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雙螺桿空壓機主機基本知識全解析<二>

  【壓縮機網】接上期——

  二、螺桿壓縮機主機熱力學

  有一門學科與壓縮機緊密相關,那就是熱力學。熱力學理論比螺桿壓縮機的出現早了100多年,熱力學的歷史可以追溯到1650年。1824年卡諾發表了著作《論火的動力》,奠定了現代熱力學。螺桿壓縮機直到1934年才出現。壓縮機有三個過程與熱力學息息相關:等溫壓縮、絕熱壓縮和多變壓縮。

  等溫壓縮:就是在壓縮過程中工質的溫度保持恒定不變;

  絕熱壓縮:就是在壓縮過程中工質不與外界發生熱交換;

  多變壓縮:就是介于等溫壓縮和絕熱壓縮之間,更反映現實情況的壓縮過程。

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  2.1等溫壓縮

  在壓縮過程中,氣體的溫度保持不變時,壓力隨體積的變化關系。

  主機軸功率計算:

  Pt=1.667 Ps Qv ln(Pd/Ps)公式(1)

  Pt-壓縮機主機的等溫壓縮功率(kW)

  Ps-壓縮機的吸氣壓力(bar)

  Pd-壓縮機的排氣壓力(bar)

  Qv-壓縮機的容積流量(m3/min)

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  密閉容器中的定量氣體,在恒溫下,氣體的壓強和體積成反比關系。

  氣體狀態方程:

  PV=nRT→P1V1=P2V2=常數公式(2)

  這是一個理想過程,在工程計算中只能無限接近。

  2.2絕熱壓縮

  在氣體壓縮或者膨脹時熵保持不變,與周圍沒有熱交換。

  主機軸功率計算:

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11.JPG公式(3)

  Pad-壓縮機主機的等熵絕熱功率(kW)

  Ps-壓縮機的吸氣壓力(bar)

  Pd-壓縮機的排氣壓力(bar)

  Qv-壓縮機的實際容積流量(m3/min)

  k-被壓縮氣體的等熵指數

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  氣體狀態方程:

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  公式(4)

  p=絕對壓力(Pa)

  V=容積(m3)

  T=絕對溫度(K)

  κ=Cp/Cv=絕熱指數,空氣1.4

  2.3多變壓縮

  等溫壓縮是與外界發生完全熱交換的壓縮,絕熱壓縮是與外界沒有任何熱交換的壓縮。而實際上,所有壓縮機均處于兩種極端之間,即多變壓縮。

  軸功率計算:

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  公式(5)

  Pd-壓縮機主機的多變壓縮功率(kW)

  Ps-壓縮機的吸氣壓力(bar)

  Pd-壓縮機的排氣壓力(bar)

  Qv-壓縮機的實際容積流量(m3/min)

  m-被壓縮氣體的多變指數

  2.4三種壓縮軸功率比較

  舉例1

  已知:Qv=45.4545(m3/min),Ps=0.1(MPa),Pd=0.8(MPa),單級壓縮Ts=20℃。Td=75℃;二級壓縮參數:Ts1=20℃,Td1=Ts1+55=75℃;Ts2=Td1-8=67℃,Td2=Ts1+55=75℃

  等溫壓縮:m=1(空氣,Td=20℃);

  絕熱壓縮:m=1.4(空氣,單級Td=260℃);

  多變壓縮:單級壓縮m=1.09,2級壓縮m1=1.2;m2=1.02

  計算結果如圖23

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  在多變壓縮過程中,二級壓縮相對于單級壓縮理論上能省功3.78%,見圖24。得益于:二級壓縮壓比小于單級壓縮,容積效率高。接觸線泄露和余隙容積(泄露三角區和封閉容積)占比變小;二段壓縮的第二段壓縮多變指數接近等溫壓縮。

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  2.5螺桿壓縮機主機在不同壓力下需要潤滑油最低溫度

  由于噴油螺桿空壓機中的潤滑油有等作用,因此,潤滑油失效對于主機來說是致命的傷害。由于空氣中含有水蒸汽,水蒸汽在一定的壓力下存在不同的壓力露點溫度,當氣和油混合后,溫度低于壓力露點時,就會有液體水析出,使得潤滑油乳化失效。因此,不同壓力下,螺桿空壓機的油溫不能低于圖26的壓力露點。

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  三、螺桿壓縮機主機性能

  3.1螺桿空壓機主機基本性能

  壓縮氣體是通過消耗外部能量使氣體獲得壓力勢能的過程,壓縮機正是壓縮氣體的締造者。因此,螺桿空壓機主機基本性能離不開這四個方面:壓力、流量、功率和比功率。見圖27。  3.1.1螺桿空壓機主機基本性能-壓力

