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空压机容积流量影响因素分析

   摘要:现代化工业生产和高品质生活都离不开压缩空气,空压机作为压缩空气的搬运工,对于各行各业的使用者来说都非常重要。谈论空压机离不开三大性能参数:压力、流量(排气量)、功率的表现。由于空压机是耗能大户,且其广泛应用于工业生产的各个领域,空压机的降耗增效意义非常重大,得到了业内及用户一致认可。笔者将从设计、制造、使用和服务(售前、中、后)来阐述压缩空气节能的秘密。本文先从压力、温度、相对湿度这三大因素入手,带大家了解空压机容积流量的变化。

 
  文/上善气体工作室 梁柳生
 
  一、空压机流量的定义
  压缩空气系统是保障用户安全高效使用压缩空气的设备组合且各自分工明确。见图1。
空压机容积流量影响因素分析
空压机容积流量影响因素分析
  在客户需要使用压缩空气的时候,对于压缩空气系统的选型有九个步骤,第一步就是选择系统用气量。(见图2)
  空压机是压缩空气产生的源头,因此空压机的流量大小是满足客户使用压缩空气的首选目标。
  空压机的流量指空压机在额定排气压力下,单位时间内排出的空气量(质量或容积),折算到进气状态的空气量(质量或容积)。在空压机市场中,在标书、合同、样本及机器铭牌上,都是指容积流量。容积流量在我国又被称为排气量或公称容积流量。
  在GBT 4975-2018 《容积式压缩机术语 总则》(图3)规范了“流量”这个术语:
空压机容积流量影响因素分析
  标准容积流量在压缩空气市场需求中对于标准状态(温度、压力及组份)有两种定义:
  1) 标准状态为压力P=101.325KPa;标准温度T=0℃;相对湿度为0% 。通常在工业气体、化工行业或投标标书中经常遇到,简称“标方”,通常算式符号为“VN”,单位为Nm3/min。
  2) 标准状态为压力P=101.325KPa;标准温度T=20℃;相对湿度为0% 。通常在压缩空气行业的标准中应用,称为“标准工况”,通常算式符号为“V”,单位为m3/min。
  二者换算可以通过公式(1):
  V(m3/min)=1.0732VN(Nm3/min)     (1)
  在JB/T 6430-2014《一般用喷油螺杆空气压缩机》(见图4)和JBT 10972-2010《一般用变频喷油螺杆空气压缩机》(见图5)中有更为详细的“流量”术语规范,为“公称容积流量”。其规定工况就是采用标准状态为压力P=101.325KPa,标准温度T=20℃,相对湿度为0%时的“标准工况”。
空压机容积流量影响因素分析
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  因此,在空压系统设备的设计、制造、销售和使用过程中,我们都以“标准工况”为依据来标定空压机的“公称容积流量”。
  空压机的“公称容积流量”是在一定的排气压力下,空压机单位时间内排出的气体容积,折算到标准状态(压力P=101.325KPa,标准温度T=20℃,相对湿度RH=0%)下从空压机吸气口位置吸入的空气量,单位为m3/min。见图6。
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  二.什么因素会影响到空压机的容积流量?
  就像汽车的耗油量参数一样,每种汽车在工信部备案的耗油量参数是指汽车制造厂根据国家规定的试验标准由汽车行驶百公里消耗的燃油量(以L为计量单位)。但是在实际驾驶中,每辆汽车的油耗都不一样。因为有路况、天气、驾驶员习惯等等因素的影响。
  虽然每台空压机在出厂前都按照国家标准进行设计、生产和测试,但使用时实际工况不同,空压机三大性能参数(压力﹑容积流量﹑功率)的表现也会不同。本文主要分析导致空压机容积流量变化的因素。
  空压机的容积流量在标准工况(压力P=101.325KPa,标准温度T=20℃,相对湿度RH=0%)下为机器铭牌的容积流量。但对于压缩空气的用户来说,使用时实际工况不可能与标准工况一致,主要受到空压机在使用时海拔高度或进气压力、环境温度或进气温度及进气相对湿度不同的影响。见图7。
空压机容积流量影响因素分析
  但对于用户来说,他需要的是实实在在的压缩空气,空压机在实际工况下生产的容积流量才能用来赚钱。因此对于绝大多数用户来说:实际工况下的容积流量<公称容积流量(标准工况)是肯定的,见图8。
空压机容积流量影响因素分析
  当空压机的实际工况=标准工况(压力P=101.325KPa,标准温度T=20℃,相对湿度RH=0%)时。用户需求容积流量才可以与空压机的公称容积流量匹配。除此之外,选择和使用空压机时都需要考虑到实际工况。
  举例:某纺织厂有20台络筒机,每台机器工作压力为:0.7MPa(G),需求气量为:0.6m3/min。工厂实际需求气量:
  V络筒机需求=20*0.6=12(m3/min)
  工况1:假设在压缩空气系统中没有压降和损耗,当空压机的实际工况=标准工况。空压机在排气压力0.7MPa(G)时的公称容积流量选择:
  V公称容积流量=1.013*12*293/293*1.013 =12(m3/min)
  此时,选择空压机公称容积流量>12m3/min/0.7MPa(G)可以满足要求。
  当空压机的实际工况≠标准工况(压力P=101.325KPa,标准温度T=20℃,相对湿度RH=0%)时。用户需求容积流量将如何匹配空压机的公称容积流量呢?下面我们通过三大因数(进气压力、进气温度及相对湿度)的影响来讨论空压机容积流量的变化。
  (一) 空压机环境或进气温度的差异影响空压机的容积流量。
  工况2:还用上面的举例,某纺织厂有20台络筒机。假设在压缩空气系统中没有压降和损耗,当空压机房的实际工况=标准工况(压力P=101.325KPa,标准温度T=20℃,相对湿度RH=0%)时。客户购买某空压机公称容积流量为12m3/min/0.7MPa(G)。但由于该空压机空滤吸气口位置设计远离机器的进风口(见图9)。使得空滤吸气口温度高于环境温度5℃(T进气温度-T环境温度=5℃)。
