喷油螺杆空压机风冷却系统能效比重研究

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设计研究- - 压缩空气容积流量，m3/minC - 空气比定压热容，kJ/kg·Kp--空气密度，kg/m3NR--风冷却空压机输入比功率，kW/(m3/min) - 水冷却空压机输入比功率，kW/(m3/min)、NR。--压缩空气带走的输入比功率分量 ，kW/·(m3/min)NR广--冷却风带走的输入比功率分量， ，kW，l(mS/rain)M 广- 风冷却系统增加的输入比功率，kW/(m3/min)风冷却系统能效比重，%△ 冷却风 (进出冷却器的)温差，KQ - 冷却风质量流量，(ks/)/(m3/min)， Q --冷却风容积流量，(ma/s)/(m3]min)p广- 风机全压 ，Pa%--风机效率，% -叼 - 风机电机效率，% 风机效率偏离系数，%.I7r- 风机机组计算效率，%下脚标旷- 大气标准状态6--压缩空气排气状态2.2 空压机能量、物质流程图螺杆空压机物质能量和能效 (输入比功率)系统流程图如图1所示。

由于能效 (输人比功率)的物理意义可以理解为 单位流量所消耗的功”，输入比功率单位kW/(m3/min)通过变换而成lJ/m3或 kJ/kg，因此，在图 1的系统流程图中，用单位流量来表述压缩机的工作过程。在后面的论述中，除非特别说明，各能量 (能耗)参数均表示单位流量时的能耗(比功率)。

2.3 流程概述及风冷却系统能效比重定义对标准状态的单位流量 (m3/min)的空气，水冷却空压机将其压缩到规定的排气状态所消耗的输入功率，即为NR。，这就是习惯上所讲的水冷却空压机输入比功率。NR。中没有计入冷却系统的消耗功 (尽管水冷却系统，包括冷却水泵、冷却塔-2013年o4期(总第240期)风机也要耗功)。

空压机进 口状态(标准大气状态)p1yjH空压机主机压缩系统 l(环温l5℃) !空压机排气状态v单位压缩空气能量流 I NRl1.II I隅 懈 曩 。

： 之冷却风物质流/状态：I∞u 醯； l5I i .-。.....-...... 《 .....： /-Jm/，-pd ：I 且 系 玩 I -d图1 空压机物质能量和能效 《比功率)系统图根据图 l和 GB19153《容积式空压机能效限定值及能效等级》、JB，I6430《-般用喷油螺杆空气压缩机》、GB/T26967《-般用喷油单螺杆空气压缩机》的定义，风冷却螺杆空压机的输入比功率是在水冷却输入比功率 (ⅣR0)基础上，加上风冷却系统增加的输人比功率( )嘲，即有NRNRoNRF (1)将式 (1)进行变换后为NRNR0(1NRF/NRo)令JBJ7 0 (3)JB就是风冷却系统能效比重。 有效地将水冷却和风冷却输入比功率联系在-起，其值的大猩以用于评价风冷却系统设计制造的质量水平。

螺杆空压机压缩过程所产生的热量被润滑油(或称冷却液)带入油冷却器，热态压缩空气则进入后冷却器。由油冷却器、 后冷却器、风机机组等组成的螺杆空压机风冷却系统则必须将润滑油、热态压缩空气冷却到规定的状态，为此所消耗的风机电机的输入功 (换算到单位流量)即为NR(风冷却系统增加的输入比功率)。NR 的能量是由风机电机提供的。

压缩空气经过冷却后，其仍然会带走-部分能量， 该部分能量定义为压缩空气带走的输入比功率分量NR 。不考虑空压机的辐射散热，需要由冷却器(油冷却器和后冷却器)带走的热量总量，设计研究Dlig 6H h定义为冷却风带走的输入比功率分量NR：，即有 71rrlm. · (13)NR2： 。-NR1 (4) 3.3.1 风机机组计算效率 的计算3 风冷却系统能效比重 的计算公式推导3.1 冷却风带走的输入比功率分量朋 别。算为了说明方便，给水冷却输入比功率NR。的赋值符号记为A [kW/(m3/min)]。对NR▲行单位变换后为 . NRo60·A(kJ，m3) (5)进气标准状态(20℃)空气比焓 [6]取值 295.41(kJ/kg)，进行单位变换后为H.350.95(kJ/m ) (6)压缩空气排气状态温度与进气状态温度的温度差取15℃，则排气温度为308.15K，比焓取值3 10.47(kJ/kg)，进行单位变换后为Hb368.84 (kJ/m ) (7)由式 (6)和式 (7)得到NR1 h-风 (1J/m。) (8)给 出水 冷却 输 入 比功率 NR。的赋 值 A[kW/(m3/min)]，将式 (5)、 (6)、 (7)、 (8)代人式 (4)就可以计算出NR：，其计算结果列在表4中(本文的第4.2节)，注意其单位用(1J/m。)。

