本文主要從噴油螺桿空壓機(jī)對(duì)1級(jí)能效限定值的絕熱效率需求值去分析主機(jī)對(duì)空壓機(jī)節(jié)能的影響，并運(yùn)用絕熱效率來揭示單級(jí)壓縮和兩級(jí)壓縮節(jié)能的秘密。
一、空氣壓縮機(jī)的絕熱效率
什么是空壓機(jī)的絕熱效率呢？
1.首先我們需要了解壓縮空氣工作原理
空氣具有可壓縮性，經(jīng)空氣壓縮機(jī)做功使其體積縮小、壓力提高后獲得壓縮空氣。
根據(jù)熱力學(xué)第一定律，一個(gè)封閉系統(tǒng)的總能量總是守恒的，空氣壓縮機(jī)通過外力作用把機(jī)械能或熱能轉(zhuǎn)換為壓縮空氣的壓力勢(shì)能。
對(duì)于氣體，在微觀上個(gè)別分子運(yùn)動(dòng)規(guī)律很難觀察其規(guī)律，但宏觀上大量分子集體效應(yīng)的物理量，如：氣體的體積、溫度、壓強(qiáng)等等則可以研究其狀態(tài)變化而獲取其規(guī)律。于是我們?cè)趬嚎s空氣理論計(jì)算時(shí)引入“氣體狀態(tài)方程”。該狀態(tài)方程表示壓力、容積與溫度之間的相互關(guān)系。在一個(gè)密閉環(huán)境中，當(dāng)一個(gè)參數(shù)變化時(shí)，至少會(huì)導(dǎo)致其他兩個(gè)參數(shù)中的一個(gè)參數(shù)發(fā)生變化。（見公式（1））。
我們通常使用P-V圖來描述空氣壓縮機(jī)工作過程。如果我們有日常生活用打氣筒給自行車輪充氣經(jīng)歷，就很容易理解空氣的壓縮有四個(gè)過程：等容過程（容積不變）、等壓過程（壓力不變）、多變過程（容積、壓力、溫度變化），（見圖1）。
圖1的2-1過程就是空壓機(jī)壓縮的過程，通常分為：等溫壓縮(溫度不變)、絕熱壓縮(與周圍沒有熱交換)、 多變壓縮(與周圍產(chǎn)生熱交換)。
（見圖2）
從圖2中我們知道，1-2-3-4為空壓機(jī)工作的四個(gè)過程，其圍成的面積就是其消耗的能量(作功)。其中等溫壓縮作功最小(1-2’-3-4)，絕熱壓縮作功最大(1-2”-3-4)，多變壓縮均處于兩者之間(1-2-3-4)。但是在實(shí)際壓縮過程中，由于空壓機(jī)運(yùn)行既不可能做等溫壓縮(進(jìn)氣溫度-壓縮溫度-排氣溫度不變)，也不可能做到絕熱壓縮(空氣與周圍沒有熱交換), 因此介于兩者之間的多變壓縮過程就是最常見的噴油螺桿壓縮機(jī)的壓縮過程(干式無油螺桿為絕熱壓縮)。
由于螺桿空壓機(jī)主機(jī)內(nèi)部在壓縮過程中會(huì)產(chǎn)生熱量，氣體的溫度會(huì)上升很快，而主機(jī)受到噴油量的限制及熱交換的不充分，空氣往往在排氣口才能與油溫中和，所以在理論上研究主機(jī)壓縮時(shí)向絕熱壓縮靠攏比等溫壓縮更準(zhǔn)確。在空壓機(jī)主機(jī)軸功率計(jì)算時(shí)一定是先用絕熱壓縮理論來進(jìn)行推導(dǎo)，然后再通過實(shí)驗(yàn)手段論證其絕熱效率值，從而獲得滿意的空壓機(jī)比功率值。
2.絕熱效率
絕熱效率ηad就是等熵絕熱所需要的主機(jī)軸功率Pad與空壓機(jī)實(shí)際軸功率P軸的比值，計(jì)算公式見公式(2)：
ηad = Pad/ P軸 ——公式(2)
我們先了解絕熱效率的含義：
①由于空壓機(jī)壓縮耗能主要在主機(jī)，所以研究絕熱效率就是研究主機(jī)的性能。
②絕熱效率可以理解為空壓機(jī)中空氣被壓縮后與前所含能量的比值，體現(xiàn)空壓機(jī)壓縮前后能量利用的完善程度。
③比值(絕熱效率)越接近(比值為1)說明該空壓機(jī)的性能越好，反之則空壓機(jī)的性能較次。
