吸气参数对纺织企业不同类型空压机性能影响的研究分析

秦　莉，颜苏芊，刘　宁，魏世祥

(西安工程大学环境与化学工程学院，西安　710048)



吸气参数对纺织企业不同类型空压机性能影响的研究分析

秦莉，颜苏芊，刘宁，魏世祥

(西安工程大学环境与化学工程学院，西安710048)

摘要：采用实验测试与理论计算相结合的分析方法，探讨吸气参数对纺织企业常用空压机性能的影响。结果表明：离心式空压机运行效率高于螺杆式空压机；空压机吸气参数与其性能关系密切，温度每增加1℃，变频螺杆式空压机全效率与多变效率分别降低约0.678%、0.898%，离心式空压机分别降低约0.517%、0.832%；含湿量每增加1g/kg(干空气)，螺杆机效率分别降低约0.457%、0.644%，离心机效率分别降低约0.277%、0.438%；焓每增加1kJ/kg(干空气)，螺杆机效率分别降低约0.155%、0.235%，离心机效率分别降低约0.125%、0.151%；当进口空气参数变化时，螺杆机较离心机效率变化更明显，且对于同类型空压机，当吸气参数改变时，其多变效率较全效率变化更显著。

关键词：空气压缩机；吸气参数；温度；含湿量；焓

压缩空气具有清洁、安全、使用方便等特点，现已成为纺织企业仅次于电力的第二大动力源。而压缩空气的生产是一个高能耗的过程，在大多数纺织企业中，空压系统能耗占到企业总能耗的30%，甚至超过40%。一个典型的压缩空气系统由压缩空气产生、输送和使用三部分构成，空压机是压缩空气的气源装置，也是整个系统中最重要的部分，其耗电量占系统总耗电的96%。[1]当空压机吸气温度每增加3℃，空压机的功耗就要增加1%左右。[2]压缩空气来源于大气，其温湿度会随时间波动，这种波动会对空压机乃至整个系统产生不可避免的影响。空压机吸入高温高湿空气进行压缩，会导致其排气量与排气压力降低、能耗增加。因此，分析研究吸气参数对空压机耗能的影响，采取积极措施降低空压机吸气温湿度，已经成为纺织企业节能节支的首要工作。本文首先介绍了纺织企业常用空压机及其工作原理，然后介绍了常用的空压机性能分析方法，最后针对纺织企业常用的变频无油螺杆空压机与离心式空压机，采用实验测试与理论计算相结合的分析方法，探讨了吸气参数对空压机性能的影响。

1　纺织企业常用空压机及其工作原理

空压机的分类方法很多，按照工作原理不同可将其分为速度式和容积式两大类，其中速度式空压机有轴流式、离心式和混流式；容积式空压机有活塞式、膜式、滑片式、螺杆式和转子式。目前，纺织厂常用的空压机有离心式空压机和螺杆式空压机。

1.1离心式空压机工作原理

离心式空压机是将叶轮动能转化为空气的压力和动能。工作时，各级主机叶轮高速旋转，使空气受到离心力在产生压力的同时获得流速，空气离开叶轮后经扩压器、扩张通道等扩压装置将动能转化为压力能，使空气压力得到进一步提升。同时经过冷却塔冷却的低温冷却水流入冷却器内，与高温空气完成热交换后流出冷却器。三级压缩离心式空压机，其冷却水系统与空气系统的工作流程见图1。

图1　三级压缩离心式空压机工作流程

1.2螺杆式空压机的工作原理

螺杆式空压机是依靠气缸内平行布置的两个呈“∞”形且相互啮合的螺旋转子，按一定传动比反向旋转完成吸气、压缩和排气过程来生产压缩空气。吸气时，经过过滤的清洁空气经吸气口进入两转子间的齿间容积，随着螺杆不断转动，两转子间齿间容积不断增大，当容积达到最大时与吸气口断开，完成吸气过程。压缩过程是依靠转子间容积不断减小完成的，当齿间容积与排气口相通，压缩过程完成。排气过程紧随其后，排气时不断旋转的螺杆将压缩空气输送至排气管道，直到齿间容积达到最小时，排气过程完成。同时冷却水分别流入冷却器和各级气缸外侧，与高温空气、气缸完成热交换后流出冷却器。二级压缩无油螺杆空压机，其冷却水系统与空气系统的工作流程见图2。

