活塞式空压机能效分析

活塞式空压机能效分析

黄业辉

（云南铝业股份有限公司铝电解分公司动力厂云南省昆明650502）

摘要：空压机是一种将气体压缩进储气罐并提高气体压力的机器，担负着为各种气动元件和气动设备提供压缩空气的重任。本文通过对一台W-1.6/5型空气压缩机吸气阀升程、排气阀升程、余隙容积及转速的调节来检测它们对容积流量、轴功率的影响，并分析它们与轴功率的关系，进而找到实现该空气压缩机最佳节能运行时的最佳调节数据。

关键词：活塞式；空压机；能效

空压机是国民经济的基础产业，它与化工、医药等行业有着密不可分的联系。同时，空压机也是一个大的能耗行业。因此，对空压机节能降耗进行科学深入地分析和研究，将产生非常大的社会和经济效益，对国计民生有着极为重要的实际意义。

一、活塞式空压机概述

1、工作原理。活塞式空压机是往复式空压机中的一种，其压缩元件是一个活塞，在气缸内部做往复运动，按活塞同气体。衍生产品有空压机、流水线设备、塑机、风机等。另外，活塞式空压机在气缸内作往复运动的活塞向右移动时，气缸内活塞左腔的压力低于大气压力pa，吸气阀开启，外界空气吸入缸内，这个过程称为压缩过程。当缸内压力高于输出空气管道内压力p后，排气阀打开。活塞的往复运动是由电动机带动的曲柄滑块机构形成的。曲柄的旋转运动转换为滑动-活塞的往复运动。这种结构的压缩机在排气过程结束时总有剩余容积存在。在下一次吸气时，剩余容积内的压缩空气会膨胀，从而减少了吸入的空气量，降低了效率，增加了压缩功。

2、优点。1）活塞式空压机的适用压力范围广，不论流量大小，均能达到所需压力；2）单机能力为在500m3/min以下的任意流量；3）在一般的压力范围内，对材料的要求低，多采用普通的钢铁材料，加工较容易，造价较低廉；4）热效率较高，一般大、中型机组绝热效率可达0.7-0.85左右；5）气量调节时，适应性强，即排气范围较广，且不受压力高低影响，能适应较广阔的压力范围和制冷量要求；6）气体的重度和特性对压缩机的工作性能影响不大，同一台压缩机可用于不同的气体；7）驱动机比较简单，大都采用电动机，一般不调速，可维修性强；8）活塞压缩机技术上较为成熟，生产使用上积累了丰富的经验。

二、研究思路

研究空压机节能降耗可从两方面入手：

1、从设计制造的层面，通过科学合理的设计，以提高空压机的性能参数；通过先进的制造设备和高超的制造水平，以达到设计要求和提高空压机的品质。

2、从使用运行操作的层面，通过试验得出合理的工艺参数和运行参数；通过提高操作人员的操作水平，以合理配置工艺参数和运行参数。只有这样才能提高空压机的节能降耗效果。本文从使用运行操作的层面，以典型的活塞空压机（W-1.6/5矿用微型空压机）为研究对象，通过空压机检验检测系统，以实验研究为切入点，进行性能参数指标的变工况试验检测，根据对检测数据分析，选择出变工况试验的最佳优化区域。

三、试验情况

本次通过调节W-1.6/5型空压机的吸气阀升程、排气阀升程、余隙容积及转速等四个参数，来检测它们与容积流量、轴功率数据关系，并找出规律。具体检测数据如下：

1、吸气阀升程、容积流量、轴功率试验数据。①吸气阀升程1.0mm、容积流量1.431m3/min、轴功率12.3kW；②吸气阀升程1.5mm、容积流量1.481m3/min、轴功率12.1kW；③吸气阀升程2.0mm、容积流量1.52m3/min、轴功率10.9kW；④吸气阀升程2.5mm、容积流量1.54m3/min、轴功率10.3kW。见图1。由此可得出吸气阀升程在2.0～2.5mm比较合理。

