空壓機選擇及節能方法

  一、概述

  在諸多被經常使用的能源中,壓縮空氣可說是僅次于電力的普及能源之一,雖然壓縮空氣的使用尚未像電力一樣的深入一般家庭中,但是工業、礦業、工程業、醫療業甚至農業都有日趨廣泛的用途,尤其在工業界的使用量極其可觀,主要是它具有以下幾種其它能源無法取代的特性:

  1.無污染或低污染性,在環保意識高漲的時代,壓縮空氣取之于大氣而回歸于大氣,不需要回收處理而完全不會制造污染(經過分離、過濾的含油壓縮空氣會有微量的油氣,即使有泄漏的情形發生也沒有污染環境的顧慮。

  2.在生產過程中,壓縮空氣可以和絕大部份的產品直接接觸來傳送動力而不會傷害產品。

  3.無自燃性,不容易造成公共意外,除了壓力容器需要按照規定設置及定期檢查之外,完全沒有引起公害、電殛的顧慮。

  4.溫度不高,不容易引起灼傷、燙傷等重大傷害。

  5.可藉助分離技術來生產氮氣、氧氣、氫氮或稀有氣體來供應特殊用途。

  6.提供非能源用途,例如人員呼吸、水處理、發酵及化學反應等特定用途。

  鑒于壓縮空氣己被各行各業所廣泛的采用,在工廠大型化及自動化的前題下,壓縮空氣的使用與日劇增,而空壓機在生產能源/壓縮空氣的同時,本身也在大量的消耗能源,以最普遍的100PSIG(7kg/cm2G)壓縮空氣系統為例,每生產100ICFM的壓縮空氣大約需要消耗20HP的能源,在目前的工業界動輒使用數千馬力甚至數萬馬力空壓機的工廠己為數眾多,如何節省如此龐大的能源消耗,確實是業者值得深思的課題。

  絕大部份的空壓機都使用馬達驅動的方式,極少數的空壓機會使用蒸汽渦輪機(SteamTurbine)或燃氣渦輪機(GasTurbine)來驅動,在蒸汽過剩或有燃氣(廢氣)可資利用的行業使用渦輪機來驅動空壓機確實有極大的節能效果。使用渦輪機驅動的案例不多,后敘中空壓機的驅動方式將專指馬達驅動而言。

  二、空壓機的種類

  1.空壓機在壓縮空氣的過程中,以空氣是否與潤滑油的混合來分類,可以區分為有油式及無油式空壓機兩種,潤滑油對任何機械設備都具有潤滑與冷卻的作用,針對有油式空壓機,潤滑油還具有氣密的作用來提升空壓機的容積效率,因此,從節能的觀點來看,有油式空壓機的能源效率絕對會高于無油式空壓機。不可否認的,壓縮空氣中的油氣會造成甚多使用上的困擾,即使經過精密過濾器的處理也無法達到完全無油的境界,雖然有油空壓機的能源效率較高,但是,精密過濾器的購置成本以及精密過濾器所導致的壓損、能源損失也相當的可觀,除非氣動設備可以接受含油的壓縮空氣或是壓縮空氣的使用量很少,絕大部份的用戶,尤其是工業界都己揚棄有油式空壓機。因此,在后敘的章節中將以無油式空壓機旳分析介紹為主。

  2.以壓縮的方式來區分空壓機可以分為定排量式空壓機(PositiveDisplacementCompressor)及動能式空壓機(DynamicCompressor)。

  (A)定排量式空壓機的共同特性是藉助空壓機將密閉于一定容積內的空氣施以機械功來「壓縮」空氣的體積,同時提升壓力,此類型的空壓機以往復式(Reciprocating)及螺旋式(RotoryScrew)最具代表性及普及性。

  (B)任何非直接「壓縮」空氣的體積以提升壓力的方式都可歸類于動能式空壓機,坊間有很多的專門書刊介紹動能式空壓機,在此不再贅述。以其普及性及節能的觀點來介紹當推離心式空壓機為主流,事實上,離心式空壓機又可分為多段同軸式(Milti-StageIn-line)及齒輪增速式(IntegralGear)兩種為主。以多段同軸式與齒輪增速式相比較,多段同軸式無論是體積或是重量都遠比齒輪增速式龐大的多,當然除了造價較高之外,其能源效率也遠比不上齒輪增速式,因此,在超大風量(市場的區隔大約在100,000CFM/170,000CMH)壓縮特殊氣體(空氣或氮氣以外的氣體)的用途上尚可見其蹤跡,市場上所常見的機種當首推齒輪增速離心式空壓機為動能式空壓機的代表。

