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空气系统基础知识
空气系统基础知识
压缩空气系统 ━ 耗电大户
根据美国能源部的统计, 在美国，空压机是工业中耗电最多的设备之一。
尽管美国能源部一度认为电动机是耗电最多的设备, 改进压缩空气系统设计和运行所得到的节能大大超过电动机效率提高所产生的节能。
通过改进压缩空气系统的设计和运行可节能20-50%。
许多企业将压缩空气视为等同于煤, 电, 水的实用品。
它与其它实用品不同, 很少有人知道每立方米/分压缩空气的成本。
每立方米/分压缩空气的成本
通过下列计算可得到，
·假定:
电机服务系数 = 110%
功率因子 = 0.9
·一台典型的空压机每1 HP可产生4CFM
·1 HP = 110%x0.746kW/0.9 = 0.912kW
·所以 产生1CFM压缩空气需0.228kW
·如果每度电费为0.65元:
1CFM = 0.1482元/小时
·1立方米/分= 35.315CFM
·所以 1立方米/分 = 5.23元/小时
·所以 一台10立方米/分的空压机运行8,000小时将耗电:
10 x 8,000 x 5.23 = 418,694元
何处可节约你的电费?
在一个典型的工厂, 压缩空气泄漏占总需求量的20%.
假定一个工厂的压缩空气系统
·每年运行8,000小时
·每度电费 0.65元
·管路压力 = 7.0 kgf/cm2
·工厂用气:
10立方米/分
·管路泄漏:
20% ：
2立方米/分
·总需气量:
12立方米/分
压缩空气的电费
10 x 8,000 小时 x 5.23 元 = 418,694 元
2 x 8,000 小时 x 5.23 元 = 83,738 元
合计 502,433 元
泄漏也产生足够的附加载荷迫使2台空压机同时运行.
·没有备机
·不能对任何一台进行维护保养
在7.0 kgf/cm2压力下产生2立方米/分泄漏所需的漏气点:
·3个3mm 泄漏点:
2.2 立方米/分, 或
·1个6mm 泄漏点:
2.832 立方米/分
那么您企业的管路中有几个泄漏点?
压缩空气基本理论
（1）
压缩和压缩比
1、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。
2、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。
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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：
干空气成分：
氮气（N2） 氧气（O2） 二氧化碳（CO2）
78.03% 20.93% 0.03%
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－℃
在t℃、压力为H（mmhg）时，空气的比重：
273 H
rt=1.2931× -------× -------kg/m3
273+t 760
湿空气的比重，还应考虑饱和水蒸气分压力（0.378ψ，Pb）。
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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 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.
大气压同海拔高度的关系：
H
P=P0 ×（1- ----------）5.256 mmHg
44300
H——海拔高度，
P0=大气压（0℃，760mmHg）
4、压力单位换算：
单位：
MPa，Psi（bf/in2）
1Psi=0.006895MPa,
1bar=0.1MPa,
1kgf/cm2=98.066KPa=0.098066MPa≌0.1Mpa
压缩空气基本理论
（2）
温度
1、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。
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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。
相对湿度ψ
χ-湿度 Ps
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。
3、水气分离器
水气分离器是用于收集和除去在冷却过程中从空气或气体中冷凝出来水的器件。
储气筒是用于储存压缩机排放出来的压缩空气和气体的容器。
储气筒有利于消除排气管路中的脉冲，并在需求量大于压缩机的能力时，可起储存和补充提供压缩空气的作用。
4、干燥机
干燥机是用于干燥空气的装置。
用我们的术语，就是用其干燥的压缩空气。
离开后冷却器的空气通常是完全饱和的，就是说任何降温都会产生冷凝水。
冷冻式干燥机是通过降低压缩空气的温度，析去水分，然后将空气再加热到接近原来的温度。
再生式干燥机是使空气通过含有化学物质的过滤器以析出水分。
这种装置比冷冻式装置更能吸附水气。
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状态及气量
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、容积流量
容积流量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。
1CFM=0.02832 M3/min, 或者 1 M3/min=35.311CFM,
S--标准状态，A--实际状态
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，英格索兰多年来一直建议采用负载系数：
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。
10、气量测试
（1）、往复式压缩机气缸容积
压缩机气缸的容积是指活塞移动的容积减去活塞杆占有的体积。
通常是用每分钟立方米来表示。
多级压缩机的容积只是第一级压缩的容积，因为逐一通过所有级的气体都来源于第一级。
（2）、测试
低压喷嘴测试是一种精确衡量压缩机所提供空气的方法。
这一方法得到压缩空气和气体学会的认可，还为ASME能源测试代号委员会所接受。
ASME PTC-9中有关采用低压喷嘴测
试往复式压缩机的描述。
ASME PTC-10中有有关采用低压喷嘴测试动力式压缩机的描述。
压缩空气基本理论（3）
功率及比功率
（能耗比、容积比能）
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
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噪音和声音评估
噪音被认为是令人讨厌或干扰的声音。
