【壓縮機網(wǎng)】氣動是工業(yè)三大動力之一，不僅廣泛應用于各種制造行業(yè)，而且是航空航天、造船、高鐵、半導體、醫(yī)藥等行業(yè)多種高端裝備中不可替代的組成部分。隨著我國工業(yè)化水平的不斷提升，我國對氣動設備的需求不斷增加，在工業(yè)生產(chǎn)中平均占據(jù)工廠總耗電量的9%，有些工廠甚至高達45%，壓縮空氣系統(tǒng)已不可避免地成為節(jié)能工作的主要對象。在能源問題突出的今天，氣動系統(tǒng)使用中浪費嚴重等問題已然引起了人們的廣泛關注，氣動系統(tǒng)的節(jié)能在我國正成為一個重要而迫切的課題。
一、壓縮空氣系統(tǒng)組成
壓縮空氣系統(tǒng)由氣源設備和氣源處理元件、氣動執(zhí)行元件、氣動控制元件、氣動輔助元件、真空元件以及其它元器件組成，如圖1所示。
1.氣源設備
(1)空壓機（全稱空氣壓縮機）的作用是將電能轉化成壓縮空氣的壓力能，供氣動設備使用。空壓機按照工作原理分為活塞式空壓機、螺桿式空壓機、離心式空壓機。
(2)后冷卻器。后冷卻器（如圖2）的作用是將空壓機出口的高溫空氣冷卻至40℃以下，將大量水蒸氣和油霧冷凝成液態(tài)水滴和油滴，以便將它們清除。
(3)儲氣罐。儲氣罐的作用是消除壓力脈動；依靠絕熱膨脹及自然冷卻降溫，進一步分離掉壓縮空氣中的水分和油分；貯存一定量的氣體，一方面可緩和短時間內(nèi)用氣量大于空壓機輸出氣量的矛盾，另一方面可在空壓機出現(xiàn)故障或停電時，維持短時間的供氣，以便保證氣動設備的安全，如圖3所示。
(4)管路系統(tǒng)指從氣源到末端用氣設備的氣體輸送管路。
2.氣源處理元件
從空壓機輸出的壓縮空氣中含有大量的水分、油分和粉塵等污染物，必須使用氣源處理元件適當清除這些污染物，以避免它們對氣動系統(tǒng)的正常工作造成危害。氣源處理元件主要包括：自動排水器、過濾器、干燥機、空氣組合元件等。
(1)自動排水器。自動排水器主要用于排出管道低處和油水分離器、氣罐及各種過濾器底部等處的冷凝水。它可安裝于不便進行人工排污水的地方，如高處、低處、狹窄處，以防止人工排水被遺忘而造成壓縮空氣被冷凝水重新污染。自動排水器分為氣動自動排水器和電動自動排水器，如圖4所示。
(2)過濾器。過濾器分為主管路過濾器、空氣過濾器、油霧分離器、微霧分離器、超微霧分離器以及除臭過濾器和水滴分離器。它們的作用是清除空氣中的油污、粉塵、水滴以及有害氣體等，以獲得潔凈的壓縮空氣，如圖5所示。
(3)干燥機。壓縮空氣經(jīng)后冷卻器、油水分離器、氣罐、主管路過濾器得到凈化后，仍含有一定量的水蒸氣，使用干燥機來進一步清除水蒸氣，但不能依靠它清除油分。干燥機有冷凍式、吸附式和高分子隔膜式等，如圖6所示。
(4)空氣組合元件。為了得到多種功能，將空氣過濾器、減壓閥和油霧器等元件進行不同的組合，就構成了空氣組合元件。氣動三聯(lián)件為常見的空氣組合元件，是由空氣過濾器、減壓閥和油霧器組成的，如圖7所示。
3.氣動執(zhí)行元件
將壓縮空氣的壓力能轉換為機械能，驅動機構作往復運動、擺動和旋轉運動的元件，稱為氣動執(zhí)行元件。
主要有直線氣缸、擺動氣缸和氣爪等，如圖8所示。
4.氣動控制元件
