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压缩空气：技术入门

• 本节旨在让您熟悉压缩空气系统中通常遇到的设备和术语。本节分为三个小节

压缩空气设备

• 如何识别工业压缩空气系统及其相关设备的关键组件。

压缩机性能关系

• 本节提供了不同类型系统控制的性能关系。性能曲线包括图形化地显示气流和功率之间的关系。
• 定义
  • ACFM：压缩机损失后实际输送的气流
  • ACFM-FAD：过滤器前气流（自由空气输送量）
  • CFM：每分钟立方英尺气流
  • ICFM：进气法兰处的气流
  • 调制控制：减少气流以匹配部分负荷要求的方法，包括节流阀、转阀、螺旋阀或滑阀。
  • Psi：每平方英寸磅的压力
  • Psig：Psi 计，以大气压为参考
  • Psia：Psi 绝对压，海平面为 14.7 psi
  • SCFM：标准条件下的等效气流（两个不同的标准，CAGI 和 ASME 使用相同的术语）

标准条件

• CAGI（压缩空气与气体研究所）：14.7 psiz，60 F，0% rh（相对湿度）
• ASME：14.7 psia，68 F，36% rh
• 卸荷和卸荷点：压缩机卸荷时的压力

压缩空气设备

• 为了评估设备空气系统，重要的是能够识别所使用的设备类型，并大体了解该设备的工作原理。以下部分介绍了您可能在压缩空气系统中遇到的常见设备以及重要细节。

压缩机

• 往复式和螺杆式压缩机是最常见的两种类型的空气压缩机。其他类型的压缩机在附录中描述。空气压缩机通常需要辅助设备来干燥空气，去除油和缓冲压力波动。

往复式压缩机

• 往复式压缩机使用活塞在气缸中压缩空气。它们的操作类似于汽车发动机。小型往复式压缩机使用单作用压缩行程，而大型压缩机使用双作用活塞。双作用活塞在向上和向下行程中压缩空气。往复式压缩机在广泛的操作条件下提供良好的效率，并且在低压应用中非常高效。然而，往复式压缩机比螺杆式压缩机需要更多的维护。在西北地区，往复式压缩机比螺杆式压缩机不太常见。附录中对往复式压缩机的更完整描述。

螺杆式压缩机

• 螺杆式压缩机是西北地区最普遍的压缩机类型。螺杆式压缩机使用两个啮合的螺杆。这些螺杆旋转，迫使空气流过它们之间。当空气通过螺杆时，螺杆之间间隙的体积减小，从而压缩空气。

空气干燥机

• 大多数压缩空气系统都包含空气干燥机。许多工业应用需要含水量低的空气。例如，气动控制通常需要干燥空气。在较冷的气候中，含有水分的空气会导致冰块形成，从而堵塞或损坏管道。高含水量还会导致任何压缩空气系统腐蚀。干燥要求和空气的体积决定了所需的空气干燥机类型和尺寸。典型的空气干燥机使用制冷或吸附剂从空气中去除水分。
  • 后冷却器提供从 150 华氏度以上的热压缩空气进行初始冷却。通过使用接近湿球温度的冷却塔水，水冷可以更有效。来自压缩机室的空气通常比室外空气更热。后冷却器会凝结压缩空气中的一些水蒸气，但通常不足以用于气动工具或气动控制。考虑废热的使用。避免城市自来水冷却流入下水道。
  • 制冷式空气干燥机能够将压缩空气的露点（空气完全饱和并开始液化空气中的水分的温度）降低到 35-50 华氏度。通常，这些都是必需的，并且通常是干燥空气的最经济的方法。制冷式空气干燥机通过制冷系统冷却压缩空气来工作。水分从冷却的空气中凝结出来，并被干燥机捕获。运营成本大约为每百万立方英尺空气 5.00 美元至 8.00 美元。这与每百万立方英尺空气 130 千瓦时相关联。
  • 吸附式空气干燥机可以达到比制冷式干燥机更低的露点；低至 -150 华氏度。吸附式空气干燥机由两个吸附剂弯管组成，压缩空气通过这些弯管。一个控制系统将所有空气引导通过一个床，而另一个床则再生。再生过程在不同的吸附剂干燥机之间有所不同，并且对运行成本有很大影响。所有系统都将干燥的压缩空气吹过吸附剂床以再生它，然后将空气和水分排放到大气中。一些型号会先加热干燥的空气以提高其吸收水分的能力。热型效率更高，因为将空气加热到 300 华氏度所需的能量少于压缩和干燥其他空气的能量，而其他空气本来是必要的。加热式空气干燥机只需要大约 1-7% 的总压缩空气来冲洗吸附剂床，而未加热式干燥机则需要 15% 或更多。吸附式干燥机比制冷式空气干燥机更昂贵，维护和运行成本更高，但可以达到更低的露点。这些通常是唯一的选择。运营成本在每百万立方英尺空气 15 美元到 30 美元之间。这与每百万立方英尺空气 300 到 500 千瓦时相关联。这是用于再生干燥机的压缩空气的成本。所需的额外压缩空气可能是巨大的成本。
  • 膜式干燥机是市场上相对较新的产品。它们使用半透膜，允许干燥的空气通过，同时阻止水蒸气。这些干燥机易于维护，可以达到低至 35 华氏度的露点，但是，它们会导致系统容量下降 9-10%，因为许多压缩空气会与水蒸气一起损失在膜系统中。这种类型的空气干燥的运行成本很低，因为膜很少需要更换。