图2　二级压缩螺杆式空压机工作流程

2　空压机性能分析方法

不同类型空压机的工作原理不同，因此吸气参数对性能的影响也不尽相同，本文针对纺织企业常用的变频无油螺杆空压机与离心式空压机进行测试分析。由于空压机吸气状态与进气量不同时，功率差异明显。为了分析方便，选择测试空压机吸气参数与功率，并以此为依据对空压机全效率和多变压缩效率进行分析计算，研究吸气参数对空压机性能的影响。全效率与多变压缩效率是判断空压机性能的重要指标。在一定产气压力下，以全效率是否降低来判断空压机性能是否下降。空压机全效率计算可用式(1)表示：

(1)

式中：Pair为输出压缩空气有效气动功率，kW；Pele为空压机消耗电功率，kW。输出压缩空气有效气动功率Pair是压缩空气空气流动时，压缩空气流束含有的有效能表现为动力的形式[3]，可通过式(2)计算：

(2)

式中：z为压缩级数；Pa为大气绝对压力，MPa；qv为压缩状态下体积流量，Nm3/s；Pv为压缩状态下绝对压力，MPa。

空压机实际工作是一种多变压缩过程，多变效率是多变压缩过程消耗的功和实际压缩过程所消耗功之比。多变压缩效率ηs·n可通过式(3)计算：

(3)

式中：Ps·n为由初始状态到终了状态的多变压缩轴功率，kW。

多级离心式空压机，其多变轴功率可通过式(4)计算：

Ps·n=

(4)

多级螺杆式空压机，其多变轴功率可通过式(5)计算：

(5)

3　吸气参数对不同类型空压机性能影响的分析

3.1吸气温度对空压机性能的影响

空压机性能与其吸气温度密不可分，本实验在空压机吸入空气的含湿量分别为11.1g/kg(干空气)和15.7g/kg(干空气)时对吸入不同温度空气的螺杆式与离心式空压机功率及其效率进行测试分析，测试结果见表1。

表1相同进气含湿量不同温度空压机的测试结果

含湿量/(g/kg(干空气))螺杆式空压机温度/℃全效率/%多变效率/%离心式空压机温度/℃全效率/%多变效率/%11.123.967.43089.96534.591.22297.65230.266.15789.22135.191.18997.61630.465.98989.05835.791.08697.54931.264.88488.16336.390.48795.61332.763.65287.30538.586.66691.61215.724.467.25388.87318.491.68598.12925.266.86387.46025.389.21794.27128.565.91586.27233.887.68792.44632.563.85881.09035.187.34792.08833.763.72780.26436.786.75391.462

通过对空压机相同吸气含湿量不同温度性能的测试分析发现：离心式空压机的全效率与多变效率均明显高于变频螺杆式空压机，且空压机吸气温度对螺杆式空压机性能影响较离心式空压机更明显。当吸气含湿量相同时，空压机进气温度越高，运行效率越低，温度每增加1℃，变频螺杆式空压机全效率与多变效率分别降低约0.678%和0.898%；离心式空压机的全效率与多变效率分别降低约0.517%和0.832%。当吸气温度升高时，同类空压机多变效率比全效率变化更显著。

3.2吸气含湿量对空压机性能的影响

吸气含湿量对空压机性能影响不可忽略，本实验在螺杆式空压机吸入空气的温度分别为25℃和31℃、离心式空压机吸气温度分别为21℃和33℃时，对吸入不同含湿量空气的空压机功率及其效率进行测试分析，测试结果见表2。