通過它們改變工作介質的壓力、流量或流動方向來實現(xiàn)執(zhí)行元件所規(guī)定的運動，如各種壓力、流量、方向控制閥和各種氣動邏輯元件。氣動控制元件主要包括壓力控制閥、流量控制閥、方向控制閥、電氣比例閥。
(1)壓力控制閥。壓力控制閥主要有減壓閥和增壓閥。減壓閥是將較高的進口壓力調(diào)節(jié)并降低到符合使用要求的出口壓力的一種裝置，其出口側壓力可調(diào)，并能保持出口側壓力穩(wěn)定的壓力控制閥，如圖9所示。增壓閥是將系統(tǒng)中的低壓氣體按比例轉化為高壓氣體的一種裝置，如圖10所示。
(2)流量控制閥。流量控制閥的作用是控制壓縮空氣的流量，它可以控制氣缸運動速度、信號延遲時間、油霧器的滴油量、氣缸的緩沖能力等，如圖11所示。
(3)方向控制閥。常用的方向控制閥有電磁換向閥、氣控換向閥以及人力換向閥。如圖12、13、14。
(4)電氣比例閥。電氣比例控制屬于連續(xù)控制，其特點是輸出量隨輸入量的變化而變化，輸出量與輸入量之間存在一定的比例關系。電氣比例閥如圖15所示。
5.氣動輔助元件
氣動輔助元件主要有消聲器、排氣潔凈器和管接頭及氣管等。
(1)消聲器和排氣潔凈器。消聲器是允許氣流通過，卻又能阻止或減小聲音傳播的一種器件，是消除空氣動力性噪聲的重要元件。排氣潔凈器可減低噪聲及油霧的污染，以保持寧靜清潔的工作環(huán)境，分別如圖16、圖17所示。
(2)管接頭及氣管。管接頭及氣管是將上述各種氣動元件進行連接的輔助元件，如圖18所示。
通過電動機驅動的空氣壓縮機，將大氣壓狀態(tài)下的空氣壓縮成具有較高壓力的壓縮空氣，經(jīng)過空氣凈化設備除去壓縮空氣中所含的水分、油分和塵埃等污染物，干燥潔凈的壓縮空氣經(jīng)過傳輸管路到達執(zhí)行元件以及末端用氣設備。
二、空壓機的能耗
工廠內(nèi)的用電設備主要有：照明設備、空調(diào)設備、電熱設備、給排水設備、動力設備和制造設備等。作為重要動力設備的空氣壓縮機耗電量平均占工廠內(nèi)用電設備的總用電量的9%，這個數(shù)據(jù)是非常驚人的，這也是從業(yè)者長期關注節(jié)能的重點，本文不再贅述。
三、壓縮空氣的成本及其計算方法
1.壓縮空氣的成本
壓縮空氣盡管來自于大氣，不是資源性氣體，但并非免費使用。為制造壓縮空氣，工業(yè)空氣壓縮機需要消耗大量的電力。另外，企業(yè)還需負擔工業(yè)空氣壓縮機的購置費用、維護費用以及潤滑油費用等。空壓機生命周期成本的絕大部分為電費成本，占整個生命周期的84%左右，如圖19所示。
空氣消耗量是指氣動設備單位時間或一個動作循環(huán)下所消耗空氣的體積。通常，該體積用換算到標準狀態(tài)（100kPa、20℃、相對濕度65%，以下用ANR表示）下的體積來表示，單位為L/min（ANR）或L（ANR）。
空氣消耗量是當前評價氣動設備耗氣的主要指標，在工業(yè)現(xiàn)場被廣泛采用。由于空氣消耗量表示的是體積而不是能量，所以用它來表示能量消耗時需通過空壓機氣源的比能量指標來換算?？諌簷C的比能量：輸出單位體積壓縮空氣所需的平均耗電量，單位kW·h/m3（ANR）?？諌簷C的比能量因空壓機和輸出壓力而異。若輸出壓力為0.7MPa（G），一般工廠主要型號空壓機的比能量為0.08～0.12kW·h/m3（ANR），一般取0.10kW·h/m3（ANR）。工業(yè)用電平均電費取0.7元/kW·h，則壓縮空氣的成本為0.07元/m3（ANR）。