2、排气阀升程、容积流量、轴功率试验数据。①吸气阀升程1.5mm、容积流量1.372m3/min、轴功率12.8kW；②吸气阀升程2.0mm、容积流量1.401m3/min、轴功率12.7kW；③吸气阀升程2.5mm、容积流量1.456m3/min、轴功率11.9kW；④吸气阀升程3.0mm、容积流量1.521m3/min、轴功率10.8kW；⑤吸气阀升程3.5mm、容积流量1.537m3/min、轴功率10.8kW；⑥吸气阀升程4.0mm、容积流量1.536m3/min、轴功率10.8kW。见图2。由此可得出排气阀升程在2.0～2.5mm比较合理。

3、余隙容积、容积流量、轴功率试验数据。①余隙容积3m3、容积流量1.246m3/min、轴功率12.1kW；②余隙容积2m3、容积流量1.378m3/min、轴功率11.9kW；③余隙容积1.5m3、容积流量1.519m3/min、轴功率10.7kW；④余隙容积0.8m3、容积流量1.522m3/min、轴功率10.6kW。见图3（余隙容积试验数据以活塞在气缸中运动时处于上行程时，其活塞端面与吸气阀之间的间距为研究参数）。由此可得出余隙容积保持在0.8～1.5mm比较合理。

4、转速、容积流量、轴功率试验数据。①转速970r/min、容积流量1.52m3/min、轴功率10.1kW；②转速1050r/min、容积流量1.56m3/min、轴功率10.5kW；③转速1100r/min、容积流量1.57m3/min、轴功率10.7kW；④转速1150r/min、容积流量1.59m3/min、轴功率11.0kW；

见图4。由此可得出转速在970～1150r/min比较合理。

四、结论

1、对吸气阀，如弹簧力过大、吸气阀会提前关闭，导致吸气不足。而弹簧力过小，则又会导致气阀延迟关闭，气缸内的气体向吸气腔倒流。从本次检测研究情况分析，对由2O或T10加工而成的舌状阀，作为吸气阀片，其厚度为3.0～3.5mm，端部最大行程为2.0～2.5mm时，其综合工作性能处于最佳状态。

2、对排气阀，如弹簧力过大、会导致排气阀提前关闭，在排气终了时，气缸压缩腔内气体压力增大，压缩气体未完全及时排出，至使压缩终了时余隙容积内的气体压力增大，压缩机容积流量下降，能耗上升；如排气阀弹簧力过小，将导致排气阀延迟关闭，至使气缸内活塞下行时，处于吸气状态时排气阀还未关闭，此时气缸处于相对真空状态，吸入气体产生串流，导致容积流量下降，能耗和温度上升。从本次检测研究情况分析，对由2O或T10加工而成的舌状阀，作为排气阀片，其厚度一般为4.5～5.0mm，端部最大行程为3.0～4.0mm时，其综合工作性能处于最佳状态。从整个舌状阀系统而言，根据本次检测和相关理论计算，其对压缩机容积流量和能耗的影响可达到7％左右。

3、对余隙容积大小的确定，如余隙容积太大其受压缩的空气不能有效排出，空压机的容积流量下降，能效损失浪费严重，余隙容积太小则容易产生顶缸事故，根据检测结果，空压机活塞在其最大行程位置时，活塞顶部和吸气阀片的间距应在0.8～1.5mm为最佳。

4、对本次试验样机而言，在排气压力恒定时，一般情况下空压机转速越高，其排气量越大，相对应能耗也越大，而能耗和排气量的比值（即比功率）却减小。从本次检测研究情况分析，对活塞式空压机最佳转速控制在780～1150r/min时，是比较理想的状态。

综上所述，通过合理调节活塞式空压机的吸气阀升程、排气阀升程、余隙容积及转速等，可使每台机组的总能耗量下降10.9％左右。

参考文献：

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