目前企業(yè)將兩級噴油壓縮機，作為提升壓縮機性能的主要應(yīng)用手段。本文通過計算兩級噴油雙螺桿空壓機的理論熱力性能，如內(nèi)容積比、容積流量、絕熱效率等等，并與單級壓縮機對比其計算結(jié)果，對兩級壓縮如何節(jié)能進(jìn)行分析。
1 引言
2009年12月1日起實施GB 19153-2009《容積式空氣壓縮機能效限定值及能效等級》，其對空壓機的能效等級、試驗方法及檢測規(guī)則進(jìn)行了具體的規(guī)定，對近幾年空壓機產(chǎn)品的發(fā)展有指向作用。目前90 kW以上機組往往無法通過單級壓縮達(dá)到的1級能效。有些企業(yè)采用兩級壓縮來提高噴油螺桿空氣壓縮機的能效，達(dá)一級能效。
本文通過計算兩級噴油螺桿空氣壓縮機的理論熱力性能，分析其比單級壓縮能效高的原因，同時對兩級壓縮的設(shè)計提供可行性的建議，旨在為兩級螺桿空氣壓縮機提供合理的設(shè)計指導(dǎo)。
2 絕熱效率計算
按壓縮機理論，壓縮機的等熵絕熱功率Pad可按下式計算：
(1)
式中：Pad ——壓縮機的等熵絕熱功率；
Ps ——壓縮機的吸氣壓力；
Pd ——壓縮機的排氣壓力；
k  ——被壓縮氣體等熵絕熱指數(shù)，k=1.4；
qv ——壓縮機的實際容積流量。
而實際壓縮功率等于絕熱功率除以絕熱效率。計算公式如下：
(2)
如表1，以GB 19153-2009中水冷機組1級能效比功率，推算出了要達(dá)1級能效機組所需要的主機機體所需的絕熱效率。從表中看出，各壓力下，輸入功率越大的1級能效機組，對絕熱效率要求越高。在目前國內(nèi)螺桿空壓機設(shè)計與制造水平下，單級90 kW以上機組很難達(dá)到。故采用兩級壓縮方式提高絕熱效率。
3 兩級壓縮的效率分析
兩級壓縮能提高壓縮機的能效，主要基于以下兩個原因：一是降低了每級的壓比，從而減少每級的內(nèi)外泄漏，提高了每一級的容積效率和絕熱效率；二是級排出的油氣混合物，在進(jìn)入第二級吸氣前，油與氣體可充分混后，起到級間冷卻的作用，這使得第二級壓縮過程趨近等溫壓縮過程，提高壓縮機的能效。
3.1兩級的壓力配比
從以往熱力學(xué)理論來講，采用等壓比方式設(shè)計多級壓縮機。這種分配方法在理論上能達(dá)到低耗功，提高效率。然而由于機組元器件、管路損失等原因，機體必然存在吸氣和排氣壓力損失，導(dǎo)致機體實際工況的壓比與理論設(shè)計存在偏差。
且實際工況下，因二級會吹孔回漏原因，中間壓力會往上產(chǎn)生偏移，并且二級進(jìn)氣溫度，也很大程度上影響中間壓力的設(shè)計。
根據(jù)根據(jù)理想氣體方程式：
(3)
由公式（1）得出兩級壓縮理論絕熱總功率計算公式如下：
(4)
式中：
d——中間壓力
本文以漢鐘雙電機驅(qū)動兩級壓縮機體做測試實驗研究，機體模型如圖1。通過測試數(shù)據(jù)、公式(3)和(4)計算每一級的絕熱效率。將總體絕熱效率、一級和二級壓縮的絕熱效率做成圖2。
圖1 漢鐘雙永磁電機驅(qū)動的兩級壓縮機體組裝圖
本文以8bar，90kW雙電機驅(qū)動兩級壓縮機體做測試實驗研究，機體模型如圖1。測試數(shù)據(jù)如表2，通過計算，將總體絕熱效率、一級和二級壓縮的絕熱效率做成圖2。
表2 兩級壓縮機體的絕熱效率
如圖2結(jié)果顯示，在不同中間壓力下，兩級壓縮機體的絕熱效率都有提升，滿足1級能效機組要求；優(yōu)中間壓力產(chǎn)生偏移，中間絕對壓力在3.3bar，即級壓比與第二級壓比的比值為1.21時，性能優(yōu)。在理論中間壓力與實際優(yōu)中間壓力之間，性能誤差為1%以內(nèi)，分析其原因：二級會吹孔泄漏引起中間壓力往上偏移，后調(diào)整內(nèi)壓比分配比值調(diào)整為1.1驗證測試，性能有提升1%。
圖2  各級絕熱效率圖
測試兩級壓縮機機體的不同排氣壓力，記錄在其佳性能點時的中間壓力，并取吸氣壓力損失1%和排氣壓力損失3%，計算其理論佳中間壓力，得表3。絕壓0.9MPa以下的兩級外壓比分配比例近似等于1.2，但隨著排氣壓力升高，二級內(nèi)泄漏越大，導(dǎo)致外壓比分配值升高，而內(nèi)壓比分值要略小于外壓比分配值，才能機體性能達(dá)優(yōu)化。
表3 不同排氣下的壓比分配
3.2 級間冷卻
在理論上，等溫壓縮為壓縮所耗的功是少的。所以兩級壓縮為降低二級吸氣溫度，采用中間冷卻方式，使二段趨近等溫壓縮?，F(xiàn)壓縮機體廠家多采用級間噴油強制冷卻方式。此方案相對于中間冷卻器，成本更低，機組結(jié)構(gòu)更緊湊。級間噴油冷卻效果取決于油的換熱效果。其常用手段有二種：一是增大換熱溫差，即降低噴油溫度；二是增大換熱速度，即增大油滴的表面積，其決定了熱交換的速度。
標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，自然油滴的容積為30mm3左右，直徑約為3.87mm，霧化較好的油滴平均直徑為100～152μm。表面積增大了25.44倍。噴油霧化程度差時，油滴外表面參與了熱交換，油滴內(nèi)心來不及熱交換，形成冷心，無助于降低二級吸氣溫度，在第二級壓縮開始時，也無助于提升二級效率。
影響油滴的大小的因數(shù)：一是油的粘度，油滴的直徑與粘度的0.215次方成正比；二是噴油孔的大小，油滴的大小與其孔徑的0.4～0.65次方成正比；三是噴油壓力，油滴大小與壓力的0.35～0.5次方成反比；四是噴嘴的結(jié)構(gòu)，好的霧化噴嘴可以得到直徑約為15～60μm的油滴。
4.結(jié)論
本文通過計算噴油螺桿空氣壓縮機的理論熱力性能，對比分析得出以下結(jié)論：
（1）兩級壓縮在容積效率和絕熱效率上優(yōu)于單級壓縮。如果90 kW以上機組做一級能效，雙級壓縮更容易實現(xiàn)。
（2）兩級壓縮的壓比分配，應(yīng)考慮二級泄漏三角形對中壓的影響，外壓比分配值1.2左右，內(nèi)壓比分配值應(yīng)在1.1左右。
（3）級間冷卻效果有助于提升二級效率，級間噴油冷卻效果主要取決于油的霧化效果。
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