表2相同进气温度不同含湿量空压机的测试结果

螺杆式空压机温度/℃含湿量/(g/kg(干空气))全效率/%多变效率/%离心式空压机温度/℃含湿量/(g/kg(干空气))全效率/%多变效率/%253110.310.515.315.716.813.113.214.114.514.965.18265.09563.88563.85863.72764.45264.38863.28563.03362.91981.65981.09080.90480.41980.26481.20381.19980.72080.61080.582213315.315.716.016.719.810.815.515.716.116.888.40288.26988.13587.99487.08991.68590.68790.62490.57590.37193.20193.04592.89192.59890.09498.12996.74596.62096.46296.418

通过对空压机相同吸气温度不同含湿量性能的测试分析发现：空压机吸气含湿量升高较温度升高，性能变化略小。当空压机含湿量增加时，螺杆式空压机性能变化较离心式空压机更明显。当吸气温度相同时，空压机进气含湿量越高，运行效率越低，含湿量每增加1g/kg(干空气)，变频螺杆式空压机全效率与多变效率分别降低约0.457%和0.644%；离心式空压机的全效率与多变效率分别降低约0.277%和0.438%。当吸气温度升高时，同类空压机多变效率比全效率变化更显著。

3.3吸气焓值对空压机性能的影响

焓是工质的复合状态参数，湿空气的焓以1kg干空气为计算基础，它是1kg干空气焓与dkg水蒸气焓的总和，湿空气焓随温度与含湿量的升高而增加。[5]本实验对空压机吸入空气不同焓值空气时的功率及其效率进行测试分析，测试结果见表3。

表3不同进气焓值空压机的测试结果

螺杆式空压机焓值/(kJ(kg(干空气))全效率/%多变效率/%离心式空压机焓值/(kJ/kg(干空气))全效率/%多变效率/%44.069.67888.42344.092.60399.11149.567.46387.46045.892.36598.80252.866.23587.22353.191.87497.80860.265.17985.42356.191.68597.52965.864.18282.90469.790.67696.94867.064.16682.11270.990.56496.90571.063.95381.94171.790.31096.84173.063.88581.65973.690.13496.55274.963.85881.09077.889.76795.61276.063.65281.05279.589.50094.897

通过对空压机吸入不同比焓空气的性能测试分析发现：当空压机吸气焓值升高时其降低。当空压机进气焓每增加1kJ/(kg(干空气)，变频螺杆式空压机全效率与多变效率分别降低约0.155%和0.235%；离心式空压机的全效率与多变效率分别降低约0.125%和0.151%。当吸气焓值增加时，同类空压机多变效率比全效率变化更显著。

4　结　论

通过对某纺织企业空压机不同吸气参数下不同类型空压机效率进行研究分析，可以得出以下结论：

a)纺织厂常用的空压机按照其不同的工作原理有离心式和螺杆式空压机两类，离心式空压机的效率高于螺杆式空压机。对于同时拥有离心和螺杆式空压机的企业，应尽量使用离心式空压机生产压缩空气，以降低压缩空气的生产成本。

b)空压机性能与进口空气温度关系密切，当吸气含湿量相同时，温度每增加1℃，变频螺杆式空压机全效率与多变效率分别降低约0.678%和0.898%，离心式空压机的全效率与多变效率分别降低约0.517%和0.832%。

c)进口空气含湿量与空压机性能密不可分，当吸气温度相同时，含湿量每增加1g(kg(干空气))-1，变频螺杆式空压机全效率与多变效率分别降低约0.457%和0.644%；离心式空压机的全效率与多变效率分别降低约0.277%和0.438%。

d)进口空气焓值对空压机性能影响不可忽略，当空压机进气焓每增加1kJ/(kg(干空气)，变频螺杆式空压机全效率与多变效率分别降低约0.155%和0.235%；离心式空压机的全效率与多变效率分别降低约0.125%和0.151%。