  獲取壓縮空氣的壓力勢能是空壓機最基本的性能,螺桿空壓機也不例外。螺桿空壓機主機通過消耗外部能源來提高空氣的壓力,壓力越高,消耗能量越多,同時對主機要求也越高。通常我們把空壓機按輸出壓力分為四類:

  低壓:0.2~1.0MPa

  中壓:1.0~10MPa

  高壓:10~100MPa

  超高壓:100MPa以上

  螺桿空壓機通常輸出壓力在0.2~4.0MPa,也就是說在此區間其性能、可行性和經濟性較好。這是由于壓縮機主機結構和工作方式決定的,同時也是市場需求最多的壓力段。見圖28,氣體壓力坐標顯示。

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  空壓機提供壓縮空氣壓力主要提供壓比來衡量,就是輸出壓力Pd與吸氣壓力Ps的比值,比值越高,輸出壓力越高。

  ε=Pd/Ps公式(6)

  對于螺桿空壓機主機而言,有內壓比和外壓比。

  內壓比:主機齒間容積內的壓力與吸氣壓力之比,吸、排氣口的位置與形狀決定;

  外壓比:排氣管內的壓力與吸氣壓力之比。運行工況或工藝流程所需要的吸、排氣壓力。

  當內壓力比≠外壓力比時,主機都會多耗功;當內壓力比=外壓力比時,主機才是最佳狀態。

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  對于螺桿空壓機主機來說,當主機、環境溫度、吸氣壓力、主機轉數等因素相同的情況下,輸出壓力越高,功耗越高。見圖30。

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  3.1.2螺桿空壓機主機基本性能-流量

  流量通常由質量流量和容積流量,在空壓系統行業規范和標準中,我們通常采用容積流量作為流量計量方式,在我國又被稱為排氣量或銘牌流量:在所要求的排氣壓力下,空壓機單位時間內排出的氣體容積,折算到進氣狀態,也即第一級進氣接管處的吸氣壓力與吸氣溫度和濕度時的容積值。單位為m3/min。容積流量分實際容積流量和標準容積流量。

  通常的樣本、選型、機器銘牌都是用標準容積流量。標準容積流量在壓縮空氣市場需求由于行業、地域及用途,根據標準狀態(溫度,壓力及組份)的差異有兩種定義:

  標準狀態為壓力P=101.325KPa;標準溫度T=0℃;相對濕度為0%。通常在工業氣體,化工行業或投標標書中經常遇到,簡稱“標方”,通常算式符號為“VN”,單位為Nm3/min。

  標準狀態為壓力P=101.325KPa;標準溫度T=20℃;相對濕度為0%。通常在壓縮空氣行業的標準中應用,稱為“標準工況”,通常算式符號為“V”,單位為m3/min。

  通常我們空壓機行業采用的標準容積流量是后一種,兩個狀態下的容積流量換算可以通過公式:

  V(m3/min)=1.0732VN(Nm3/min)公式(7)

  對于螺桿空壓機主機來說,在其他條件相同的情況下,轉子中心距越大,其容積流量越大;主機轉數越高,其容積流量越大。

  V容積流量=qv主機壓縮容積×n機頭轉數公式(8)

  qv=CΨqv0Z1n=CΨCn1nλD3公式(9)

  式中Z1——陽轉子的齒數;n——陽轉子的轉速;λ——轉子長徑比;D——陽轉子的外徑。

  因此,我們通常為了經濟性,減少主機種類,可以通過確定主機轉數來調節空壓機的排氣量以滿足市場需求。

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  但是,螺桿空壓機主機的轉數不可能無限高,通常在800~10000rpm之間,見圖31。所以,螺桿主機廠開發出不同容積流量段范圍的主機來滿足螺桿空壓機對流量的要求。見圖32。

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  根據產生壓縮空氣容積流量不同,空壓機通常可以分為:

  微型壓縮機<1m3/min;

  小型壓縮機1~10 m3/min;

  中型壓縮機>10~&lt;100 m3/min;

  大型壓縮機≥100 m3/min

  螺桿空壓機主機適用于單機在1~100 m3/min最具有可靠性和經濟性,也是空壓機市場主要機型。見圖28橫坐標指示。

  3.1.3螺桿空壓機主機基本性能-功率

  我們從圖33的壓縮機示功圖可以看出壓縮機工作過程做功過程:

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  1-2-3-4曲線圍成的面積就是壓縮機的耗功。從圖面積大小我們可以看出:等溫壓縮最省功,絕熱壓縮最耗功。