用户完全愿意整夜坐在迪斯科舞厅，边抽烟边欣赏高达95分贝的迪斯科音乐，但是不可思议的是他竟无法容忍第二天早上的65分贝的复印机噪音。
用户喜欢迪斯科的噪音而不喜欢复印机的噪音。
典型的鸡尾酒会噪音值为90分贝，摇滚乐队的噪音为100到138分贝之间。
那么什么是分贝呢？
分贝的定义可以解释为对两种能量比值的对数（以10为底）后乘以10。
W2
dB=10log -------
W1
增加10分贝表示能量的增加10:
1，增加20分贝表示能量增加100:
1，增加30分贝则增加1000:
1。
对我们的应用来说，我们是讨论声功率级-设定的W1参照值为10-12，其公式就变成了：
PWL（dB）=10log W/10-12
例如，如果我们有一个声源，发出一个10-5瓦特的功率级，那声功率是：
10-5
PWL=10log ------- = 70dB
10-12
当耳朵背对着噪音，人们发现耳朵就自动地“听不到”低频的噪声，非常类似下面的“A”级网络。
为此，对工业噪声的测量选择的标准是“A”级噪声水平，并使用dBA术语。
由于反射的噪声能容易地被测试探头捕获，所以设置另一个标准。
该标准要求所有噪声测量就在“空旷野外条件”下进行。
测量气体设备声音的ANSIS51规则指出：
噪声应该在离机器一米远，一点五米高处测量。
因此，这里我们确定了测试探头位置和测量地点并且以“A”级网络测量噪声。
所有制造商使用这些相同的基本规定测量噪声。
如果两台同样噪声水平的机器并排运行，噪声水平的结果将增加了3dBA（两倍）
例如：
在我们原来的公式：
10-5
PWL=10log ------- = 70dB
10-12
如果，我们加倍我们声音功率水平到2×10-5
2×10-5
PWL= 10log --------- = 73 dB
10-12
一个压缩机制造商声明：
噪声水平担保为+3dBA是指其噪声水平将是其所声明的噪声水平的两倍或二分之一。
两台以不同速度运转的机组，可能有同样的噪声水平，但听起来完全不同。
一台可能比另一台更刺耳。
这是因为噪声是根据把频谱中所有的频率相加得出的一个数目来形成dBA。
为测量噪声水平，将测量到每一个音阶带的噪声，以“A”反评定并对比相加以得出答数（dBA）。
所有这些意味着什么：
1、这意味着，由于反射我们不能将一台压缩机安置在房间里，然后期望有和在空旷野外条件下相同的噪声水平。
2、我们不能光凭两台不同的机组（以不同的速度，不同的驱动，不同的组件和不同的外壳）就能对噪声水平做出一个聪明的猜测。
测量噪声的唯一方法是使用一台声音测量设备。
我们怎样克服噪声水平中明显的差异？
1、通过准确测量噪声水平
2、通过知道噪声水平是怎样构成的来理智地指定频率的差别和刺耳的因素。
3、知道两个有相同噪声水平，然而不同频率特性的机组噪声对耳朵的伤害是相同的，即使其中一个确实“听起来”更轻一些。
我们怎样才能进一步降低噪声？
1、保机体中的所有接头是安全的，叉车孔关闭，机组在地面的基体是固封住的。
2、通过管道输送进气和排气。
3、减少反射噪声。
声音和噪声测量充其量只不过是一种非常不精确的科学。
对于这个课题的讨论希望能避免野外问题，野外修正的大量费用和用户的不满意。
1、所有噪声水平测量使用ANSLS51标准。
这是一个工业标准。
我们应该通过这个标准的参考了引用所用的噪声水平。
简短的说，该标准要求空旷野外测量（无反射墙和屋顶），机组周围的多点测量，并对测量值取平均值。
应该在机组一米以外，地面和基础水平上的一点五米处测量。
任何单点测量可以起过引用的A噪声水平。
只要平均读数能满足或低于引用水平。
此外，所采用的测量是所衡量噪声的应该宽频带的平均值。
当要求或给予应该频率带分析时，一些中频带的读数能而且通常确实比噪声衡量平均值更高。
再一次指出，这是标准所接受的。
2、在标准结构中 没有给予和适用的公差
3、没有真正的在野外安置的机组应写上“空旷野外”安置。
实际上规则地点的噪声水平总是要更高一些，因为从附近墙壁和或屋顶以及附近设备分布的反射。
4、可能提交的噪声水平数据是当测量应该特定压缩机时采用实际的测量得到的并在一个同类型压缩机在同样的条件下重复运行可被解释为典型的噪声水平。
注 意
对于任何多点测量或重复压缩机测量时，有一定的误差联系。
这些误差指出了为了担保噪声水平对一个特定压缩机的问题，应该在总的dBA衡量值上加上3分贝。
当给予一个用户噪声水平担保时，服从以上要求是绝对必要的。
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经验公式
一台0.7MPa之空压机每马力生产0.1416M3气量
每0.007MPa压降等于0.5％功率
风冷压缩机的热载荷＝HP×2545BTU/时（1BTU = 1.055KJ）
水冷压缩机的GPM（每分钟用水升数）
HP × 2545
500×△T水
或, 如 △T水= 11.1℃（闭环路）,为HP/4
如 △T水= 22.2℃ （城市供水系统） 为HP/8
经后冷却器后65%之冷凝水已去除
经冷冻式干燥器后96%的冷凝水已去除
排气温度每升高11℃,含水量会翻倍
每0.028M3=7.48加仑 = 28.31升=1立方英尺
空压机每M3进气量需配133.5升筒体贮气能力
从理想气体定律推导出的泵气公式
体积（立方米） × 压力上升（MPa）
时间（分）＝———————————————
气量（立方米）× 0.1013（MPa）
电机皮带轮尺寸（英寸）×压缩机转速（RPM）
电机皮带轮尺寸（英寸）＝------------------------------------ 电机转速（RPM）
压缩空气基本理论（4）
压缩目的
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.在驱动风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.使气体通过一个过程或系统循环；
5.制造一个对化学反应更活跃的条件；
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。
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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。
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压缩机的种类和特点
压缩机的主要种类列于图1A，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，其压缩元件是一个活塞，在气缸内作往复运动。
回转式压缩机--是容积式压缩机，压缩是由旋转元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。
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