④壓縮比增高必然需要更多地能量消耗，比值(絕熱效率)必然會(huì)隨著壓比的增高而增高，同時(shí)容積效率降低，比值(絕熱效率)也會(huì)增大。
⑤另外，當(dāng)比值(絕熱效率)越大，空壓機(jī)越難實(shí)現(xiàn)。反之，就越容易制造。
3.絕熱效率對(duì)噴油螺桿空壓機(jī)節(jié)能影響
相同的機(jī)頭型線和加工精度，單級(jí)壓縮和2級(jí)壓縮結(jié)果有什么不一樣的表現(xiàn)呢？我們可以從絕熱效率的理論分析：
同樣排氣壓力為7bar，單級(jí)壓縮主機(jī)壓比為8：1；兩級(jí)壓縮主機(jī)頭壓比為2.8：1。從容積效率來看，壓比增大，絕熱效率值下降。（見圖4）
我們可以通過絕熱壓縮理論計(jì)算來看。
等熵絕熱壓縮主機(jī)軸功率計(jì)算：
Pad-壓縮機(jī)主機(jī)的等熵絕熱功率
Ps-壓縮機(jī)的吸氣壓力(MPa)
Pd-壓縮機(jī)的排氣壓力(MPa)
qv-壓縮機(jī)的實(shí)際容積流量(m3/min)
k-被壓縮氣體的等熵指數(shù)(空氣=1.4)
空氣壓縮機(jī)主機(jī)絕熱效率計(jì)算：
ηad = Pad/ P軸 ——公式（4）
通過公式（3）和（4）計(jì)算方法，我們按GB 19153—2019《容積式空氣壓縮機(jī)能效限定值及能效等級(jí)》中1級(jí)能效限定值來計(jì)算出單級(jí)壓縮和兩級(jí)壓縮時(shí)主機(jī)所需的絕熱效率需求值并比較分析(見表1)。
③從表1可以看出：
a）大容積流量比小容積流量需要更高的絕熱效率需求值，比如：22kW單級(jí)為73.96%，兩級(jí)為63.06%;75kW單級(jí)為80.23%，兩級(jí)為68.4%;
b）在1級(jí)能效限定值下，兩級(jí)壓縮絕熱效率需求值比單級(jí)壓縮絕熱效率需求值小，這意味著，達(dá)到1級(jí)能效，兩級(jí)壓縮比單級(jí)壓縮更容易實(shí)現(xiàn)。比如：250kW單級(jí)為86.06%，兩級(jí)為73.37%。
二、單級(jí)壓縮與兩級(jí)壓縮
通常來說，低壓力比，大中容積流量的空壓機(jī)絕熱效率ηad=0.75～0.85；高壓力比，小容積流量的空壓機(jī)絕熱效率ηad=0.65～0.75。在目前螺桿空壓機(jī)設(shè)計(jì)與制造水平下，主機(jī)絕熱效率ηad>0.85幾乎不可能。因此，在某些1級(jí)能效限定值對(duì)應(yīng)的單級(jí)壓縮絕熱效率需求值在單級(jí)壓縮螺桿空壓機(jī)中幾乎“不可能達(dá)到”(90kW以上絕熱效率需求值都超過85%以上)。而在這些1級(jí)能效限定值對(duì)應(yīng)的兩級(jí)壓縮絕熱效率需求值卻很低(絕熱效率不超過75%)，反而容易達(dá)到設(shè)計(jì)與制造。這就是從絕熱效率的角度解釋為什么兩級(jí)壓縮比單級(jí)壓縮節(jié)能的原因。
從圖5可以看到：90kW就是單級(jí)壓縮的分水嶺，大于90kW單級(jí)壓縮螺桿空壓機(jī)要達(dá)到1級(jí)能效非常困難。這就是為什么在市場(chǎng)上絕大多數(shù)品牌的空壓機(jī)在單級(jí)壓縮90kW以上的工頻機(jī)很少能達(dá)到1級(jí)能效。這與現(xiàn)有的技術(shù)條件下主機(jī)的設(shè)計(jì)和制造有相當(dāng)大的關(guān)系。
