1个大气压时，Cp=0.241大卡/kg－℃ F.A.D. 风量的标示

依国际对压缩空气的自由排气量是有一定标准, 通常依气体公式的所测得自由排气量可界定为四个主要标准.

P1.V1 / T1 = P2.V2 / T2?? ( 气体公式

)

Pressure / 压力 1、压力

这只是某一单位面积的力，如平方米上受1牛顿力度压力单位为1帕斯卡： 即：1Pa = 1N/m2

1Kpa = 1,000 Pa = 0.01 kg/cm2 1Mpa = 106Pa = 10.2 kg/ cm2

2、绝对压力

绝对压力是考虑到与完全真空或绝对零值相比，我们所居住的环境大气具有0.1Mpa 的绝对压力。在海平面上，仪表压力加上0.1MPa的大气压力可得出绝对压力。高度越高大气压力就越低。 3、大气压力

气压表是用于衡量大气的压力。当加上仪表压力上就可得出绝对压力。 绝对压力=压力计压力＋大气压力

大气压力通常是以水银MM为单位，但是任何一个压力单位都能作出同样很好的解释： 1个物理大气压力 = 760毫米汞柱 = 10.33米水柱 =1.033kgf/cm2≌0.1MPa.

4、压力单位换算： 单位： MPa，Psi(bf/in2)

0.1Mpa = 1bar = 14.5 psi = 1000mbar = 1.02 kg/cm2 Temperature / 温度 1、绝对温度

温度是指衡量某一物质在某一时间能量水平的方法。（或更简单的说，某一事物有多少热或多少冷）。 温度范围是根据水的冰点和沸点。在摄氏温度计上，水的冰点为零度，沸点为100度。在华氏温度计上，水的冰点为32度，沸点为212度。

从华氏转换成摄氏：华氏=1.8摄氏＋32， 摄氏=5/9（华氏-32） 2、绝对温度

这是用绝对零度作为基点来解释的温度。

基点零度为华氏零下459.67度或摄氏零下273.15度

绝对零度是指从物质上除去所有的热量时所存在的温度或从理论上某一容积的气体缩到零时所存在的温度。

3、冷却温度差

冷却温度差是确定冷却器的效率的术语。因为冷却器不可能达到100％的效率，我们只能用冷却温差衡量冷却器的效率。

冷却温度差是进入冷却器的冷水或冷空气温度和压缩空气冷却后的温度之差。 4、中间冷却器

中间冷却器是用于冷却多级压缩机中的级与级之间的压缩空气或气体使温度降低的器件。中间冷却器通过降低进入下一级压缩空气温度达到降低压缩功率以有助于增加效率。 露点和相对湿度 1、露点和相对湿度

就象晚上温度下降会产生露水一样，压缩空气系统内的温度下降也会产生水气。露点就是当湿空气在水蒸气分压力不变的情况下冷却至饱和的温度。

这是为什么呢? 含有水分的空气只能容纳一定量的水分。如果通过压力或冷却使体积缩小，就没有足够的空气来容纳所有的水分，因此多于的水分析出成为冷凝水。

离开后冷却器的空气通常是完全饱和的。分离器内的冷凝水就显示了这一点，因此空气温度有任何的降低，就会产生冷凝水。

设定的湿度可认为是湿空气所含水蒸气的重量，即：水蒸气重量和干燥空气重量之比。 χ-湿度 Ps

相对湿度ψ= ----------------- = ----------- χ0-饱和绝对湿度 Pb 当Ps=0, ψ=0时，称为干空气； Ps=Pb, ψ=1时，称为饱和空气。 绝对湿度——1M3湿空气所含水蒸气的重量。 Gs—水蒸气重量 χ= ---------------------- V—湿空气体积 水蒸气重量 含湿量= --------------------- 干空气重量 2、饱和空气

当没有再多的水气能容纳在空气中时，就产生了空气的饱和，任何加压或降温均会导致冷凝水的析出。 Volume / 气量 1、标准状态

标准状态的定义是：空气吸入压力为0.1MPa，温度为15.6℃（国内行业定义是0℃）的状态下提供给用户系统的空气的容积。如果需要用标准状态，来反映考虑实际的操作条件，诸如海拔高度、温度和相对湿度则将应实际吸入状态转换成标准状态。 2、常态空气

规定压力为0.1MPa、温度为20℃、相对湿度为36％状态下的空气为常态空气。常态空气与标准空气不同在于温度并含有水分。当空气中有水气，一旦把水气分离掉，气量将有所降低。 3、吸入状态

压缩机进口状态下的空气。 4、海拔高度

按海平面垂直向上衡量，海拔只不过是指海平面以上的高度。海拔在压缩机工程方面占有重要因素，因为在海拔高度越高,空气变得越稀薄，绝对压力变得越低。既然在海拔上的空气比较稀薄，那么电动机的冷却效果就比较差，这使得标准电动机只能局限在一定的海拔高度内运行。EP200 标准机组的最大容许运行海拔高度为2286米。 5、影响排气量的因素：