案例:某司壓縮空氣成本計算。該公司共有1期和2期兩個空壓機房，#1～#6空壓機在1期機房，#7～#14空壓機在2期機房。其中，低壓空壓機（0.83MPa）11臺，中壓空壓機（1.4MPa）3臺，具體配置如表1和表2所示。
空壓機每年的電力消費約為480萬kW·h，由此可計算出空壓機耗電量每月隨產(chǎn)量變化而波動的情況，每月平均耗電量為40萬kW·h（因#7空壓機沒有安裝電表，故不含#7空壓機)。由表1和表2可得，10臺75kW、3臺37kW的壓縮機每月耗電量為40萬kW·h，相當于14臺空壓機每月滿負荷工作465h，除去星期日，相當于每天滿負荷工作17.9h，空壓機設備資源處于非常緊張的使用狀態(tài)。
(1)低壓壓縮空氣（0.83MPa）
11臺低壓空壓機的總額定功率為825kW。
11臺低壓空壓機的總產(chǎn)氣量為132m3/min。
所以，比能量為：825/132/60kW·h/m3=0.1042kW·h/m3。電費平均單價按0.7元/kW·h計算，電費占比按80%計算，壓縮空氣的成本為0.091元/m3。
(2)中壓壓縮空氣（1.4MPa）3臺中壓空壓機的總額定功率為111kW。
3臺中壓空壓機的總產(chǎn)氣量為11.1m3/min。
所以，比能量為：111/11.1/60=0.1667 kW·h/m3。
電費平均單價按0.7元/kW·h計算，電費占比按85%計算，壓縮空氣的成本為0.137元/m3。
四、壓統(tǒng)空氣系統(tǒng)的能效評價
目前，壓縮空氣系統(tǒng)的能效評價主要有兩種方法：空氣消耗量和氣動功率。
1.空氣消耗量
空氣消耗量是一種傳統(tǒng)的評價體系，是指氣動設備單位時間或一個動作循環(huán)下所耗空氣的體積。通常，該體積用換算到標準狀態(tài)（100kPa、相對濕度65%、20℃以下用ANR表示）下的體積來表示，單位為m3/min(ANR)或L/min(ANR)?？諝庀牧渴钱斍霸u價氣動設備耗氣的主要指標，在工業(yè)現(xiàn)場被廣泛使用。
由于空氣消耗量表示的是體積而不是能量，所以用它來表示能量消耗時需通過壓縮機的比功率（Specific Power）或比能量（Specific Energy）指標來換算。
比功率表示的是輸出單位體積流量壓縮空氣所需的平均電功率，單位為kW/(m3/min)；
比能量表示的是輸出單位體積壓縮空氣所需的平均耗電量（kW·h/m3）。
從以上定義可以看出，兩者雖然名稱不同，但表示的是同一概念，在單位上可以相互換算。
例如某空壓機的額定功率為75kW，額定輸出流量為12m3/min，則其比功率為
其比能量為:
因此，通過比功率或比能量就可進行空氣消耗量的能耗換算。例如某設備的空氣消耗量為1.0m3/min(ANR)，其所在企業(yè)空壓機的比功率為6.25kW/(m3/min)，空壓機入口處的大氣壓力為101.3kPa，大氣溫度為30℃，該設備的實際用氣能耗可按以下步驟計算。將設備耗氣轉換成空壓機入口處大氣狀態(tài)下的體積流量：
用比功率進行能量計算:
空壓機房的比能量，通常是指空壓機房在一段時間內(nèi)耗電總量和輸出的壓縮空氣總量的比值。這個比值一般會作為整個企業(yè)壓縮空氣價格的計算依據(jù)。
如某空壓機房，輸出100m3(ANR)的壓縮空氣，耗電量為12kW·h，則該空壓機房的比能量為11/100kW·h/m3=0.12kW·h/m3。如果該企業(yè)的平均電價為0.7元/kW·h，則該企業(yè)的壓縮空氣的價格為0.12kW·h/m3×0.7元/kW·h=0.084元/m3。
再如某設備的空氣消耗量為MPa/kPa（ANR），其所在工廠氣源的比能量為0.12kW·h/m3（ANR）時，該設備的實際用氣能耗可按公式計算。P=qα=1.0×60×0.12kW·h=7.2kW。
因此，用比功率、比能量的概念，就能看出空壓機或設備的能效狀況。這種能量消耗評價體系，盡管可以評價設備最終的用氣能耗，但具有以下兩個缺點。
1)表示設備特性之一的空氣消耗量不具有能量單位，不能獨立地表示設備能耗，設備能耗還依賴于所用氣源的比能量。
2)無法對氣源輸出端到設備使用端的中間環(huán)節(jié)的能量損失做出量化，比如管道壓力損失導致的能量損失無法計算。
要克服以上缺點，必須提出一個新的概念，這個概念既獨立于氣源，同時又與壓力變化相關的能量消耗評價量，如同電力只取決于電壓與電流一樣，該評價量應只取決于壓縮空氣的當前狀態(tài)，這個評價量就是氣動功率。
2.氣動功率
根據(jù)熱力學理論，流動空氣的能量由焓（H）、運動能和勢能組成。其中，運動能和勢能比較小，以致可以忽略不計，而焓由內(nèi)能（U）與傳遞功（Pv）組成。
所以，流動空氣的能量可以表示為H=U+Pv=mCpθ。
式中m——空氣質量；
Cp——空氣質量定壓熱容;
θ——空氣溫度。
根據(jù)上公式，空氣的能量取決于空氣的質量和溫度，與壓力無關。即使是大氣狀態(tài)的空氣，也含有大量的焓。對于氣動系統(tǒng)內(nèi)的能量轉換，可直觀地考慮為空壓機電動機先做功將空氣壓縮，并將做功能量儲存到壓縮空氣中，隨后壓縮后的空氣在氣缸等執(zhí)行元件處將該能量釋放輸出機械能，實現(xiàn)動力傳遞的目的。這樣，儲存在壓縮空氣中的能量伴隨空氣的壓縮或膨脹而遞減，具有與焓完全不同的性質。因而，焓不能表示氣動系統(tǒng)中儲存在壓縮空氣中的能量。
為考察壓縮空氣中的能量，討論壓縮空氣的對外做功能力，即壓縮空氣所含焓中可轉換成機械能的部分，該部分能量被稱為壓縮空氣的有效能。
根據(jù)相關參考文獻，氣動系統(tǒng)中壓縮空氣的有效能定義為：以大氣溫度和壓力狀態(tài)為外界基準，壓縮空氣具有對外做功的能力。該有效能是一個相對于大氣狀態(tài)基準的相對量，是建立在氣動系統(tǒng)都工作在大氣環(huán)境下這樣一個事實基礎上的。有效能在大氣溫度下可用以下公式表達：
式中E——有效能；
p——壓縮空氣絕對壓力；
V——壓縮空氣體積；
pa——大氣絕對壓力。
根據(jù)該公式，有效能取決于空氣的壓力和體積，在空氣壓力等于大氣壓力時，有效能為零，壓力越高有效能值越大。
例如，絕對壓力0.8MPa、流量1000 L/min（ANR）的壓縮空氣的氣動功率為3.49kW。從單位kW可以看出，氣動功率使工廠中的壓縮空氣可以與電力一樣，在kW單位下統(tǒng)一起來進行能量消耗管理。