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  V实际容积流量=1-V公称容积流量*(293+5)/293 =98.3%V公称容积流量(m3/min)
  经过上式计算,空压机的实际容积流量减少1.7%左右。温度差值越大,容积流量减少越多。见图10。
空压机容积流量影响因素分析
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  意味着,该客户应该选择更大公称容积流量的空压机。图11表示空滤入口温度高于环境温度1~10℃所需公称容积流量的增加值。
  因此,当环境温度适宜时,还需要看空滤入口温度。同样,如果空压机的环境温度>标准工况,对于络筒机进气端而言,也会存在压缩空气量不足的现象。见图12。
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  (二) 空压机所处的环境由于海拔高度或进气压力的差异影响空压机的容积流量。
  世界上绝大部分空压机使用都是在海平面之上,所以空压机的容积流量随海拔的增加而减少。
  即使使用同样的机头,由于空压机设计制造的差异,造成机头进气压损(机箱开孔面积不够、空滤压损大、减荷阀及进气管路小等等),也会导致空压机的容积流量减少。见图13。
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  工况3:还用上面举例,某纺织厂有20台络筒机。假设在压缩空气系统中没有压降和损耗, 当空压机的实际工况为环境温度T=20℃,相对湿度RH=0%,海拔高度2000米时。由于海拔高度2000米的环境大气压:P1=77.6KPa。见图14。
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  V实际容积流量=1-V公称容积流量*(77.6/101.3)=76.6%V公称容积流量(m3/min)
  通过上式计算,空压机的实际容积流量减少23.4%。海拔高度越高,容积流量减少越多。
  工况4:还用上面举例,某纺织厂有20台络筒机。假设在压缩空气系统中没有压降和损耗, 当空压机的实际工况为环境温度T=20℃,相对湿度RH=0%,环境压力P=101.325KPa。如果,空滤使用到2000h以上,空滤压损35mbar。见图15。
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  V实际容积流量=1-V公称容积流量*(35/1013)=96.54% V公称容积流量(m3/min)
  从上式计算可以知道,如果把空滤更新或拿掉,空压机的实际容积流量将增加3.46%。
  由此可以知道,空压机机头入口压力很重要!同样,如果空压机由于机箱进气口或空滤管有压差,对于络筒机进气端而言,也会存在压缩空气量不足的现象。见图16。
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  (三) 空压机使用环境相对湿度的差异影响空压机的容积流量。
  空气相对湿度的影响也非同小可,世界上绝大部分空压机使用都不可能在环境相对湿度为0%的地方。
  工况5:还用上面举例,某纺织厂有20台络筒机。假设在压缩空气系统中没有压降和损耗,当空压机的实际工况为环境温度T=20℃,相对湿度RH=60%,环境压力P=101.325KPa。
  V实际容积流量=1-V公称容积流量*(14/1013)=98.61% V公称容积流量(m3/min)
  水蒸气在20℃时的饱和压力PVS= 23.37mbar
  对湿度60%意味水蒸气的压力为: Pv=0.6X23.37 =14.022mbar
  通过上式计算,空压机的实际容积流量减少了1.38%。相对湿度越大的地方,空压机的容积流量减少得越多!如果在35℃环境温度80%相对湿度,相比标准工况下,络筒机进气端压缩空气量减少4.44%。见图17。
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  以上我们以某纺织厂为例,可能不足以震撼用户。再来举一个极端一点的例子来阐述相对湿度的重要性。
  工况6:某医院制氧机,压缩空气需求为10m3/min-0.7MPa(G),压力露点3℃。假设在压缩空气系统中没有压降和损耗,在标准工况下,空压机刚刚合适。
  如果空压机的实际工况为环境温度T=20℃,环境压力P=101.325KPa,当相对湿度RH>0%时,相对湿度变化时不会对V公称容积流量发生变化,但供给制氧机的压缩空气量却因为空气中水蒸气含量占比发生变化。
  1)当环境温度=20℃时,供制氧机压缩空气量随相对湿度增加而减少0~2%;
  2)当环境温度=25℃时,供制氧机压缩空气量随相对湿度增加而减少0~2.8%;
  3)当环境温度=30℃时,供制氧机压缩空气量随相对湿度增加而减少0~3.8%;
  4)当环境温度=35℃时,供制氧机压缩空气量随相对湿度增加而减少0~5%;
  如果在病床不住满的情况下,看不出相对湿度的影响。但是遇上去年的疫情,病人大量增加,医院需要氧气量大增时,压缩空气量减少5%,就意味着有5%的病人得不到救治,人命关天啊!
  所以,环境温度或进气温度差异﹑环境压力或进气压力变化﹑相对湿度不同是影响空压机容积流量的三大因数,对于销售员或客户来说必须予以考虑。当然,还有空压机系统压力及主机转数也会影响到空压机的容积流量。
 
  作者简介
  梁柳生,1968年,广西柳州,高级工程师,1990开始从事空压机行业工作;有在国企、合资及外企工作经历,其中22年在AC集团工作。先后从事过空压机及后处理设备的产品设计、产品工艺、生产管理、产品质量跟踪服务等及全国销售总监并有在欧洲学习和工作的经历。2017年创办上善气体工作室,专业从事压缩空气系统研究,精益生产管理及销售的培训工作。国家标准JBT10526-2005《一般用冷冻式压缩空气干燥器》第一起草人。全国压缩机标准化技术委员会副主任委员。
 

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