Pj、Tj、海拔高度、n、V余、泄漏等。 6、海拔高度对压缩机的影响：

（1）、海拔越高，空气越稀薄，绝压越低，压比越高，Nd越大； （2）、海拔越高，冷却效果越差，电机温升越大；

（3）、海拔越高，空气越稀薄，柴油机的油气比越大，N越小。 7、Free Air Delivery / 自由排气流量

流量自由排气是指在单位时间内压缩机吸入标准状态下空气的流量。用单位：M3/min (立方米/分)表示。标方用N M3/min表示。 流量单位换算：

单位：M3/min，cfm, L/min, M3/Hr

1 M3/min = 35.3 cfm = 1000 L/min = 60 M3/Hr 8、余隙容积

余隙容积是指正排量容积式（往复或螺杆）压缩机冲程终端留下的容积，此容积的压缩空气经膨胀后返回到吸入口，并对容积系数产生巨大的影响。

9、负载系数

负载系数是指某一段时间内压缩机的平均输出与压缩机的最大额定输出之比。不明智的做法就是卖给用户的压缩机，正好满足用户的最大的需求，增加一个或几个工具或有泄漏会导致工厂的压力下降。为了避免这种情况，取用户系统所需气量的极大值，并除以0.9或0.8的负载系数。(或任何用户认为是个安全系数)这种综合气量选择能顾及未预计到的空气需量的增加。无需额外的资本的投入，就可做一些小型的扩建。

用气量及工作压力的确定

确定一个新厂的压缩空气要求的传统方法是将所有用气设备的用气量（m3/min）加起来，再考虑增加一个安全、泄漏和发展系数 (1.2 – 1.3)。

在一个现有工厂里，你只要作一些简单的测试便可知道压缩空气供给量是否足够。如不能，则可估算出还需增加多少。

举例 空气压缩机的输出压力为0.69MPa(G)，而送到设备使用点的压力至少0.62MPa。这说明我们所用的典型空气压缩机有0.69MPa(G)的上限压力和0.62MPa(G)的加载压力或叫系统压力下限。有了这些数据（或某一系统的卸载和加载值）我们便可确定。

如果工作压力低于名义加载点(0.62MPa(G))或没有逐渐上升到卸载压力(0.69MPa(G))，就可能需要更多的空气。当然始终要检查，确信没有大的泄漏，并且压缩机的卸载和控制系统都运行正常。

如果压缩机必须以高于0.69MPa(G)的压力工作才能提供0.62MPa(G)的系统压力，就要检查分配系统的管道尺寸也许太小，或是阻塞点对于用气量还需增加多少气量，系统漏气产生什么影响以及如何确定储气罐的尺寸以满足间歇的用气量峰值要求。 工作压力之计算（终端压力）

一般来说自空压机端到使用压缩空气的现场，在经过压缩空气处理设备及管路输送会产生一定的压力损失。如果忽略或不恰当的计算系统的压力损失，将额外造成系统的运转电费增加或是系统的工作压力不足。因此在系统设计中确切计算工作压力是非常重要的工作。

各设备在系统中压力损失参考值

一、测试法——检查现有空气压缩机气量

定时泵气试验是一种比较容易精确的检查现有空气压缩机气量或输出的方法，这将有助于判断压缩空气的短缺不是由于机器的磨损或故障所造成的。 下面是进行定时泵气试验的程序： A．储气罐容积，立方米

B．压缩机储气罐之间管道的容积立方米 C．（A和B）总容积，立方米 D．压缩机全载运行

E．关闭储气罐与工厂空气系统之间的气阀 F．储气罐放气，将压力降至0.48MPa(G) G．很快关闭放气阀

H．储气罐泵气至0.69MPa(G)所需要的时间，秒

现在你已有了确定现有压缩机实际气量所需要的数据，公式是： V（P2-P1）60 C=--------------------------- （T）PA C=压缩机气量，m3/min

V=储气罐和管道容积，m3 （C项） P2=最终卸载压力，MPa(A)（H项＋PA） P1=最初压力，MPa(A) （F项＋PA）

PA=大气压力，MPa(A)（海平面上为0.1MPa） T= 时间， s

如果试验数据的计算结果与你厂空气压缩机的额定气量接近，你可以较为肯定，你厂空气系统的负荷太高，从而需要增加供气量。 二、估算法

V=V现有设备用气量＋V后处理设备用气量＋V泄漏量＋V储备量 三、确定所需的增加压缩空气

根据将系统压力提高到所需要压力的空气量，就能确定需要增加的压缩空气供气量， P2 需要的m3/min=现有的m3/min--------- P1 式中，需要的m3/min=需要的压缩空气供气量