【壓縮機網(wǎng)】氣動是工業(yè)三大動力之一，不僅廣泛應用于各種制造行業(yè)，而且是航空航天、造船、高鐵、半導體、醫(yī)藥等行業(yè)多種高端裝備中不可替代的組成部分。隨著我國工業(yè)化水平的不斷提升，我國對氣動設備的需求不斷增加，在工業(yè)生產(chǎn)中平均占據(jù)工廠總耗電量的9%，有些工廠甚至高達45%，壓縮空氣系統(tǒng)已不可避免地成為節(jié)能工作的主要對象。在能源問題突出的今天，氣動系統(tǒng)使用中浪費嚴重等問題已然引起了人們的廣泛關注，氣動系統(tǒng)的節(jié)能在我國正成為一個重要而迫切的課題。
一、壓縮空氣系統(tǒng)組成
壓縮空氣系統(tǒng)由氣源設備和氣源處理元件、氣動執(zhí)行元件、氣動控制元件、氣動輔助元件、真空元件以及其它元器件組成，如圖1所示。
1.氣源設備
(1)空壓機（全稱空氣壓縮機）的作用是將電能轉化成壓縮空氣的壓力能，供氣動設備使用。空壓機按照工作原理分為活塞式空壓機、螺桿式空壓機、離心式空壓機。
(2)后冷卻器。后冷卻器（如圖2）的作用是將空壓機出口的高溫空氣冷卻至40℃以下，將大量水蒸氣和油霧冷凝成液態(tài)水滴和油滴，以便將它們清除。
(3)儲氣罐。儲氣罐的作用是消除壓力脈動；依靠絕熱膨脹及自然冷卻降溫，進一步分離掉壓縮空氣中的水分和油分；貯存一定量的氣體，一方面可緩和短時間內(nèi)用氣量大于空壓機輸出氣量的矛盾，另一方面可在空壓機出現(xiàn)故障或停電時，維持短時間的供氣，以便保證氣動設備的安全，如圖3所示。
(4)管路系統(tǒng)指從氣源到末端用氣設備的氣體輸送管路。
2.氣源處理元件
從空壓機輸出的壓縮空氣中含有大量的水分、油分和粉塵等污染物，必須使用氣源處理元件適當清除這些污染物，以避免它們對氣動系統(tǒng)的正常工作造成危害。氣源處理元件主要包括：自動排水器、過濾器、干燥機、空氣組合元件等。
(1)自動排水器。自動排水器主要用于排出管道低處和油水分離器、氣罐及各種過濾器底部等處的冷凝水。它可安裝于不便進行人工排污水的地方，如高處、低處、狹窄處，以防止人工排水被遺忘而造成壓縮空氣被冷凝水重新污染。自動排水器分為氣動自動排水器和電動自動排水器，如圖4所示。
(2)過濾器。過濾器分為主管路過濾器、空氣過濾器、油霧分離器、微霧分離器、超微霧分離器以及除臭過濾器和水滴分離器。它們的作用是清除空氣中的油污、粉塵、水滴以及有害氣體等，以獲得潔凈的壓縮空氣，如圖5所示。
(3)干燥機。壓縮空氣經(jīng)后冷卻器、油水分離器、氣罐、主管路過濾器得到凈化后，仍含有一定量的水蒸氣，使用干燥機來進一步清除水蒸氣，但不能依靠它清除油分。干燥機有冷凍式、吸附式和高分子隔膜式等，如圖6所示。
(4)空氣組合元件。為了得到多種功能，將空氣過濾器、減壓閥和油霧器等元件進行不同的組合，就構成了空氣組合元件。氣動三聯(lián)件為常見的空氣組合元件，是由空氣過濾器、減壓閥和油霧器組成的，如圖7所示。
3.氣動執(zhí)行元件
將壓縮空氣的壓力能轉換為機械能，驅動機構作往復運動、擺動和旋轉運動的元件，稱為氣動執(zhí)行元件。
主要有直線氣缸、擺動氣缸和氣爪等，如圖8所示。
4.氣動控制元件
