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1、压缩空气供气系统节能手册目录 一、 前言 1二、 压缩空气供给系统概论 2三、 压缩空气系统检测 13四、 空气压缩机节能措施 18五、 空气调质设备节能措施 33六、 压缩空气管线节能措施 40七、 编后语 . 50八、 参与文献 51一、前言近年来，由于自动化设备在各行各业的普及，而气动设备的安全、洁净、易于控制、取得容易等有利因素，因此被广泛应用于自动化设备上。但为提供压力、洁净程度适合之压缩空气，各工厂必须安装、配置一压缩空气供给系统；然而对此系统的管理上，由于大部份供气系统除安装压力表外，并无安装其它合适的计量仪表，如流量计、电力瓦时表、温度计等，对于所使用系统之运转状况，如现场实际
2、需求量、实际供气量、压缩机供气效率、现场泄漏量等，无法充份掌握，进而适时的提出各项改善方案，降低压缩空气系统的运转成本。财团法人中技社节能技术发展中心(以下简称本中心)多年来协助政府及产业界推动能源节约工作，有鉴于业者对于压缩空气系统的倚重，但又无法由既有仪表之数据上，得知空气压缩机的日耗电量、产气量、日负载、能源效率、空气管线的泄漏量等更进一步信息，进而分析出系统上的各种问题，并寻求解决之道；为此本中心于多年前，自加拿大引进较为简易之检测技术，经多年来协助业者分析、诊断各种压缩空气系统，前后共检测过数十个工厂上百部各式空气压缩机，协助业者发掘出压缩空气系统使用上的各种问题，并提出各项对策，以
3、供其参考改善。本手册即将过去几年服务所得之经验加以整理，期望能对业界在压缩空气系统的使用上，有进一步的帮助。1二、压缩空气供给系统概论压缩空气供给系统所包括之设备有空气压缩机、干燥设备、过滤设备、输送管线等主要组件。而其中更以空气压缩机为最大能源耗用者，也因此在压缩空气系统的能源节约上，必须要求空气压缩机的高效率运转。为达此一目的，除对空气压缩机制造销售商所提供之各项描述机台特性之数值有所认识外，另对可供选用之各类型空气压缩机及其特性亦必须有基本的认识。本章节之内容即在说明这些压缩空气系统上常见之数值，另也对常见之空气压缩机类型做简要说明。2.1、压缩空气系统中各种使用单位压缩空气系统中之空气
4、为一可压缩流体，依其所处温度、压力、湿度等条件下，为方便理论分析与比较将其区分为三类，自由空气(free air)、正常状态空气(normal air)及标准状态空气(standard air)，自由空气即吾人生活于地球上之空气状态而言，随标高、气压、温度、位置、时间而会变化，因此以自由空气做为压缩空气系统之基准值描述较为不适当。而正常状态空气及标准状态空气则不会随以上各环境因素而有不同，因此较适合做为压缩空气系统之基准值描述。对此二状态之定义说明如下：1. 正常状态(代表附号N)：指温度在0，绝对压力760mm-Hg状况下之干燥空气，此时之空气密度为1.3kg/m3。2. 标准状态(代表附号
5、S)：指温度在20，绝对压力760mm-Hg，相对湿度75%之空气，此时之空气密度为1.2kg/m3。2.1.1、体积单位2压缩空气系统在体积的描述上，常用之单位有ft3及m3，对于压缩空气此二数值会随其状态而有异，因此在使用此二数值时，必须标明其状态，即其为正常状态下之体积(Nft3及Nm3)或标准状态下之体积(Sft3及Sm3)。当其在相同状态下，即可使用以下二换算式进行换算：1 ft3 = 0.0283 m31 m3 = 35.31 ft32.1.2、压力单位压缩空气系统中对于压力数值的描述，常见之使用单位有公制之kg/cm2，英制之psi (lb/in2)，另一常用者为bar，以上各单