3.2 冷却风流量QmilQ 的计算对于冷却风，由热平衡方程有NR2Cp·AT·Q ，则Q NRd(Cp·AT)(kg]m3) (9)对式 (9)进行单位变换，冷却风用质量流量单位 (ks/s)，有QNRd(Cp·△ ·60)[(kg/s)/(m3/min)] (10)将式 (10)进行单位变换，冷却风用标准状态容积流量单位 [m3/s]，有Q NR2/(Cp·△ ·60·P。)[(m3/s)/(m3/min)](1 1)冷却风的比定压热容CD取值 1.005 kJ/kg·K，标准状态密度P 为 1.188 kg/m3。冷却风温差△ 在3.3.2节中与确定风机全压时-起给出。按式 (1 1)可以计算出Q [(m3/s)/(m3/min)]，其计算结果列在表4中。

3.3 风冷却系统增加的输入比功率NRF的确定风 冷 却 系 统 增 加 的输 入 比 功 率 NR[kW/(m3/min)]由下式表示NRrQ，'pd(1000·nF) [kW/(m3/min)] (12)(a)风机电机效率：目前螺杆空压机常用风机电机是 4级，功率范围是 O.25～5.5 kW。参照GB18613-2012《中小型三相异步电动机能效限定值及能效等 和GB25958-2010《/J、功率电动机能效限定值及能效等级》两个电机能效标准，取 3级能效值，其值列入表 1中。

(b)风机效率：目前用于螺杆空压机风机机组的风机号在 No2.5-NolO.0(即风叶直径 250～1000 ram)之间，毂比 小于0.3。参照 GB19761-2009《通风机能效限定值及能效等级》标准，取 3级能效值，其值列入表 1中。

(c)风机效率偏离系数：在实际使用中，螺杆空压机冷却系统为了与冷却器相匹配总是希望风机有较高的静压，由此风机的运行工况点经常不在其效率最高点。引入风机效率偏离系数进行修正，其取值列入表 1中。

按表 1中的数据确定风机电机效率、风机效率、风机效率偏离系数后，计算出 (‰· · )，然后在每-个风机号范围内求 (‰· · )的算术平均数，该平均数作为该风机号下的 ，其值见表 1。

3.3.2 风机全压 的取值在风机冷却系统中，风机的全压等于风机的静压和动压之和。静压用于克服冷却系统的阻力，动压用于保证有恰当的流量。

小型号风机所能达到的静压升小 。当流量-定时，要求冷却系统 (主要是冷却器)的阻力小；冷却器阻力小，则要求冷却器的厚度减本研；冷却器的厚度薄，冷却空气与热油或热态压缩空气换热的时间短 ，温升就校大型号风机所能达到的静压升较大。当流量- 定时，冷却系统 (主要是冷却器)可以有较大的阻力 (冷却器有较大的厚度)，冷却空气与热油(或热态压缩空气)换热的时间较长，温升就大。

根据目前风机和冷却器的匹配情况 f9-l01，将风机全压与冷却风温差△万 入表2中。

从表 2可以看到，目前各种型号螺杆空压机风冷却系统冷却风的温度差并不是-个固定值，而是在-个范围内，其值是由冷却器和冷却风机匹配后共同决定的。但是小型号螺杆机配小型号2013年o4期(总第240期)设计研究表1 通风机机组效率综合表风机号 2.5≤脉 5.0 5.022电机功率(kw) 0.25 0I37 O.55 O.75 1.1 1.5 2.2 3 4 5.5电机效率 'r/ (ok) 67.0 69.5 73.5 79.6 81.4 82.8 84.3 85.5 86.6 87.7通风机效率 (ok) 60 60 60 63 63 63 63 63 63 63风机效率修正系数 (%) 80.0 80.0 80.O 85.0 85.O 85.0 85.O 85.0 85.0 85.O‰· · (%) 32.2 33.4 35.3 42.6 43.6 44.3 45.1 45.8 46.4 47.0风机机组计算效率聊(%) 33.60 44.97表2 风冷却系统风机全压与冷却风温差参照表风机号 2.5≤Ⅳ 5.0 5.0

4 风冷却系统能效比重 的计算示例4.1 公式(5)中A的赋值取 GB19153-2009《容积式空压机能效限定值及能效等幺圾》中喷油螺杆空压机的能效参数：排气压力8.0 bar(g)、2级能效的数值，其值列入表3。在表 3中，按功率段求输入比功率的平均值，·并将此平均值作为公式 (5)中A的赋值。

4.2 风冷却系统能效比重 计算表根据前述所列公式和取值，逐项计算，结果列入表 4中。表 4的最终计算结果得出了风冷却系统能效比 椭 的平均数。

. 从表4可以看出： ， ，(a)风机从小到大、风机全压从低到高、冷却风温差从小到大，计算得出各项能效比重 基本接近，平均值为 2.55%。

(b)风冷却系统能效比重平均值小于 3.0%，这与实际相-致。例如实际应用中，22 kW风冷螺杆空压机的风机功率在 0.55～0.75 kW之间，部分设计良好的冷却系统配0.55 kW风机机组。·(c)风冷却系统能效比重 对设计螺杆空压机有重要的指导意义，对制定能效标准有实际的参考意义 Ⅱo-2013年o4期(总第240期)表 3 公式 (5)A的赋值表风机号 螺杆机 输入比功率 输入比功率功率段 平均值 A赋值范围 (kW) [kW/(ma/mln)7.5～l1 8.22.5 No<5.0 15～18.5 7.7 7.77 7.7722 7.430-45 7.455-90 6.95.0