通過它們改變工作介質的壓力、流量或流動方向來實現(xiàn)執(zhí)行元件所規(guī)定的運動，如各種壓力、流量、方向控制閥和各種氣動邏輯元件。氣動控制元件主要包括壓力控制閥、流量控制閥、方向控制閥、電氣比例閥。
(1)壓力控制閥。壓力控制閥主要有減壓閥和增壓閥。減壓閥是將較高的進口壓力調(diào)節(jié)并降低到符合使用要求的出口壓力的一種裝置，其出口側壓力可調(diào)，并能保持出口側壓力穩(wěn)定的壓力控制閥，如圖9所示。增壓閥是將系統(tǒng)中的低壓氣體按比例轉化為高壓氣體的一種裝置，如圖10所示。
(2)流量控制閥。流量控制閥的作用是控制壓縮空氣的流量，它可以控制氣缸運動速度、信號延遲時間、油霧器的滴油量、氣缸的緩沖能力等，如圖11所示。
(3)方向控制閥。常用的方向控制閥有電磁換向閥、氣控換向閥以及人力換向閥。如圖12、13、14。
(4)電氣比例閥。電氣比例控制屬于連續(xù)控制，其特點是輸出量隨輸入量的變化而變化，輸出量與輸入量之間存在一定的比例關系。電氣比例閥如圖15所示。
5.氣動輔助元件
氣動輔助元件主要有消聲器、排氣潔凈器和管接頭及氣管等。
(1)消聲器和排氣潔凈器。消聲器是允許氣流通過，卻又能阻止或減小聲音傳播的一種器件，是消除空氣動力性噪聲的重要元件。排氣潔凈器可減低噪聲及油霧的污染，以保持寧靜清潔的工作環(huán)境，分別如圖16、圖17所示。
(2)管接頭及氣管。管接頭及氣管是將上述各種氣動元件進行連接的輔助元件，如圖18所示。
通過電動機驅動的空氣壓縮機，將大氣壓狀態(tài)下的空氣壓縮成具有較高壓力的壓縮空氣，經(jīng)過空氣凈化設備除去壓縮空氣中所含的水分、油分和塵埃等污染物，干燥潔凈的壓縮空氣經(jīng)過傳輸管路到達執(zhí)行元件以及末端用氣設備。
二、空壓機的能耗
工廠內(nèi)的用電設備主要有：照明設備、空調(diào)設備、電熱設備、給排水設備、動力設備和制造設備等。作為重要動力設備的空氣壓縮機耗電量平均占工廠內(nèi)用電設備的總用電量的9%，這個數(shù)據(jù)是非常驚人的，這也是從業(yè)者長期關注節(jié)能的重點，本文不再贅述。
三、壓縮空氣的成本及其計算方法
1.壓縮空氣的成本
壓縮空氣盡管來自于大氣，不是資源性氣體，但并非免費使用。為制造壓縮空氣，工業(yè)空氣壓縮機需要消耗大量的電力。另外，企業(yè)還需負擔工業(yè)空氣壓縮機的購置費用、維護費用以及潤滑油費用等。空壓機生命周期成本的絕大部分為電費成本，占整個生命周期的84%左右，如圖19所示。
空氣消耗量是指氣動設備單位時間或一個動作循環(huán)下所消耗空氣的體積。通常，該體積用換算到標準狀態(tài)（100kPa、20℃、相對濕度65%，以下用ANR表示）下的體積來表示，單位為L/min（ANR）或L（ANR）。
空氣消耗量是當前評價氣動設備耗氣的主要指標，在工業(yè)現(xiàn)場被廣泛采用。由于空氣消耗量表示的是體積而不是能量，所以用它來表示能量消耗時需通過空壓機氣源的比能量指標來換算?？諌簷C的比能量：輸出單位體積壓縮空氣所需的平均耗電量，單位kW·h/m3（ANR）?？諌簷C的比能量因空壓機和輸出壓力而異。若輸出壓力為0.7MPa（G），一般工廠主要型號空壓機的比能量為0.08～0.12kW·h/m3（ANR），一般取0.10kW·h/m3（ANR）。工業(yè)用電平均電費取0.7元/kW·h，則壓縮空氣的成本為0.07元/m3（ANR）。
