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深度分析二级压缩螺杆空压机的原理和利弊分析

  所谓二级压缩螺杆空压机,是相对于单级螺杆空压机而言的,目前市面上的螺杆空压机大部分都是单级的,所以简称螺杆空压机,二级螺杆机的含义是,一级压缩后的空气不直接提供给气源设备,而是再经过一级压缩,从而提高压缩气体压力,举例来说,理论上讲1台单级22千瓦的螺杆空压机,可以用1台11双机头的二级压缩螺杆空压机来代替,而且二级压缩机的效率更高,更节能。为何这样呢,请接着往下看原理。  

 

  根据工程热力学理论,空压机在压缩过程中定温压缩最省功,这也可从图一的 P-V(也叫示功图)得出。面积0-1-2T-3-0为定温压缩所需要的功,面积0-1-2m-3-0为多变压缩(实际压缩过程)所需要的功。从图中可以看出,定温压缩所需的功要小于多变压缩的功。因而从消耗功的角度来看,定温压缩最为有利。它不但可以减少消耗的功,还能降低压缩后气体的温度,使空压机材料的使用更为宽广和经济,使空压机的运行更为可靠。

但对于定温压缩,要使气体热量随时与外界交换,气体温度与外界相等实际工作中是不可能实现的。这只是制造厂家在产品设计生产中努力的方向。为降低压缩后的气体温度和提高空压机效率、尽可能向定温压缩过程靠近(或降低多变指数m值),制造厂家在空压机设计过程中采取了多种措施。其中分级压缩加中间冷却和向压缩腔内喷油冷却是最常用的两种方法。


1、分级压缩加中间冷却


分级压缩加中间冷却是广泛应用于空压机中降低排气温度的有效方法。而且分级压缩后必须经过中间冷却,使进入到第二级的压缩空气进气温度等于或接近于第一级的进气温度,这样才能降低排气温度和功耗。见图二,由于二级进气温度被冷却到一级进气温度,图中阴影部分的面积即为所节省的功耗(图中2m'-2T'-2m“-2m-2m‘)。分的级数和中间冷却过程越多,就越接近定温过程。但分级过多将增加气体的流动阻力,而且制造成本也大大增加。因此分级必须合理。


2、向压缩腔内喷油冷却


将循环冷却的少量冷却油喷成雾状与气体一起进入压缩腔内,喷入的油雾吸收了压缩空气在压缩过程中产生的大量热量,然后与空气一起排出空压机壳体,经油气分离器分离后循环使用。喷油螺杆空压机就是该方法最典型的应用实例。它可非常有效地降低排气温度和多变指数m值。这也是目前降低空压机排气温度和多变指数m最有效的一种方法,一般情况下它可使m降低到1.2以下。降低的程度取决于喷油量和喷油温度。图三中虚线右侧为节省的功耗(即图中面积1-2m-2m'-1)。

通过上面分析得出,分级压缩加中间冷却和喷油冷却均可降低排气温度,节省功耗。而目前动力用喷油螺杆空压机的多变指数m 值最低已经可降低到1.1左右,接近定温过程,单级压比最高可达13bar,而且排气温度仍可控制在90度以下。那么有否必要再进行分级压缩呢?


下面再分析一下喷油螺杆空压机的工作特点:


从上节所知,喷油螺杆空压机的空压机已经非常接近定温过程。如到达饱和状态后继续压缩继续冷却的话,将有冷凝水析出。这些冷凝水如果与压缩空气一起进入油气分离器(油箱)内,会使冷却油乳化,影响润滑效果。随着冷凝水的不断增加,油位也会不断上升,最后冷却油将会随同压缩空气进入系统,污染压缩空气,对系统造成严重后果。因此,为了防止冷凝水的产生,压缩腔内的温度不能过低,必须大于冷凝温度(一定压力下的冷凝温度可从有关空气特性图表中查得)。如排气压力为11bar(A)的空压机,冷凝温度为68℃,当压缩腔内温度低于68℃时,将有冷凝水析出。因此喷油螺杆空压机的排气温度不能过低,即定温压缩的应用在喷油螺杆机中由于冷凝水的问题受到了限制。表2是排气压力为10bar(g)的空压机根据过程方程式计算得到的有关数据表。


表2中m表示多变指数,P表示压力,T表示温度,in表示进气,out表示排气,1表示一级,2表示二级。A表示绝对压力。


3、数据分析


表1为单级压缩,多变指数只有1.08,非常接近定温过程,排气温度为77℃,高于冷凝温度68℃。符合要求。


表2为二级压缩,下面分三类工况讨论:


第一类工况多变指数m与单级压缩指数相同。采用中间冷却后,排气温度为47.2℃。但由于远低于冷凝温度值,压缩过程中将有大量冷凝水析出,此方案不可取。


第二类工况,为了确保排气温度高于冷凝温度,提高了二级进气温度,最后排气温度为69℃,符合要求。由于二级进气温度接近一级排气温度,其热力过程曲线与单级压缩非常接近,比单级压缩所节省的功耗微乎其微。


第三类工况,减少了喷油量,适当提高多变指数,使最终排气温度高于冷凝温度,满足要求。但一级压缩过程的过程曲线位于单级压缩曲线的右边,二级压缩的曲线由于采用了中冷,其曲线位置位于单级压缩曲线的左边,最后两者合并后与单级压缩的功耗差不多。


通过图表数据的分析,不难看出,分级压缩可以降低空压机的排气温度,同时也可使空压机的热力过程尽可能地向定温压缩靠近,以达到节能效果,但并不是绝对的。尤其对于排气压力13bar以下的喷油螺杆空压机而言,由于其在压缩过程中喷入了低温的冷却油,极大地降低了多变指数(m值只有1.1),压缩过程已经接近了定温过程,没必要再进行二级压缩。如在此喷油冷却的基础上再进行分级压缩,使结构复杂,制造成本提高,还增加了气体的流动阻力和额外的功耗,有点得不偿失。此外,如温度过低,在压缩过程中形成冷凝水的话将导致系统状态恶化,造成严重后果。相信大家看到这里,应该比较清楚到底谁好谁坏了!


以上数据都说明,理论上讲二级压缩螺杆空压机的优点还是很多的,尤其是节能是无可比拟的。那么二级压缩螺杆空压机有没有缺点呢?


  将一级压缩转子和二级压缩转子组合在一个机壳里面,并分别通过斜齿轮直接传动。自然空气通过空气过滤器进入第一级压缩,在压缩腔内与少量润滑油混合,同时将混合气体压缩到级间压力。这样的结构,有的二级螺杆机厂家使用过,由于中间传动环节增加了,如果齿轮出现故障,就会影响整机运行,长期运转,磨损也是失效形式之一。


  二级压缩永磁变频空压机,使用永磁同步电机,不需要励磁电流,电机效率高,没有无功损耗。两级压缩的转速更高,通过变频调速后,供气压力范围广,稳定高;最明显的优势就是节能、产气大,可以根据用气的变化实时调节进气量,保证空压机以最高效率运行。

  目前采取最多的结构形式是,二级由一个二级压缩机主机加两台电机,这样结构比较紧凑合理,但是由于二级螺杆机由2台电机组成,有的时候永磁电机,那么整体运行势必受制于2台电机要同时正常工作才可,系统出故障的概率比但单级螺杆机要高。