e)当进口空气参数变化时，螺杆式空压机较离心式空压机效率变化更明显；对于同类型空压机，当吸气参数改变时，其多变效率较全效率变化更显著。

根据以上结论，本文对纺织企业提出以下建议：空压机能耗影响整个系统甚至整个企业的能耗，企业应采取积极措施降低空压机进口空气温度和湿度，以提高空压机运行效率，减少空压机耗能，降低企业生产成本，提高企业市场竞争力。

参考文献：

[1] 蔡茂林.压缩空气系统的能耗现状及节能潜力[J].中国设备工程,2009(7):42-44.

[2] 秦宏波,黄军徽,周华,等.基于系统测试的工业压缩空气系统节能技术应用研究[J].上海节能,2006(4):28-31.

[3] 蔡茂林,香川利春.气动系统的能量消耗评价体系及能量损失分析[J].机械工程学报,2007,43(9):69-74.

[4] 中国石化上海工程有限公司.化工工艺设计手册:上册[M].北京:化学工业出版社,2009:1001-1003.

[5] 黄翔.空调工程[M].北京:机械工业出版社,2009:17-18.

[6] 王淑芬.工业企业压缩空气系统节能潜力分析[J].棉纺织技术,2009(37):57-59.

[7] 蔡茂林,权明,王伟民.纺织行业压缩空气系统现状及节能潜力[C]//中国纺织工程学会.纺织空调除尘高效节能减排研讨会论文集.北京,2010:149-153.

[8] 吴佩林,王建军,王华.工业企业压缩空气系统节能潜力分析[J].压缩机技术,2012(1):38-41.

[9] 黄翔,霍海红,卫晨.高压喷气填料蒸发冷却空调的应用与分析[J].棉纺织技术,2013,41(4):22-27.

(责任编辑：康锋)

收稿日期：2015-07-22

作者简介：秦莉(1991-)，女，江苏无锡人，硕士研究生，主要研究方向为压缩空气系统的节能及优化。 通信作者：颜苏芊,E-mail:746266396@qq.com

中图分类号：TH138.21

文献标志码：A

文章编号：1009-265X(2016)03-0036-05

Research and Analysis of Effects of Suction Parameters on the Performances of Different Air Compressors in Textile Mill

QINLi,YANSuqian,LIUNing,WEIShixiang

(College of Environmental and Chemical Engineering, Xi’an Polytechnic University，Xi’an 710048, China)

Abstract：This paper discussed the effects of suction parameters on performances of common air compressors in textile enterprises by using the analytical method with the combination of experimental measurement and theoretical calculation. As shown in the result, the operating efficiency of centrifugal compressor is higher than that of rotary screw air compressor. The compressor’s suction parameters have close relations to their performances. When the suction temperature of air compressor increase by 1℃, the overall efficiency and polytropic efficiency of variable frequency screw compressor will decrease by 0.678% and 0.898% respectively while those of the centrifugal compressor will decrease by 0.517% and 0.832% respectively; when the moisture content of air compressor increase by 1 g/kg(dry air), such efficiencies of screw compressor will decrease by 0.457% and 0.644% respectively while such efficiencies of centrifugal compressor will decrease by 0.277% and 0.438% respectively. When the specificsuction enthalpy of air compressor increases by 1 kJ/kg (dry air), such efficiencies of screw compressor will increase by 0.155% and 0.235% respectively while such efficiencies of centrifugal compressor will decrease by 0.125% and 0.151% respectively. And when the inlet air parameter changes, the performance variation of screw compressor is more obvious than that of centrifugal compressor. For air compressors of the same type, when the suction parameters change, the polytropic compression efficiency changed more remarkably than overall efficiency.

Key words：air compressor; suction parameters; temperature; humidity; specific enthalpy