  W等溫<W多變<W絕熱

  前面第二章介紹過了等溫壓縮主機功率計算(見公式1)和絕熱壓縮主機功率計算(見公式2),壓力越高,主機耗功越高;容積流量越大,主機耗功越高,見圖34。

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  3.1.4螺桿空壓機主機比功率及計算

  在空壓機主機在工作時單位時間的容積流量所消耗的軸功率。比功率的單位為:kW/(m3/min)。

  其計算公式如下:

  SER主機=Pd主機/qv公式(10)

  Pd主機——主機軸功率;

  qv——主機單位時間容積流量

  如圖35,某主機性能參數在規定工況下,排氣壓力在0.7MPa時軸功率和氣量(見方框)。

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  其比功率值為:

  SER主機=117/23.1=5.065(kW/(m3/min))

  螺桿空壓機主機的比功率值越小,其能耗越低,主機性能越好。在流量不變的情況下,輸出壓力越高,主機軸功率越大,因此其比功率值越大,見圖36。

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  每一款螺桿空壓機主機都有最佳比功率值,這與主機的轉數有關。當主機轉數過低時泄漏增加,氣量減少而導致比功率值變高;當主機轉數過高時摩擦力增加,軸功率增加而導致比功率值變高,見37。但一定有一個最佳轉數使得比功率值為最低。這就是為什么說,主機越大越節能是不一定正確的緣由。

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  圖38中的紅色曲線就是某螺桿主機可以選用氣量與可接受比功率值的主機轉數范圍,也是我們在設計變頻空壓機挑選主機及轉數的依據。

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  我們在設計螺桿空壓機及變頻空壓機時,在保證品質的同時,也要考慮主機的經濟性、標準化和模塊化。因此,我們會利用主機比功率值曲線來設計開發不同壓力及流量的螺桿空壓機,見圖39。

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  3.2螺桿空壓機主機噴油量及計算

  在市場上,大多數螺桿空壓機需要潤滑油的參與,因為潤滑油在螺桿空壓機工作的時候必不可少,有七大功能:潤滑、密封、冷卻、保護、減震、降噪、清潔。

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  特別是冷卻功效,就是我們在螺桿空壓機工作的時候時常要關注空壓機控制器顯示中的油溫不能高也不能過低。

  為什么主機排氣油溫不能過高?通常我們設定在105℃時候報警,110℃時候跳機?一個原因是螺桿空壓機潤滑油在高于120℃時候其性能和功效會大打折扣,同時,冷卻主機也是一為了避免主機絕熱壓縮帶來功耗過大,二是為了避免主機過熱影響壽命。

  為什么主機排氣油溫不能過低呢?這就是我們在第二章中“2.5螺桿壓縮機主機在不同壓力下需要潤滑油最低溫度”提到的,油溫過低會帶來空氣中水蒸汽液化,從而引起潤滑油的乳化和失效。

  通常我們在設計螺桿空壓機時,油溫控制在:

  風冷螺桿空壓機:T油=T環境+15℃公式(11)

  水冷螺桿空壓機:T油=T環境+8℃公式(12)

  螺桿空壓機噴油量的計算也是設計工程師必備的工作,在給定排氣溫度后,螺桿壓縮機的噴油量可由壓縮機的熱平衡式決定。由能量守恒定律,得壓縮機的熱平衡式為:

  p=qmgcpg(Td-Tsg)+qmocpo(Td-Tso)公式(13)

  式中P——壓縮機軸功率;

  qmg——氣體質量流量;

  qmo——噴油質量流量;

  cpg——氣體的比定壓熱容;

  cpo——油的比定壓熱容;

  Tsg——氣體的進氣溫度;

  Tso——噴油溫度;

  現在,每個主機供應商都會提供每一個壓力段下,潤滑油的噴油量。大大減輕了螺桿空壓機設計工程師的負擔。見圖41藍框。

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  注:本文未完待續,更多精彩內容見下期!

  作者簡介

  梁柳生,高級工程師,1990開始從事空壓機行業工作;有在國企、合資及外企工作經歷,其中22年在AC集團工作。先后從事過空壓機及后處理設備的產品設計、產品工藝、生產管理、產品質量跟蹤服務等及全國銷售總監并有在歐洲學習和工作的經歷。2017年創辦上善氣體工作室,專業從事壓縮空氣系統研究,行業精益生產管理及銷售的培訓工作

  國家標準JBT10526-2005《一般用冷凍式壓縮空氣干燥器》第一起草人

  全國壓縮機標準化技術委員會委員

標簽: 雙螺桿空壓機基本知識  

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