  三、往復式空壓機的優缺點介紹

  在工業化的進展過程中,往復式空壓機是最早問市的空壓機之一,它對工業界的貢獻是不可抹剎的,即使它己失去了往日的風采,逐漸的被螺旋式、離心式空壓機取代了主導的地位,但是它仍然具有一定的生存空間,可見它仍然存在某些獨特的優越特性是其它類型的空壓機無法完全超越或取代的。

  其優點為:

  1.進氣、排氣壓力的涵蓋范圍非常廣泛,其至可以滿足4,000PSIG(280kg/cm2G)以上的需求。

  2.風量的涵蓋范圍也相當廣泛,雖然在大風量的應用上己逐漸的被其它類型的空壓機所取代而退出市場,但是在小風量(數馬力甚至更小)的使用范圍仍具有相當的優勢。

  3.在小風量、高壓的應用領域,往復式空壓機可當做增壓機(Booster)來使用。

  4.以100PISG(7kg/cm2G)為例,兩段式壓縮的往復式空壓機在能源效率上的表現即相當優越,其多變壓縮效率(PolytropicEfficiency)大約可達87%,此標準也是其它類型空壓機追求突破的標的。

  5.氣密性相當良好,因此也適合壓縮空氣或氮氣以外的特殊氣體。

  6.采用高強度(HeavyDuty)的設計時,轉速低、堅固耐用、連續使用的故障率低。

  7.每段多缸(Multi–Cylincler)雙動式(DoubleActing)的設計,可以采用多階(Multi–StepControl)的容積控制方式,對壓縮空氣消耗量極不穩定的壓縮空氣系統可以使用0-50-100%的三階控制式或0-25-50-75-100%的五階控制,對節流控制的效益相當顯著。

  一、概述

  在諸多被經經使用的能源中,壓縮空氣可說是僅次于電力的普及能源之一,雖然壓縮空氣的使用尚未像電力一樣的深入一般家庭中,但是工業、礦業、工程業、醫療業甚至農業都有日趨廣泛的用途,尤其在工業界的使用量極其可觀,主要是它具有以下幾種其它能源無法取代的特性:

  1.無污染或低污染性,在環保意識高漲的時代,壓縮空氣取之于大氣而回歸于大氣,不需要回收處理而完全不會制造污染(經過分離、過濾的含油壓縮空氣會有微量的油氣,即使有泄漏的情形發生也沒有污染環境的顧慮。

  2.在生產過程中,壓縮空氣可以和絕大部份的產品直接接觸來傳送動力而不會傷害產品。

  3.無自燃性,不容易造成公共意外,除了壓力容器需要按照規定設置及定期檢查之外,完全沒有引起公害、電殛的顧慮。

  4.溫度不高,不容易引起灼傷、燙傷等重大傷害。

  5.可藉助分離技術來生產氮氣、氧氣、氫氮或稀有氣體來供應特殊用途。

  6.提供非能源用途,例如人員呼吸、水處理、發酵及化學反應等特定用途。

  鑒于壓縮空氣己被各行各業所廣泛的采用,在工廠大型化及自動化的前題下,壓縮空氣的使用與日劇增,而空壓機在生產能源/壓縮空氣的同時,本身也在大量的消耗能源,以最普遍的100PSIG(7kg/cm2G)壓縮空氣系統為例,每生產100ICFM的壓縮空氣大約需要消耗20HP的能源,在目前的工業界動輒使用數千馬力甚至數萬馬力空壓機的工廠己為數眾多,如何節省如此龐大的能源消耗,確實是業者值得深思的課題。

  絕大部份的空壓機都使用馬達驅動的方式,極少數的空壓機會使用蒸汽渦輪機(SteamTurbine)或燃氣渦輪機(GasTurbine)來驅動,在蒸汽過剩或有燃氣(廢氣)可資利用的行業使用渦輪機來驅動空壓機確實有極大的節能效果。使用渦輪機驅動的案例不多,后敘中空壓機的驅動方式將專指馬達驅動而言。