现有的m3/min=现有的压缩空气供气量 P2=需要的系统压力，MPa(A) P1=现有的系统压力，MPa(A)

需增加的m3/min=需要的m3/min－现有的m3/min

结果就告诉你为满足现有的用气需求所要增加多少气量。建议增加足够的气量以便不仅满足目前的用气要求，还把将来的需求和泄漏因素考虑进去。 四、系统漏气的影响

供气量不足经常是由于或肯定是由于系统的泄漏，空气系统漏气是损失动力的一个连续根源，所以最好应当使其尽量少一些。几个相当于1/4英寸小孔的小漏点，在0.69MPa压力下可能漏掉多至2.8M3的压缩空气，这等于你损失一台18.75Kw的空气压缩机的气量，以电力每度0.4元，每年运行8000小时（三班制）计算，这些漏掉的空气使你白白损失60000元。

大多数工厂都会提供维护人员和零件来筑漏。损坏的工具。阀、填料、接头、滴管和软管应及时检查和修理。

工厂整个系统的泄漏可通过在不供气情况下测定系统压力(在储气筒体上侧)从0.69MPa(G)降到0.62MPa(G)所需要的时间来诊断。利用泵气试验我们就可以算出整个系统的泄漏量： V（P2-P1）60

泄漏量m3/min=------------------------------ 90（PA）

如漏气率超过整个系统气量的百分之五，就必须进行检修管路。 五、选择压缩机的规格

你一旦确定工厂用气的气量（m3/min）和压力（MPa(G)）要求，便可选择空气压缩机的规格。在选择时你可能要考虑的因素包括：

目前的用气量是多少？工厂扩建后的用气量要求是多少？一般来说,用气量的年增长率为10％。是否考虑将来要用特殊的制造工艺和工具？

理想的做法是回转螺杆式压缩机和离心式压缩机所定的规格应保证在调制和调节控制范围正常工作。

单作用风冷往复式空气压缩机所确定的规格应保证在恒速控制系统的基础上有30~40％的卸载时间。

水冷往复式空气压缩机可以连续工作，但选规格时最好考虑有20~25％缓冲或卸载时间。

研究各种型号的空气压缩机性能特点以估算动力成本，从而确定哪一种是满足你厂目前和将来要求要求的最佳选择。

工厂漏气严重吗？是否要筑漏计划以便最终能减轻压缩空气系统的负荷？ 你对所选空气压缩机的运行、维护、安装和性能特点感到满意吗？

在选择空气压缩机及其附加设备（如干燥机和过滤器）你是否已考虑到压缩空气的质量要求？ 附加设备对你选择空气压缩机有何影响？

你是否考虑过万一主空气压缩机故障时的备用气量？ 各个班次是否需要用同样气量的压缩空气？

所选用的空气压缩机在用气量较低时运转情况怎样？

可能要考虑用一台较小的空气压缩机以便节约能源，避免主空气压缩机过多的循环和磨损。 工厂是否有需加一考虑的不寻常间歇峰值要求载荷？ 1、压缩机效率

容积效率是压缩机的实际气量和理论气量容积之比，用百分比表示。

压缩效率是压缩给定量气体实际所需的功率与理论功率之比。理论功率可按等温工况或绝热工况来计算。相应的压缩效率可用百分比来确定和表示。就蒸汽驱动或内燃机驱动的压缩机而言，机械效率是指压缩机的指示功分马力和在轴上的制动分马力之比。就电动机驱动的压缩机而言，机械效率是指压缩气缸内的指示功率同压缩机的轴功率之比。用百分比来表示。 2、总体效率

总体效率是压缩机的压缩效率和机械效率的总和。

压缩机轴功率（制动功率）包括：气体压缩功—指示功，摩擦功 Ni 机械效率ηm= -------- Nad

粗算：Nad=1.634PjVm(k/k-1)[ε(k-1/k)-1] Kw

N电机=N轴/η传， η传（皮带：0.92～0.98,齿轮：0.97～0.99） 螺杆压缩机中，风冷压缩机的轴功率要加上风扇电机的功率。 3、容积比能

容积比能是指压缩机在单位时间内吸入单位气量所消耗的功率，通常用Kw/M3/min表示，在相同的排气压力下容积比能越小。即耗功少。该压缩机效率就是压缩机的真实效率的衡量。

比功率：规定工况：Pj=1bar(A),tj=20℃, ψ=0, t水=15℃ Pc =7bar(表)， 水量≤2.5L/M3

功率是单位时间所做的功，诸如马力(千瓦)被定为76Kg-m/小时 功率是能源的转换中衡量的指标。

为了得到功率的成本，我们也必须包括时间，例如：耗费金钱不是千瓦而是千瓦小时。 取马力并把其转换成耗费用户的成本，我们要用以下的公式：

电机制动马力×0.746 (转换成千瓦)×年运行小时×功率成本 年成本= ------------------------------------------------------------- 电机效率