然后，再看圖6所示，1級(jí)能效兩級(jí)壓縮絕熱效率需求值比單級(jí)壓縮絕熱效率需求值低13%左右，且都低于85%，在目前螺桿空壓機(jī)設(shè)計(jì)與制造水平下，非常容易實(shí)現(xiàn)。但是現(xiàn)實(shí)中大多數(shù)情況差距并沒有這么大，是由于對(duì)于二次進(jìn)氣溫度控制受到機(jī)頭連接方式限制，大多數(shù)兩級(jí)壓縮是一級(jí)壓縮后直接進(jìn)入二級(jí)壓縮，只是在中間噴油冷卻，使得二級(jí)進(jìn)氣溫度不夠低（露點(diǎn)和容積效率限制），把兩級(jí)壓縮變成兩段壓縮，絕熱效率值打了折扣。
在現(xiàn)有的技術(shù)和制造水平，相同排氣壓力及機(jī)組功率下，由于兩級(jí)壓縮主機(jī)在壓縮比﹑二級(jí)進(jìn)氣溫度（大多數(shù)兩級(jí)壓縮主機(jī)通過中間噴油冷卻，使得二級(jí)進(jìn)氣溫度=1級(jí)排氣溫度-8℃）、容積效率比單級(jí)壓縮更優(yōu)，絕熱效率需求值降低10%左右是不難的事情，從而更容易達(dá)到1級(jí)能效限定值。
因此針對(duì)單級(jí)壓縮已經(jīng)很高的絕熱效率（如在大功率或高壓力機(jī)組中），進(jìn)一步提高絕熱效率難度很大，因此采用兩級(jí)壓縮是提高機(jī)組能效是最佳方法，特別是在國內(nèi)主機(jī)的技術(shù)和制造水平不占優(yōu)勢(shì)的情況下實(shí)現(xiàn)彎道超車，也是當(dāng)今市場(chǎng)普遍的操作。
三、兩級(jí)壓縮可以取代單級(jí)壓縮嗎？
在GB19153-2019《容積式空氣壓縮機(jī)能效限定值及能效等級(jí)》中能效限定值要求進(jìn)一步降低，市場(chǎng)中200kW以下的兩級(jí)壓縮比功率值已經(jīng)接近標(biāo)準(zhǔn)值了，優(yōu)勢(shì)不是那么明顯的情況下，兩級(jí)壓縮主機(jī)可以通過系統(tǒng)設(shè)計(jì)，把“偽”兩級(jí)（兩段）壓縮變成正真的兩級(jí)壓縮應(yīng)該是下一階段的技術(shù)變革。
在市場(chǎng)中為什么在大單、高利潤(rùn)、優(yōu)質(zhì)客戶面前盲目推銷兩級(jí)壓縮不一定好使呢？
首先要了解客戶對(duì)螺桿空壓機(jī)真正需求，客戶購買空壓機(jī)是為了賺錢，而不是省錢。選擇單級(jí)或兩級(jí)壓縮，要根據(jù)客戶的需求。片面強(qiáng)調(diào)兩級(jí)壓縮節(jié)能效果而犧牲可靠性，穩(wěn)定性，耽誤比節(jié)能更多時(shí)，可能省下來的不如賠的多。
從經(jīng)濟(jì)和節(jié)能綜合考慮，建議在90kW 以下機(jī)組可采用單級(jí)壓縮，而追求1級(jí)能效的90 kW以上機(jī)組則可以采用兩級(jí)壓縮。這將有助于提高機(jī)組能效，降低成本，提高穩(wěn)定性。但是前提是幫助客戶先開源，然后才是節(jié)流。不能把順序搞反了。
筆者一直推崇：壓縮空氣系統(tǒng)節(jié)能才是真正的節(jié)能，單一推銷永磁變頻、兩級(jí)壓縮、工業(yè)物聯(lián)，都是“同質(zhì)化銷售”的誤區(qū)，與95%的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手的銷售方法雷同，無法脫身價(jià)格戰(zhàn)。
因此深入了解“絕熱效率對(duì)噴油螺桿空壓機(jī)節(jié)能影響”不僅能在理論上支持我們空壓機(jī)設(shè)計(jì)制造為什么節(jié)能，如何做節(jié)能及挖掘節(jié)能的潛力，而且還可以在激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中占得先機(jī)。學(xué)習(xí)理論，領(lǐng)先同行！
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