案例:某司壓縮空氣成本計算。該公司共有1期和2期兩個空壓機房，#1～#6空壓機在1期機房，#7～#14空壓機在2期機房。其中，低壓空壓機（0.83MPa）11臺，中壓空壓機（1.4MPa）3臺，具體配置如表1和表2所示。
空壓機每年的電力消費約為480萬kW·h，由此可計算出空壓機耗電量每月隨產(chǎn)量變化而波動的情況，每月平均耗電量為40萬kW·h（因#7空壓機沒有安裝電表，故不含#7空壓機)。由表1和表2可得，10臺75kW、3臺37kW的壓縮機每月耗電量為40萬kW·h，相當于14臺空壓機每月滿負荷工作465h，除去星期日，相當于每天滿負荷工作17.9h，空壓機設備資源處于非常緊張的使用狀態(tài)。
(1)低壓壓縮空氣（0.83MPa）
11臺低壓空壓機的總額定功率為825kW。
11臺低壓空壓機的總產(chǎn)氣量為132m3/min。
所以，比能量為：825/132/60kW·h/m3=0.1042kW·h/m3。電費平均單價按0.7元/kW·h計算，電費占比按80%計算，壓縮空氣的成本為0.091元/m3。
(2)中壓壓縮空氣（1.4MPa）3臺中壓空壓機的總額定功率為111kW。
3臺中壓空壓機的總產(chǎn)氣量為11.1m3/min。
所以，比能量為：111/11.1/60=0.1667 kW·h/m3。
電費平均單價按0.7元/kW·h計算，電費占比按85%計算，壓縮空氣的成本為0.137元/m3。
四、壓統(tǒng)空氣系統(tǒng)的能效評價
目前，壓縮空氣系統(tǒng)的能效評價主要有兩種方法：空氣消耗量和氣動功率。
1.空氣消耗量
空氣消耗量是一種傳統(tǒng)的評價體系，是指氣動設備單位時間或一個動作循環(huán)下所耗空氣的體積。通常，該體積用換算到標準狀態(tài)（100kPa、相對濕度65%、20℃以下用ANR表示）下的體積來表示，單位為m3/min(ANR)或L/min(ANR)?？諝庀牧渴钱斍霸u價氣動設備耗氣的主要指標，在工業(yè)現(xiàn)場被廣泛使用。
由于空氣消耗量表示的是體積而不是能量，所以用它來表示能量消耗時需通過壓縮機的比功率（Specific Power）或比能量（Specific Energy）指標來換算。
比功率表示的是輸出單位體積流量壓縮空氣所需的平均電功率，單位為kW/(m3/min)；
比能量表示的是輸出單位體積壓縮空氣所需的平均耗電量（kW·h/m3）。
從以上定義可以看出，兩者雖然名稱不同，但表示的是同一概念，在單位上可以相互換算。
例如某空壓機的額定功率為75kW，額定輸出流量為12m3/min，則其比功率為
其比能量為:
因此，通過比功率或比能量就可進行空氣消耗量的能耗換算。例如某設備的空氣消耗量為1.0m3/min(ANR)，其所在企業(yè)空壓機的比功率為6.25kW/(m3/min)，空壓機入口處的大氣壓力為101.3kPa，大氣溫度為30℃，該設備的實際用氣能耗可按以下步驟計算。將設備耗氣轉換成空壓機入口處大氣狀態(tài)下的體積流量：
用比功率進行能量計算:
空壓機房的比能量，通常是指空壓機房在一段時間內(nèi)耗電總量和輸出的壓縮空氣總量的比值。這個比值一般會作為整個企業(yè)壓縮空氣價格的計算依據(jù)。