参考文巅：1] 郁永章.压缩机工程手册[M.北京，中国石化出版社，2012。

2 肖银娥.喷油螺杆空气压缩机油气分离滤芯节能运行的条件分析[J.压缩机技术，2010，(3)：26-29。

3 谭强.喷油螺杆空气压缩机空气滤清器节能使用的条件分析[J].通用机械，2011，(9)：38-41。

4 肖银娥.机车用螺杆空气压缩机空气滤清器性能及节能使用条件分析[J.机车电传动，2010，(10)：25-2748。

[5 谭强.水冷和风冷型喷油螺杆空压机能效规定值的比较设计研究Dd l&R晰 ”clI表4 风冷却系统能效比重口计算详表项目 单位 计算值标志空气压力P. bar 1.0 lO lO 1.0 1.O 1.O 1.O标态空气温度 K 293.15 293.15 293.15 293.15 293.15 293.15 293.15标态空气湿度 RH。 % O.O O.O O.O 0.0 O.O O.O O.O标态空气密度p- kgm 1.188 1.188 1.188 1.188 1.188 1.188 1.188螺杆空压机功率段 ≤22 kW >22 kW冷却系统轴流风机机号 2.5≤ 5.0 5.0No<10.0kW/(m3/min) 7.77 7.77 7.77 6.7O 6.7O 6.7O 6.70水冷却输入比功率 kJ/m3 466.20 466.20 466.20 4o2.oo 4O2.oo 402.0o 402.0oNR0Ll/kg 392.42 392.42 392.42 338.38 338-38 338-38 338-38压缩空气排气温度 ℃ 35 35 35 35 35 35 35K 308.15 308.15 308.15 308.15 308.15 308.15 308.15标态空气比焓值 kJ/kg 295.41 295.41 295.41 295.41 295.41 295.41 295.41札 kJ/m3 35O.95 350.95 350.95 350.95 350.95 350.95 350.95压缩空气排气比焓值 Ll，'kg 310.47 310.47 31O.47 3lO.47 31O.47 310.47 31O.47Hh kJ/m3 368.84 368.84 368.84 368.84 368.84 368.84 368.84kJ&g 15.O6 l5.O6 l5.O6 15.O6 l5.O6 15.O6 15.O6压缩空气 比焓差 kJ/m 17.89 l7.89 17.89 17.89 17.89 17.89 17.89 △日kW/(m3/min) 0.298 0.298 0.298 0.298 0.298 0.298 0.298压缩空气带走的 kJ/m3 17.89 l7.89 17.89 17.89 17.89 17.89 17.89输入比功率分量 。 kW (mVmin) O.298 0.298 0.298 O.298 0.298 0.298 0.298冷却风带走的输人 kJ/m3 448.31 448.31 448.31 384.11 384.11 384.1l 384.11比功率分量NR kW/(m3/min) 7.472 7.472 7.472 6.4O2 6.402 6.402 6.402冷却风比定压热容 kJ/kgK 1.oo5 1.005 1.0o5 1.0o5 l1005 1.0o5 1.005冷却风温差AT K 7.5 10 12.5 15 17.5 20 22.5kJ/m3 59.48 44.61 35.69 25.48 21.84 19.11 16.99冷却风流量 (kg，s) mVmin) 0.991 0.743 0.595 0.425 0.364 O.318 0.283 Q Q(m%)/(mVmin) O.834 0.626 0.501 0.357 O.3o6 0.268 0.283风机计算效率 % 33.60 33.6O 33.6O 44.97 44.97 44.97 44.97风机全压Pr Pa 75 10o 140 20o 25O 30o 35O 风冷却系统增加的 (m/min) l86 186 209 159 170 179 185输入比功率 NR kW/(m3/min) O.186 O.186 O.209 0.159 O.7O 0.179 0.185风冷却系统能效比重卢 % 2.40 2.40 2.68 2-37 2.54 2.67 2.77风冷却系统能效 % 2.55 比重平均值口分析J.矿山机械，201l，(o4)：119-122。

f61 沈维道.工程热力学M.北京，高等教育出版社，2001。

7 张家港富利华通用设备有限公司M.风机样本，.2O12ft。

8 钱颂文.换热器设计手册[MI.北京，化学工业出版社，2002。

1o1颜立永.喷油双螺杆空压机装置中板翅换熟器与轴流36 l风扇匹配的试验研究[J.压缩机技术，2003，(2)：1-3。

[11 谭强.喷油螺杆空压机行业标准JB/T6430 率规定值·取值合理性研究J.压缩机技术，2011，(1)：44-48。

作者筒介：谭强 ，高级工程师 ，毕业于华中理工大学(现华中科技大学)压缩机专业，现为红五环集团股份有限公司副总经理，-直从事压缩机的设计 、开发和技术管理工作。