储气罐

• 带有卸荷或断续控制的压缩机需要储气罐来储存压缩空气以供日后使用。储气罐应足够大，以最大限度地减少压缩机循环次数。一个常见的经验法则是每 SCFM 输出一加仑的储气空间，但是，就像在德克萨斯州一样，更大更好，因为它会延长压缩机循环周期。

油分离器

• 在螺杆式压缩机中，两个啮合在一起压缩空气的螺杆如果没有油会很快磨损。许多螺杆式压缩机采用的润滑程序会将油引入压缩空气中。油分离器在压缩过程之后去除这种油。油分离器本质上是与金属挡板配合的聚结过滤器。聚结过滤器会捕获其可消耗元件中的微观油滴。当空气通过过滤器时，夹带的油会聚结并滴落出来。空气中残留的任何油都会缩短工具寿命，因此保持分离器正常工作是值得的。维护不善的油分离器通常会给压缩空气系统带来过大的压降。压降不应超过分离器两侧的 5 psi。当压降大于 5 psi 时，则需要进行维护。

空气再热器

• 一些空气压缩机配备有空气再热器，用于在空气干燥后加热空气。加热的空气膨胀，增加压力并减少压缩机为达到给定压力所做的功。系统的加热程度和有效性因情况而异。如果热量在分配系统中损失，则再热器没有帮助，这就是为什么这种策略很少使用或推荐的原因。

压缩机性能关系

• 以下是功率与气流之间关系的介绍。这种关系是分析潜在节约中使用的所有计算的核心。
  • 功率（%P）是指压缩机功率，表示为满载功率（FLP）的百分比。例如，如果压缩机的满载功率为 100 千瓦，并且在特定负载下压缩机使用 74 千瓦，则该负载的百分比功率为 74%（74/100）。
  • 气流（%C）是指压缩机输送的空气，表示为容量的百分比。例如，如果压缩机的容量为 200 acfm，并且在特定负载下它输送 120 acfm，则其百分比容量为 60%（120/200）>
• 可以比较功率和气流以创建压缩机性能曲线。功率与气流之间的关系取决于用于使压缩机输出与负载匹配的策略。以下部分介绍了不同控制策略的功率与气流关系。
• 有关每种控制类型的更多信息，包括
  • 简要说明控制策略。
  • 功率（%P）和气流（%C）之间的关系式。
  • 优点和缺点
  • 压缩机性能图表，显示功率与气流之间的关系。

1) 节流控制

• 压缩机类型：螺杆式
• 操作
  • 节流控制通过使用滑阀或蝶阀在压缩机入口处产生部分真空来工作。部分真空限制了进入压缩室的空气质量，从而降低了压缩的空气量。
• 功率和气流关系
  • 功率：%P = （满载 %P - 无负载 %P） x 负载 %C + 无负载 %P
  • 气流：%C = （负载 %P - 无负载 %P）/（满载 %P - 无负载 %P）
• 优点
  • 恒定排放压力
  • 良好的高负荷效率
• 缺点
  • 低负荷效率差
• 典型的无负载功耗： 60-72% 的满载功率