如某空壓機房，輸出100m3(ANR)的壓縮空氣，耗電量為12kW·h，則該空壓機房的比能量為11/100kW·h/m3=0.12kW·h/m3。如果該企業(yè)的平均電價為0.7元/kW·h，則該企業(yè)的壓縮空氣的價格為0.12kW·h/m3×0.7元/kW·h=0.084元/m3。
再如某設備的空氣消耗量為MPa/kPa（ANR），其所在工廠氣源的比能量為0.12kW·h/m3（ANR）時，該設備的實際用氣能耗可按公式計算。P=qα=1.0×60×0.12kW·h=7.2kW。
因此，用比功率、比能量的概念，就能看出空壓機或設備的能效狀況。這種能量消耗評價體系，盡管可以評價設備最終的用氣能耗，但具有以下兩個缺點。
1)表示設備特性之一的空氣消耗量不具有能量單位，不能獨立地表示設備能耗，設備能耗還依賴于所用氣源的比能量。
2)無法對氣源輸出端到設備使用端的中間環(huán)節(jié)的能量損失做出量化，比如管道壓力損失導致的能量損失無法計算。
要克服以上缺點，必須提出一個新的概念，這個概念既獨立于氣源，同時又與壓力變化相關的能量消耗評價量，如同電力只取決于電壓與電流一樣，該評價量應只取決于壓縮空氣的當前狀態(tài)，這個評價量就是氣動功率。
2.氣動功率
根據(jù)熱力學理論，流動空氣的能量由焓（H）、運動能和勢能組成。其中，運動能和勢能比較小，以致可以忽略不計，而焓由內(nèi)能（U）與傳遞功（Pv）組成。
所以，流動空氣的能量可以表示為H=U+Pv=mCpθ。
式中m——空氣質量；
Cp——空氣質量定壓熱容;
θ——空氣溫度。
根據(jù)上公式，空氣的能量取決于空氣的質量和溫度，與壓力無關。即使是大氣狀態(tài)的空氣，也含有大量的焓。對于氣動系統(tǒng)內(nèi)的能量轉換，可直觀地考慮為空壓機電動機先做功將空氣壓縮，并將做功能量儲存到壓縮空氣中，隨后壓縮后的空氣在氣缸等執(zhí)行元件處將該能量釋放輸出機械能，實現(xiàn)動力傳遞的目的。這樣，儲存在壓縮空氣中的能量伴隨空氣的壓縮或膨脹而遞減，具有與焓完全不同的性質。因而，焓不能表示氣動系統(tǒng)中儲存在壓縮空氣中的能量。
為考察壓縮空氣中的能量，討論壓縮空氣的對外做功能力，即壓縮空氣所含焓中可轉換成機械能的部分，該部分能量被稱為壓縮空氣的有效能。
根據(jù)相關參考文獻，氣動系統(tǒng)中壓縮空氣的有效能定義為：以大氣溫度和壓力狀態(tài)為外界基準，壓縮空氣具有對外做功的能力。該有效能是一個相對于大氣狀態(tài)基準的相對量，是建立在氣動系統(tǒng)都工作在大氣環(huán)境下這樣一個事實基礎上的。有效能在大氣溫度下可用以下公式表達：
式中E——有效能；
p——壓縮空氣絕對壓力；
V——壓縮空氣體積；
pa——大氣絕對壓力。
根據(jù)該公式，有效能取決于空氣的壓力和體積，在空氣壓力等于大氣壓力時，有效能為零，壓力越高有效能值越大。
例如，絕對壓力0.8MPa、流量1000 L/min（ANR）的壓縮空氣的氣動功率為3.49kW。從單位kW可以看出，氣動功率使工廠中的壓縮空氣可以與電力一樣，在kW單位下統(tǒng)一起來進行能量消耗管理。
網(wǎng)友評論
條評論
最新評論