【壓縮機網】摘要：現代化工業生產和高品質生活都離不開壓縮空氣，空壓機作為壓縮空氣的搬運工，對于各行各業的使用者來說非常重要。談論空壓機離不開三大性能參數：壓力、流量（排氣量）、功率的表現。由于空壓機是耗能大戶，且其廣泛使用于工業生產的各個領域，因此空壓機的降耗增效意義非常重大，得到了業內及客戶一致認可。筆者通過《帶您發現壓縮空氣節能秘密》的十個章節從設計﹑制造﹑使用和服務（售前﹑中﹑后）來闡述壓縮空氣節能。希望大家有所收獲。本文為第四章，主要從噴油螺桿空壓機對1級能效限定值的絕熱效率需求值去分析主機對空壓機節能的影響，并運用絕熱效率來揭示單級壓縮和兩級壓縮節能的秘密。
文/梁柳生
一、空氣壓縮機的絕熱效率
1.首先我們需要了解壓縮空氣工作原理
空氣具有可壓縮性，經空氣壓縮機做功使其體積縮小、壓力提高后獲得壓縮空氣。
根據熱力學第一定律，一個封閉系統的總能量總是守恒的，空氣壓縮機通過外力作用把機械能或熱能轉換為壓縮空氣的壓力勢能。
對于氣體，在微觀上個別分子運動規律很難觀察其規律，但宏觀上大量分子集體效應的物理量，如：氣體的體積、溫度、壓強等等則可以研究其狀態變化而獲取其規律。于是我們在壓縮空氣理論計算時引入“氣體狀態方程”。該狀態方程表示壓力、容積與溫度之間的相互關系。在一個密閉環境中，當一個參數變化時，至少會導致其他兩個參數中的一個參數發生變化。（見公式(1)）。
我們通常使用P-V圖來描述空氣壓縮機工作過程。如果我們有日常生活用打氣筒給自行車輪充氣經歷，就很容易理解空氣的壓縮有四個過程：等容過程（容積不變）、等壓過程（壓力不變）、多變過程（容積、壓力、溫度變化），（見圖1）。
圖1的2-1過程就是空壓機壓縮的過程，通常分為：等溫壓縮（溫度不變）、絕熱壓縮（與周圍沒有熱交換）、 多變壓縮（與周圍產生熱交換）。（見圖2）
從圖2中我們知道，1-2-3-4為空壓機工作的四個過程，其圍成的面積就是其消耗的能量（作功）。其中等溫壓縮作功最小（1-2’-3-4），絕熱壓縮作功最大（1-2”-3-4），多變壓縮均處于兩者之間（1-2-3-4）。但是在實際壓縮過程中，由于空壓機運行既不可能做等溫壓縮（進氣溫度-壓縮溫度-排氣溫度不變），也不可能做到絕熱壓縮（空氣與周圍沒有熱交換）, 因此介于兩者之間的多變壓縮過程就是最常見的噴油螺桿壓縮機的壓縮過程（干式無油螺桿為絕熱壓縮）。
由于螺桿空壓機主機內部在壓縮過程中會產生熱量，氣體的溫度會上升很快，而主機受到噴油量的限制及熱交換的不充分，空氣往往在排氣口才能與油溫中和，所以在理論上研究主機壓縮時向絕熱壓縮靠攏比等溫壓縮更準確。在空壓機主機軸功率計算時一定是先用絕熱壓縮理論來進行推導，然后再通過實驗手段論證其絕熱效率值，從而獲得滿意的空壓機比功率值。
2.絕熱效率
絕熱效率ηad就是等熵絕熱所需要的主機軸功率Pad與空壓機實際軸功率P軸的比值，計算公式見公式（2）：
ηad = Pad/ P軸 ——公式（2）
我們先了解絕熱效率的含義：
?、儆捎诳諌簷C壓縮耗能主要在主機，所以研究絕熱效率就是研究主機的性能；
?、诮^熱效率可以理解為空壓機中空氣被壓縮后與前所含能量的比值，體現空壓機壓縮前后能量利用的完善程度;
?、郾戎担ń^熱效率）越接近（比值為1）說明該空壓機的性能越好，反之則空壓機的性能較次；
?、軌嚎s比增高必然需要更多地能量消耗，比值（絕熱效率）必然會隨著壓比的增高而增高，同時容積效率降低，比值（絕熱效率）也會增大；
?、萘硗猓敱戎担ń^熱效率）越大，空壓機越難實現。反之，就越容易制造。
3.絕熱效率對噴油螺桿空壓機節能影響