6、位间之换算参见表2.1。表2.1、常用压力单位之换算表Barkg/cm2psiAtm10.9806650.06894761.013251.0197210.07030691.0332314.503814.2233114.69590.9869230.9678390.0680461在压力表示上另有表压力及绝对压力之分，其中代表表压力之附加符号为g或G，绝对压力之附加符号为a或A。举例来说，10kg/cm2G之压力等于11.03323 kg/cm2A，即10kg/cm2G = 1.03323 kg/cm2(=1atm) + 10 kg/cm22.1.3、温度单位温度常见之单位有及，两者间之关系如下两式
7、所示：=(32) 5 / 9= 9 / 5 + 3232.1.4、湿度单位一般湿度之表示有两种，相对湿度与绝对湿度，其中又以相对湿度最为常见，其定义如下：相对湿度实际水蒸汽量该温度下之饱和水蒸汽量 100%而绝对湿度之定义则为一单位体积之空气中，水蒸汽重量与干燥空气重量之比例，其如下所示：绝对湿度水蒸汽重量干燥空气重量 100%2.1.5、功率单位在一以马达趋动之空气压缩机，其所用能源为电能，常用之功率单位为马力(hp)及千瓦(kw)，每1hp=0.746kw。至于空气压缩机(使用三相马达)的实际电能耗用功率可以下式计算出。功率(kw) = 1.732 电流(I) 电压(V) 功率因子/100
8、0注：电流(I)之单位为安培电压(V)之单位为伏特2.2、空气压缩机类型空气压缩机依其作动原理可区分为两大类，分别为定排量式压缩机及动力式压缩机。定排量式机台之基本原理是将空气引导到一封闭空间中，再利用机件的移动，使封闭空间由大变小，直接使得其中之空气的压力上升。动力式机台则是藉由轮叶的高速运动使空气快速流动，再使其通过升压环(diffuser)，使空气的动能转变为压力。4图2.1、空气压缩机分类图2.2.1、往复活塞式空气压缩机活塞式空气压缩机的组件基本构造如图2.2所示，其包括之零组件有活塞、气缸、进气阀、排气阀、各种连杆等。机台的运作可区分为进气行程与排气行程。在进气行程时，进气阀开启，
9、排气阀关闭，阀门的启闭利用压差致动而非机械致动，此时活塞下移引入外界空气。在排气行程时，进气阀关闭，排气阀随后开启，阀门开启的时机随设计方式而有些许不同，但在开启后，受到压缩而压力提升之空气随即排出。5图2.2、单段往复式活塞空气压缩机活塞式空气压缩机的输出压力由其压缩比决定，一般单段式压缩比最高可达12:1，即排气压力为进气压力的12倍。在需要更高压力的场合时，可利用串联之方式达成，即将经第一段压缩出之气体再送入另一气缸中再行压缩，其机械结构如图2.3及图2.4所示，如此而得到更高的压力。但为提高压缩机效率起见，在进第二段压缩之前的压缩空气，需经过一中间冷却器，其所使用之中间冷却器亦区分成气
10、冷及水冷两种。图2.3、双段往复式活塞空气压缩机(一)图2.4、双段往复式活塞空气压缩机(二)62.2.2、鼓膜活塞式空气压缩机此类空气压缩机的工作原理和往复活塞式相同，但此类机台是靠鼓膜而达到密封作用，但也由于鼓膜的存在而使活塞的行程较短，因此压缩比也较小，其结构如图2.5所示。鼓膜式空气压缩机其压缩空气输出量通常小于1Nm3/min，但由于结构简单，且不与润滑油接触，故可得到不含油份之压缩空气，极适合于需小量无油之制程，较常为食品、制药等工业采用。图2.5、鼓膜活塞式空气压缩机2.2.3、滑动叶片式空气压缩机此类空气压缩机的结构如图2.6所示，在压缩机的外壳内，有一马达带动的转子，转子的中