2) 转阀或滑阀控制

• 压缩机类型：螺杆式
• 操作
  • 旋转阀控制通过改变压缩腔的有效长度来调节压缩的空气量。一个带螺纹的轴旋转以打开压缩机机壳上的端口。在有开放端口的转子扇区内，空气压缩无法开始。这改变了空气所处的腔体长度，并改变了容积压缩比。弹簧阀的工作原理与旋转阀类似。它们不是旋转阀，而是一系列类似于汽车发动机阀门的阀门，它们在螺杆的长度方向上以离散的位置排列，允许空气在没有进一步压缩的情况下排出。在这两种情况下，阀门的运行都是为了匹配压缩机输出和工厂空气需求。
• 功率和气流关系
  • 功率：%P = (满载 %P - 无载 %P) x 负载 %C^2 + 无载 %P
  • 气流：%C = ((负载 %P - 无载 %P)/(满载 %P - 无载 %P))1/2
• 优点
  • 高负载效率良好
  • 低储气罐容量需求
  • 恒定排放压力
• 缺点
  • 低负载效率低
• 功率消耗： 55-60% 的满载功率

3) 开关控制

• 压缩机类型：螺杆式，往复式
• 操作
  • 开关控制根据需要打开和关闭压缩机。压缩机以满载运行，直到达到最大压力，然后关闭。启动和停止大型压缩机对压缩机和电机都可能造成损害，因此在小型压缩机上更为常见。开关控制还可以与其他调制策略相结合，以减少或消除低空气需求或无空气需求时的能源消耗。
• 功率和气流关系
  • 功率 = 气流
• 优点
  • 所有负载下的最大效率
• 缺点
  • 高储气罐容量需求
• 典型无载功率消耗： 满载功率的 0%

4) 卸载控制

• 压缩机通常由上述控制方式之一进行调制，但是，可以在压缩机上添加卸载控制以提高部分负载效率。卸载控制允许压缩机以降低功率运行卸载时间。卸载策略有两种类型：负载卸载和低负载卸载。
• A. 负载卸载控制
  • 压缩机类型：螺杆式，往复式
  • 操作
    • 负载卸载控制的工作方式类似于开关控制。它不是关闭压缩机，而是卸载。当压缩机达到最大压力时，电磁阀打开，将排气降低到大气压力或至少降低压力。然后，压缩机在从进气侧到排气侧的压力差较小的情况下运行。止回阀防止系统压力下的空气回流。压缩机在卸载时消耗的能量更少。
  • 功率和气流关系
    • 功率：%P = (满载 %P - 无载 %P) x 负载 %C + 无载 %P
    • 气流：%C = ((负载 %P - 无载 %P)/(满载 %P - 无载 %P))
  • 优点
  • 所有负载下的良好效率
  • 缺点
    • 高储气罐容量需求
    • 卸载期间的空气损失较小
  • 典型无载功率消耗： 满载功率的 20%
• B. 低负载卸载控制
  • 压缩机类型：螺杆式
  • 操作
    • 低负载卸载控制是负载卸载和调制控制的组合。它们在较高负载下调制压缩机，在较低负载下卸载压缩机。低负载卸载控制有一个设定的卸载点，压缩机在其周围进行调制，并在其以下进行卸载。
  • 功率和气流关系
    • a) 卸载点以上
      • 调制功率和气流公式取决于压缩机采用的控制类型。（参见前面的描述）
    • b) 卸载点以下
      • 功率：%P = (卸载 %P - 无载 %P) x 负载 %C + 无载 %P
      • 气流：%C = ((负载 %P - 无载 %P)/(满载 %P - 无载 %P))
  • 优点
    • 高负载效率良好
    • 需要较少的储气罐容量和压力范围才能进行合理运行
  • 缺点
    • 效率不如负载卸载
    • 卸载期间的空气损失较小
  • 典型无载功率消耗： 满载功率的 20%