相同的機頭型線和加工精度，單級壓縮和2級壓縮結果有什么不一樣的表現呢？我們可以從絕熱效率的理論分析：
同樣排氣壓力為7bar，單級壓縮主機壓比為8：1；兩級壓縮主機頭壓比為2.8：1。從容積效率來看，壓比增大，絕熱效率值下降。（見圖4）
我們可以通過絕熱壓縮理論計算來看。
等熵絕熱壓縮主機軸功率計算：
Pad-壓縮機主機的等熵絕熱功率
Ps-壓縮機的吸氣壓力（MPa）
Pd-壓縮機的排氣壓力（MPa）
qv-壓縮機的實際容積流量（m3/min）
k-被壓縮氣體的等熵指數（空氣=1.4）
空氣壓縮機主機絕熱效率計算：
ηad = Pad/ P軸 ——公式(4)
通過公式（3）和（4）計算方法，我們按GB 19153—2019《容積式空氣壓縮機能效限定值及能效等級》中1級能效限定值來計算出單級壓縮和兩級壓縮時主機所需的絕熱效率需求值并比較分析（見表1）。
③從表1可以看出：
a)大容積流量比小容積流量需要更高的絕熱效率需求值，比如：22kW單級為73.96%，兩級為63.06%；75kW單級為80.23%，兩級為68.4%；
b)在1級能效限定值下，兩級壓縮絕熱效率需求值比單級壓縮絕熱效率需求值小，這意味著，達到1級能效，兩級壓縮比單級壓縮更容易實現。比如：250kW單級為86.06%，兩級為73.37%。
二、單級壓縮與兩級壓縮
通常來說，低壓力比，大中容積流量的空壓機絕熱效率ηad=0.75～0.85；高壓力比，小容積流量的空壓機絕熱效率ηad=0.65～0.75。在目前螺桿空壓機設計與制造水平下，主機絕熱效率ηad>0.85幾乎不可能。因此，在某些1級能效限定值對應的單級壓縮絕熱效率需求值在單級壓縮螺桿空壓機中幾乎“不可能達到”（90kW以上絕熱效率需求值都超過85%以上）。而在這些1級能效限定值對應的兩級壓縮絕熱效率需求值卻很低（絕熱效率不超過75%），反而容易達到設計與制造。這就是從絕熱效率的角度解釋為什么兩級壓縮比單級壓縮節能的原因。
從圖5可以看到：90kW就是單級壓縮的分水嶺，大于90kW單級壓縮螺桿空壓機要達到1級能效非常困難。這就是為什么在市場上絕大多數品牌的空壓機在單級壓縮90kW以上的工頻機很少能達到1級能效。這與現有的技術條件下主機的設計和制造有相當大的關系。
然后，再看圖6所示，1級能效兩級壓縮絕熱效率需求值比單級壓縮絕熱效率需求值低13%左右，且都低于85%，在目前螺桿空壓機設計與制造水平下，非常容易實現。但是現實中大多數情況差距并沒有這么大，是由于對于二次進氣溫度控制受到機頭連接方式限制，大多數兩級壓縮是一級壓縮后直接進入二級壓縮，只是在中間噴油冷卻，使得二級進氣溫度不夠低（露點和容積效率限制），把兩級壓縮變成兩段壓縮，絕熱效率值打了折扣。
在現有的技術和制造水平，相同排氣壓力及機組功率下，由于兩級壓縮主機在壓縮比﹑二級進氣溫度（大多數兩級壓縮主機通過中間噴油冷卻，使得二級進氣溫度=1級排氣溫度-8℃）、容積效率比單級壓縮更優，絕熱效率需求值降低10%左右是不難的事情，從而更容易達到1級能效限定值。
因此針對單級壓縮已經很高的絕熱效率（如在大功率或高壓力機組中），進一步提高絕熱效率難度很大，因此采用兩級壓縮是提高機組能效是最佳方法，特別是在國內主機的技術和制造水平不占優勢的情況下實現彎道超車，也是當今市場普遍的操作。
三、兩級壓縮可以取代單級壓縮嗎？
在GB19153-2019《容積式空氣壓縮機能效限定值及能效等級》中能效限定值要求進一步降低，市場中200kW以下的兩級壓縮比功率值已經接近標準值了，優勢不是那么明顯的情況下，兩級壓縮主機可以通過系統設計，把“偽”兩級（兩段）壓縮變成正真的兩級壓縮應該是下一階段的技術變革。