  二、空壓機的種類

  1.空壓機在壓縮空氣的過程中,以空氣是否與潤滑油的混合來分類,可以區分為有油式及無油式空壓機兩種,潤滑油對任何機械設備都具有潤滑與冷卻的作用,針對有油式空壓機,潤滑油還具有氣密的作用來提升空壓機的容積效率,因此,從節能的觀點來看,有油式空壓機的能源效率絕對會高于無油式空壓機。不可否認的,壓縮空氣中的油氣會造成甚多使用上的困擾,即使經過精密過濾器的處理也無法達到完全無油的境界,雖然有油空壓機的能源效率較高,但是,精密過濾器的購置成本以及精密過濾器所導致的壓損、能源損失也相當的可觀,除非氣動設備可以接受含油的壓縮空氣或是壓縮空氣的使用量很少,絕大部份的用戶,尤其是工業界都己揚棄有油式空壓機。因此,在后敘的章節中將以無油式空壓機旳分析介紹為主。

  2.以壓縮的方式來區分空壓機可以分為定排量式空壓機(PositiveDisplacementCompressor)及動能式空壓機(DynamicCompressor)。各類型空壓機的優缺點會在后文中分別介紹。

  (A)定排量式空壓機的共同特性是藉助空壓機將密閉于一定容積內的空氣施以機械功來「壓縮」空氣的體積,同時提升壓力,此類型的空壓機以往復式(Reciprocating)及螺旋式(RotoryScrew)最具代表性及普及性。

  (B)任何非直接「壓縮」空氣的體積以提升壓力的方式都可歸類于動能式空壓機,坊間有很多的專門書刊介紹動能式空壓機,在此不再贅述。以其普及性及節能的觀點來介紹當推離心式空壓機為主流,事實上,離心式空壓機又可分為多段同軸式(Milti-StageIn-line)及齒輪增速式(IntegralGear)兩種為主。以多段同軸式與齒輪增速式相比較,多段同軸式無論是體積或是重量都遠比齒輪增速式龐大的多,當然除了造價較高之外,其能源效率也遠比不上齒輪增速式,因此,在超大風量(市場的區隔大約在100,000CFM/170,000CMH)壓縮特殊氣體(空氣或氮氣以外的氣體)的用途上尚可見其蹤跡,市場上所常見的機種當首推齒輪增速離心式空壓機為動能式空壓機的代表,后文中也將以此類型空壓機為主要的介紹對象。

  三、往復式空壓機的優缺點介紹

  在工業化的進展過程中,往復式空壓機是最早問市的空壓機之一,它對工業界的貢獻是不可抹剎的,即使它己失去了往日的風采,逐漸的被螺旋式、離心式空壓機取代了主導的地位,但是它仍然具有一定的生存空間,可見它仍然存在某些獨特的優越特性是其它類型的空壓機無法完全超越或取代的。

  其優點為:

  1.進氣、排氣壓力的涵蓋范圍非常廣泛,其至可以滿足4,000PSIG(280kg/cm2G)以上的需求。

  2.風量的涵蓋范圍也相當廣泛,雖然在大風量的應用上己逐漸的被其它類型的空壓機所取代而退出市場,但是在小風量(數馬力甚至更小)的使用范圍仍具有相當的優勢。

  3.在小風量、高壓的應用領域,往復式空壓機可當做增壓機(Booster)來使用。

  4.以100PISG(7kg/cm2G)為例,兩段式壓縮的往復式空壓機在能源效率上的表現即相當優越,其多變壓縮效率(PolytropicEfficiency)大約可達87%,此標準也是其它類型空壓機追求突破的標的。

  5.氣密性相當良好,因此也適合壓縮空氣或氮氣以外的特殊氣體。

  6.采用高強度(HeavyDuty)的設計時,轉速低、堅固耐用、連續使用的故障率低。

  7.每段多缸(Multi–Cylincler)雙動式(DoubleActing)的設計,可以采用多階(Multi–StepControl)的容積控制方式,對壓縮空氣消耗量極不穩定的壓縮空氣系統可以使用0-50-100%的三階控制式或0-25-50-75-100%的五階控制,對節流控制的效益相當顯著。

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