11、心与外壳内部的中心有一偏心量，此偏心量决定机台的输出量及压力。而在转子上嵌有滑动的叶片，当转子回转时，由于离心力的作用使其与机壳内侧紧密接触，造成一密闭空间。转子回转时，空气由吸入口处之密闭空间逐渐由大变小，而产生吸入作用；而在排出口处，密闭空间由大变小，而排出压缩空气。7滑动叶片式空气压缩机的每一机台的输出量可高达1000 Nm3/min以上，输出压力亦可高达8kg/cm2G，运转时振动也小，因此不需安装于坚固的基础上；但一般而言能源效率较低，因此较少为国内厂商采用。图2.6、滑动叶片式空气压缩机2.2.4、螺旋式空气压缩机螺旋式空气压缩机之结构如图2.7所示，主要是藉由一对雌雄转子间的密封
12、间隙缩小而达压缩的效果，机台由于高速运转，且无冲程，因此噪音小，运转平稳，一般不需坚固的基础。此类空气压缩机又可分为有油及无油两种；其中无油式的干式压缩，为避免其转子直接接触，因此两转子的转动，藉由同步齿轮来达成，而其单段压缩比也无法太高，输出压力约只达数kg/cm2，为此在较高压力需求的场合中，此类机台必须藉由两组压缩机的串联，方可达成所需之输出压力。另无油式，目前已开发出水润滑方式，藉此方式不仅可简化压缩机台的机构，亦可提高单段压缩比值。8而一般常见之有油螺旋空气压缩机，由于有润滑油进行润滑及密封，因此不需安装精密同步齿轮，且单段压缩比也可高达12以上，已可满足大多数场合的需求；除此之外，
13、目前转子多采用高能源效率的不对称形，其能源效率已比往复式高出许多。因此近年来此类机型受到国内厂商的大量采用。图2.7、螺旋式空气压缩机2.2.5、鲁式鼓风机鲁式鼓风机之运作方式如图2.8所示。其机壳内有俗称花生的两转子，以相反方向进行运转；此机台由于构造简单，且转子无直接接触之磨耗，除保养容易外，设备购置成本低，能源效率亦不错。但此类机台的单段压缩比最高约只达1.7:1，因此之故较适合于低压、气量大的场合中使用。9除单段式鲁式鼓风机外，目前已有串联两组鲁式压缩转子的机台，藉由此机构设计，可使机台之输出压力高达2.0 kg/cm2G以上，大幅扩大其适用范围。图2.8、鲁式鼓风机2.2.6、径流式
14、(离心式)空气压缩机径流式亦俗称离心式，其作动原理如图2.9所示，其机体内有一高速旋转的叶轮，空气由其叶片带动，高速抛离叶片而进入升压环。升压环由于断面积的逐渐扩大，导致压缩空气流速降低，而压力得以升高。在叶轮转动时，由于其中心附近将形成真空，因此而产生吸气的功能。图2.9、径流式空气压缩机10一般径流式空气压缩机单段所能产生的压力上升较之往复式及螺旋式机种为小，因此为得到较高的压力输出，必须加以多段串联，其如图2.10所示。径流式空气压缩机，由于轮叶与轮壳无接触，无直接之机械磨耗损失，能源使用效率一般而言较之往复式为高。除此之外，常用之径流式目前只有较大马力机台，约300HP以上，排气量1200CFM以上者；另径流式由于机构上之限制，对于使用端需求变化较大时，无法利用较有效率之方式进行降载运转，这在选用此类机台时不得不加以注意。径流式空气压缩机台的另一特性为无油，即其产生出之压缩空气可适用于需无油之制程中。图2.10、四段径流式空气压缩机112.2.7、轴流式空气压缩机此类型空气压缩机，结构如图2.11所示，其作动原理与径流式相类似，同样是利用升压器将高速流动空气的动能转换成静压力。其与径流式之差异在于径流式空气流动方向是沿者轮叶流动，而轴流式则是沿者轮轴流动。无论是轴流式或径流式由于其运转速度极高，可高达10,000RPM以上，运转时有极高频的噪音产生