在市場中為什么在大單、高利潤、優質客戶面前盲目推銷兩級壓縮不一定好使呢？
首先要了解客戶對螺桿空壓機真正需求，客戶購買空壓機是為了賺錢，而不是省錢。選擇單級或兩級壓縮，要根據客戶的需求。片面強調兩級壓縮節能效果而犧牲可靠性，穩定性，耽誤比節能更多時，可能省下來的不如賠的多。
從經濟和節能綜合考慮，建議在90kW 以下機組可采用單級壓縮，而追求1級能效的90 kW以上機組則可以采用兩級壓縮。這將有助于提高機組能效，降低成本，提高穩定性。但是前提是幫助客戶先開源，然后才是節流。不能把順序搞反了。
筆者一直推崇：壓縮空氣系統節能才是真正的節能，單一推銷永磁變頻、兩級壓縮、工業物聯，都是“同質化銷售”的誤區，與95%的競爭對手的銷售方法雷同，無法脫身價格戰。
因此深入了解“絕熱效率對噴油螺桿空壓機節能影響”不僅能在理論上支持我們空壓機設計制造為什么節能，如何做節能及挖掘節能的潛力，而且還可以在激烈的市場競爭中占得先機。學習理論，領先同行！
作者簡介
姓名：梁柳生，廣西柳州，學歷：大學本科，
①高級工程師，1990開始從事空壓機行業工作;有在國企，合資及外企工作經歷，其中22年在AC集團工作。先后從事過空壓機及后處理設備的產品設計，產品工藝，生產管理，產品質量跟蹤服務等及全國銷售總監并有在歐洲學習和工作的經歷。2017年創辦上善氣體工作室，專業從事壓縮空氣系統研究，精益生產管理及銷售的培訓工作。
②國家標準JBT10526-2005《一般用冷凍式壓縮空氣干燥器》第一起草人。
③全國壓縮機標準化技術委員會委員
來源：本站原創
【壓縮機網】摘要：現代化工業生產和高品質生活都離不開壓縮空氣，空壓機作為壓縮空氣的搬運工，對于各行各業的使用者來說非常重要。談論空壓機離不開三大性能參數：壓力、流量（排氣量）、功率的表現。由于空壓機是耗能大戶，且其廣泛使用于工業生產的各個領域，因此空壓機的降耗增效意義非常重大，得到了業內及客戶一致認可。筆者通過《帶您發現壓縮空氣節能秘密》的十個章節從設計﹑制造﹑使用和服務（售前﹑中﹑后）來闡述壓縮空氣節能。希望大家有所收獲。本文為第四章，主要從噴油螺桿空壓機對1級能效限定值的絕熱效率需求值去分析主機對空壓機節能的影響，并運用絕熱效率來揭示單級壓縮和兩級壓縮節能的秘密。
文/梁柳生
一、空氣壓縮機的絕熱效率
1.首先我們需要了解壓縮空氣工作原理
空氣具有可壓縮性，經空氣壓縮機做功使其體積縮小、壓力提高后獲得壓縮空氣。
根據熱力學第一定律，一個封閉系統的總能量總是守恒的，空氣壓縮機通過外力作用把機械能或熱能轉換為壓縮空氣的壓力勢能。
對于氣體，在微觀上個別分子運動規律很難觀察其規律，但宏觀上大量分子集體效應的物理量，如：氣體的體積、溫度、壓強等等則可以研究其狀態變化而獲取其規律。于是我們在壓縮空氣理論計算時引入“氣體狀態方程”。該狀態方程表示壓力、容積與溫度之間的相互關系。在一個密閉環境中，當一個參數變化時，至少會導致其他兩個參數中的一個參數發生變化。（見公式(1)）。
我們通常使用P-V圖來描述空氣壓縮機工作過程。如果我們有日常生活用打氣筒給自行車輪充氣經歷，就很容易理解空氣的壓縮有四個過程：等容過程（容積不變）、等壓過程（壓力不變）、多變過程（容積、壓力、溫度變化），（見圖1）。
圖1的2-1過程就是空壓機壓縮的過程，通常分為：等溫壓縮（溫度不變）、絕熱壓縮（與周圍沒有熱交換）、 多變壓縮（與周圍產生熱交換）。（見圖2）
