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為何諸多廠家蜂擁推出“二段壓縮”噴油螺桿產品?

文章出處:人氣:4發表時間:2019-11-21 18:12:46

上回我們說到,壓縮技術爭議:二級壓縮與二段壓縮有何不同(戳這里),目前國內市場上現有的“二級壓縮”噴油螺桿并非真正意義上的“二級壓縮”,實為“二段壓縮”;同時,噴油螺桿二段壓縮還存在機械損失更大、可靠性更低的問題。那么,為何又有諸多廠家蜂擁推出“二段壓縮”噴油螺桿產品呢?
這些廠家在市場上推廣時,往往都會提及“二級壓縮”更接近于等溫壓縮和泄漏少容積效率高這兩點。事實真的如此嗎?“二級壓縮”噴油螺桿一定比“單級壓縮”噴油螺桿更節能嗎?答案是否定的。
今天我們就來為大家縷析單級和二級噴油螺桿壓縮機的壓縮過程與差別。
首先,我們來說說熱力學與壓縮功的那些事。提到壓縮機,有一門學科與其緊密相關,那就是熱力學。熱力學理論比螺桿壓縮機的出現早了100多年,熱力學的歷史可以追溯到1650年,格里克通過半球實驗證明了真空的存在。在1824年,尼古拉?卡諾總結前人的工作,發表了著作《論火的動力》,論述了卡諾熱機和卡諾循環的關系。這部著作標志著熱力學成為現代科學,卡諾也因此被稱作熱力學之父。
而螺桿壓縮機直到1934年才出現,由瑞典皇家理工學院Lysholm教授率先研制。但由于當時的制造水平有限,無法實現真正規模應用。而后又經過30年的發展,隨著加工技術的進步,以及螺桿壓縮機引入噴油技術,一步解決了冷卻、密封和潤滑三大問題,才得以廣泛應用。
那熱力學和壓縮機的關系是什么呢?熱力學中有三個跟壓縮機息息相關的過程:等溫壓縮、絕熱壓縮和多變壓縮。
簡單地說,等溫壓縮就是在壓縮過程中工質的溫度保持恒定不變。絕熱壓縮就是在壓縮過程中工質不與外界發生熱交換。多變壓縮就是介于等溫壓縮和絕熱壓縮之間,更反映現實情況的壓縮過程。
這三個過程中,壓縮功的計算公式。
等溫壓縮計算公式如下:
絕熱壓縮計算公式如下:
絕熱壓縮溫度
噴油螺桿壓縮機具有獨特的噴油冷卻設計,將潤滑油噴入壓縮腔進行直接冷卻,則為典型的多變壓縮,且其工況也非常接近于等溫壓縮。我們可以通過熱力學的計算來詳細了解一下。
我們以FAD=22m3/min,排氣壓力7bar(g) 作為計算條件,進氣工況按JB/T6340規定的標準工況,吸氣壓力0.1MPa(a) ,吸氣溫度20℃,相對濕度:0%,對五種不同壓縮過程的排氣溫度和壓縮功率進行計算。
其中,單級壓縮壓比為8,二級壓縮的每一級的壓比則為2.83。
對于單級多變壓縮,定義排氣溫度為85℃,多變指數m=1.1065。
對于二級多變壓縮,采用同樣多變指數,可計算得到第一級排氣溫度為51℃,定義第二級進氣溫度冷卻8℃,二級進氣為43℃,最終排氣溫度為80℃。
對于二級絕熱壓縮,可計算得到第一級排氣溫度為121℃,定義第二級進氣溫度跟多變壓縮相同,二級進氣也為43℃。
計算結果如下圖1
從圖1中可以看出,相比絕熱單級壓縮,經過充分的級間冷卻,將二級進氣溫度由121降為43℃,絕熱雙級壓縮相比于絕熱單級壓縮,功率由102.1 kW降為90.5 kW,可節省11.5%。所以這也是為什么二級壓縮噴油螺桿壓縮機廠家利用等溫壓縮概念大肆宣傳的原因與出處。但是請注意,這個概念僅對于在壓縮腔中沒有噴入冷卻介質的干式螺桿適用,對于噴油螺桿則不過是夸大其詞的營銷語言。
原因從圖1即可看出,單級和二級噴油螺桿多變壓縮的功率則相差極小,即使通過二級壓縮的級間冷卻將第二級進氣溫度降低了8℃,功率僅僅由82.8 kW降為81.9 kW,僅僅節省1.1%。
對于以上計算過程的描述,我們也可以通過P/V圖來表示,如圖2。其中五條曲線代表五種不同的壓縮過程。圖中灰色曲線和綠色曲線圍成的面積代表絕熱二級壓縮相比絕熱單級壓縮能節省的功,而黃色曲線和藍色曲線圍成的面積代表多變二級壓縮相比多變單級壓縮能節省的功,則非常少。
而眾所周知,二級壓縮的噴油螺桿需要一對額外的轉子,必然帶來額外的機械損失,同時需要額外的噴油,也會帶來一定的能量損失。
綜上所述,
二級壓縮的噴油螺桿,通過級間額外的噴油降溫,將第二級的進氣溫度降低幾度,但這只是得到效率略微提升的多變壓縮過程,效率上的收益微不足道,可以通過單級螺桿設計和加工上的優化輕易抵消。
當然,噴油螺桿單級與二級壓縮性能的差異與排氣壓力也有關,所以壓縮機發展歷史更悠久,經驗積累更豐富的歐洲壓縮機廠商,一般在10bar以上才會考慮采用二級壓縮,而10bar以下,則普遍采用單級壓縮。
然而,如果生產廠家對噴油螺桿技術和測試數據積累有限,螺桿基礎設計能力薄弱,加工精度不足,裝配工藝落后,很難突破單級壓縮的效率瓶頸。那么與其花大力氣研究基礎型線和細摳技術細節,采用二級壓縮是投入不大卻能迅速見效的捷徑。
但是這條捷徑還會碰到另一道橫亙的技術之墻:
1. 卸載功耗高
2. 可靠性降低

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