從圖2中我們知道，1-2-3-4為空壓機工作的四個過程，其圍成的面積就是其消耗的能量（作功）。其中等溫壓縮作功最小（1-2’-3-4），絕熱壓縮作功最大（1-2”-3-4），多變壓縮均處于兩者之間（1-2-3-4）。但是在實際壓縮過程中，由于空壓機運行既不可能做等溫壓縮（進氣溫度-壓縮溫度-排氣溫度不變），也不可能做到絕熱壓縮（空氣與周圍沒有熱交換）, 因此介于兩者之間的多變壓縮過程就是最常見的噴油螺桿壓縮機的壓縮過程（干式無油螺桿為絕熱壓縮）。
由于螺桿空壓機主機內部在壓縮過程中會產生熱量，氣體的溫度會上升很快，而主機受到噴油量的限制及熱交換的不充分，空氣往往在排氣口才能與油溫中和，所以在理論上研究主機壓縮時向絕熱壓縮靠攏比等溫壓縮更準確。在空壓機主機軸功率計算時一定是先用絕熱壓縮理論來進行推導，然后再通過實驗手段論證其絕熱效率值，從而獲得滿意的空壓機比功率值。
2.絕熱效率
絕熱效率ηad就是等熵絕熱所需要的主機軸功率Pad與空壓機實際軸功率P軸的比值，計算公式見公式（2）：
ηad = Pad/ P軸 ——公式（2）
我們先了解絕熱效率的含義：
?、儆捎诳諌簷C壓縮耗能主要在主機，所以研究絕熱效率就是研究主機的性能；
?、诮^熱效率可以理解為空壓機中空氣被壓縮后與前所含能量的比值，體現空壓機壓縮前后能量利用的完善程度;
?、郾戎担ń^熱效率）越接近（比值為1）說明該空壓機的性能越好，反之則空壓機的性能較次；
?、軌嚎s比增高必然需要更多地能量消耗，比值（絕熱效率）必然會隨著壓比的增高而增高，同時容積效率降低，比值（絕熱效率）也會增大；
?、萘硗猓敱戎担ń^熱效率）越大，空壓機越難實現。反之，就越容易制造。
3.絕熱效率對噴油螺桿空壓機節能影響
相同的機頭型線和加工精度，單級壓縮和2級壓縮結果有什么不一樣的表現呢？我們可以從絕熱效率的理論分析：
同樣排氣壓力為7bar，單級壓縮主機壓比為8：1；兩級壓縮主機頭壓比為2.8：1。從容積效率來看，壓比增大，絕熱效率值下降。（見圖4）
我們可以通過絕熱壓縮理論計算來看。
等熵絕熱壓縮主機軸功率計算：
Pad-壓縮機主機的等熵絕熱功率
Ps-壓縮機的吸氣壓力（MPa）
Pd-壓縮機的排氣壓力（MPa）
qv-壓縮機的實際容積流量（m3/min）
k-被壓縮氣體的等熵指數（空氣=1.4）
空氣壓縮機主機絕熱效率計算：
ηad = Pad/ P軸 ——公式(4)
通過公式（3）和（4）計算方法，我們按GB 19153—2019《容積式空氣壓縮機能效限定值及能效等級》中1級能效限定值來計算出單級壓縮和兩級壓縮時主機所需的絕熱效率需求值并比較分析（見表1）。
③從表1可以看出：
a)大容積流量比小容積流量需要更高的絕熱效率需求值，比如：22kW單級為73.96%，兩級為63.06%；75kW單級為80.23%，兩級為68.4%；
b)在1級能效限定值下，兩級壓縮絕熱效率需求值比單級壓縮絕熱效率需求值小，這意味著，達到1級能效，兩級壓縮比單級壓縮更容易實現。比如：250kW單級為86.06%，兩級為73.37%。
二、單級壓縮與兩級壓縮
通常來說，低壓力比，大中容積流量的空壓機絕熱效率ηad=0.75～0.85；高壓力比，小容積流量的空壓機絕熱效率ηad=0.65～0.75。在目前螺桿空壓機設計與制造水平下，主機絕熱效率ηad>0.85幾乎不可能。因此，在某些1級能效限定值對應的單級壓縮絕熱效率需求值在單級壓縮螺桿空壓機中幾乎“不可能達到”（90kW以上絕熱效率需求值都超過85%以上）。而在這些1級能效限定值對應的兩級壓縮絕熱效率需求值卻很低（絕熱效率不超過75%），反而容易達到設計與制造。這就是從絕熱效率的角度解釋為什么兩級壓縮比單級壓縮節能的原因。
從圖5可以看到：90kW就是單級壓縮的分水嶺，大于90kW單級壓縮螺桿空壓機要達到1級能效非常困難。這就是為什么在市場上絕大多數品牌的空壓機在單級壓縮90kW以上的工頻機很少能達到1級能效。這與現有的技術條件下主機的設計和制造有相當大的關系。
然后，再看圖6所示，1級能效兩級壓縮絕熱效率需求值比單級壓縮絕熱效率需求值低13%左右，且都低于85%，在目前螺桿空壓機設計與制造水平下，非常容易實現。但是現實中大多數情況差距并沒有這么大，是由于對于二次進氣溫度控制受到機頭連接方式限制，大多數兩級壓縮是一級壓縮后直接進入二級壓縮，只是在中間噴油冷卻，使得二級進氣溫度不夠低（露點和容積效率限制），把兩級壓縮變成兩段壓縮，絕熱效率值打了折扣。
在現有的技術和制造水平，相同排氣壓力及機組功率下，由于兩級壓縮主機在壓縮比﹑二級進氣溫度（大多數兩級壓縮主機通過中間噴油冷卻，使得二級進氣溫度=1級排氣溫度-8℃）、容積效率比單級壓縮更優，絕熱效率需求值降低10%左右是不難的事情，從而更容易達到1級能效限定值。
因此針對單級壓縮已經很高的絕熱效率（如在大功率或高壓力機組中），進一步提高絕熱效率難度很大，因此采用兩級壓縮是提高機組能效是最佳方法，特別是在國內主機的技術和制造水平不占優勢的情況下實現彎道超車，也是當今市場普遍的操作。
三、兩級壓縮可以取代單級壓縮嗎？
在GB19153-2019《容積式空氣壓縮機能效限定值及能效等級》中能效限定值要求進一步降低，市場中200kW以下的兩級壓縮比功率值已經接近標準值了，優勢不是那么明顯的情況下，兩級壓縮主機可以通過系統設計，把“偽”兩級（兩段）壓縮變成正真的兩級壓縮應該是下一階段的技術變革。
在市場中為什么在大單、高利潤、優質客戶面前盲目推銷兩級壓縮不一定好使呢？
首先要了解客戶對螺桿空壓機真正需求，客戶購買空壓機是為了賺錢，而不是省錢。選擇單級或兩級壓縮，要根據客戶的需求。片面強調兩級壓縮節能效果而犧牲可靠性，穩定性，耽誤比節能更多時，可能省下來的不如賠的多。
從經濟和節能綜合考慮，建議在90kW 以下機組可采用單級壓縮，而追求1級能效的90 kW以上機組則可以采用兩級壓縮。這將有助于提高機組能效，降低成本，提高穩定性。但是前提是幫助客戶先開源，然后才是節流。不能把順序搞反了。
筆者一直推崇：壓縮空氣系統節能才是真正的節能，單一推銷永磁變頻、兩級壓縮、工業物聯，都是“同質化銷售”的誤區，與95%的競爭對手的銷售方法雷同，無法脫身價格戰。
因此深入了解“絕熱效率對噴油螺桿空壓機節能影響”不僅能在理論上支持我們空壓機設計制造為什么節能，如何做節能及挖掘節能的潛力，而且還可以在激烈的市場競爭中占得先機。學習理論，領先同行！
作者簡介
姓名：梁柳生，廣西柳州，學歷：大學本科，
①高級工程師，1990開始從事空壓機行業工作;有在國企，合資及外企工作經歷，其中22年在AC集團工作。先后從事過空壓機及后處理設備的產品設計，產品工藝，生產管理，產品質量跟蹤服務等及全國銷售總監并有在歐洲學習和工作的經歷。2017年創辦上善氣體工作室，專業從事壓縮空氣系統研究，精益生產管理及銷售的培訓工作。
②國家標準JBT10526-2005《一般用冷凍式壓縮空氣干燥器》第一起草人。
③全國壓縮機標準化技術委員會委員
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