空氣壓縮機(jī)的選擇（二）
工作原理
往復(fù)式壓縮機(jī)
這種壓縮機(jī)通過(guò)減小容納氣體空間的容積來(lái)達(dá)到壓縮氣體的目的。圖2.1顯示了采用橫臥式氣缸的活塞式壓縮機(jī)的截面圖。
當(dāng)活塞在氣缸內(nèi)移動(dòng)時(shí)，連續(xù)發(fā)生吸氣、壓縮氣體和排氣的過(guò)程。這種理想過(guò)程就如圖2.2所示，它假設(shè)經(jīng)過(guò)吸氣閥和排氣閥時(shí)無(wú)壓降產(chǎn)生，吸氣和排氣均為恒壓過(guò)程，并且在排氣結(jié)束時(shí)，氣缸內(nèi)無(wú)殘留氣體。
圖2.3顯示的是具有一定余隙的壓縮機(jī)的p-V圖。它與圖2.2的主要差異體現(xiàn)在，當(dāng)排氣過(guò)程結(jié)束時(shí)，有一些氣體殘留在氣缸內(nèi)，在吸氣沖程的起始階段，這些氣體逐漸膨脹，阻止新氣體進(jìn)入系統(tǒng)，直至氣缸內(nèi)的壓力變得稍低于吸氣管內(nèi)的壓力。容納這些氣體的空間被稱為余隙。它的存在無(wú)可避免，因?yàn)榛钊^與氣缸之間需要留有一定的間隙，還因?yàn)榉胖瞄y門(mén)也需要一定的空間。
壓縮機(jī)的容積效率（ηv）取決于余隙容積（V c）與活塞排量（V d）之比（c）,壓力之比（P2/P1）,以及多變指數(shù)（n）,如下公式所示，該公式由帶余隙的示意圖確定：ηv =1+c-c（P2/P1）1/n
通常，根據(jù)壓縮機(jī)的尺寸，余隙比(c)的值在0.06到0.14之間。在大型的多級(jí)壓縮機(jī)中，該值可以低至0.025.
當(dāng)壓縮因子（Z）在壓縮過(guò)程中不為常數(shù)時(shí)，應(yīng)該采用下述方程式2.1的修正方程式：ηv ＝1+c-（Z1/Z2）. c（P2/P1）1/n
正如本系列**篇文章所述，容積效率為壓縮機(jī)的實(shí)際輸氣量（Q）與排氣量（v d）之比：ηv = Q/ v d
對(duì)于一臺(tái)給定的壓縮機(jī)，隨著余隙增大，其容積效率和輸氣量減小?？梢岳迷撎攸c(diǎn)來(lái)控制活塞式壓縮機(jī)的氣體流速。
容積效率的實(shí)際值，在65%到90%之間變化，可以通過(guò)測(cè)得其具體數(shù)值。
影響實(shí)際容積效率值的因素包括余隙的尺寸，氣體通過(guò)密封件、閥門(mén)和活塞環(huán)的泄露程度，以及缸體在氣缸內(nèi)的受熱情況。正是因?yàn)榇嬖谥@些影響，所以對(duì)方程式2.2做衛(wèi)些修改，使其包含了經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，以便更好地表達(dá)活塞式壓縮機(jī)的實(shí)際容積特性：ηv ＝0.97+ c-（Z1/Z2）. c（P2/P1）1/n GL(2.3)
其中，對(duì)于有潤(rùn)滑壓縮機(jī)，GL的值為0.02－0.06，對(duì)于無(wú)潤(rùn)滑壓縮機(jī)，GL的值為0.07－0，10。
但是，容積效率并不是評(píng)價(jià)壓縮機(jī)品質(zhì)的可靠指標(biāo)，而應(yīng)評(píng)估達(dá)到期望輸氣量所需的能量消耗。
旋轉(zhuǎn)式壓縮機(jī)
這種壓縮機(jī)和往復(fù)式壓縮機(jī)的工作原理相同，但是在旋轉(zhuǎn)式壓縮機(jī)中，實(shí)現(xiàn)容積減小的方法是，通過(guò)轉(zhuǎn)子在壓縮機(jī)殼內(nèi)的轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)逐漸減小轉(zhuǎn)子與外殼之間的空間。
如今，螺桿式壓縮機(jī)在眾多的正排量旋轉(zhuǎn)式壓縮機(jī)中脫穎而出。圖2.5顯示了一臺(tái)工作在不同工況下的螺桿式壓縮機(jī)的典型p-V圖。通過(guò)陰陽(yáng)轉(zhuǎn)子的嚙合實(shí)現(xiàn)壓縮。當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)子葉輪的嚙合從進(jìn)氣孔向排氣孔移動(dòng)；相應(yīng)地，園子子凹坑內(nèi)的氣體――容納于嚙合空間內(nèi)――被壓縮并排出。無(wú)油旋轉(zhuǎn)式螺桿壓縮機(jī)完全依靠轉(zhuǎn)子與轉(zhuǎn)子，及轉(zhuǎn)子與機(jī)殼之間的間隙來(lái)防止氣缸內(nèi)的受壓氣體從排氣口回流至進(jìn)氣口。陰陽(yáng)轉(zhuǎn)子的正時(shí)齒輪同步旋轉(zhuǎn)，避免了金屬與金屬接觸，因此無(wú)需注油。
螺桿式壓縮機(jī)允許注入液體――通常是油――因而能夠低速工作，并實(shí)現(xiàn)以下三項(xiàng)功能：
減小，甚至消除齒間容積公差
在壓縮期間使氣體冷卻
潤(rùn)滑轉(zhuǎn)子，因此無(wú)需采用正時(shí)齒輪。
通過(guò)注油，能夠沖洗含有聚合物等物質(zhì)的氣流。當(dāng)螺桿式壓縮機(jī)工作在非設(shè)計(jì)工況時(shí)，其效率會(huì)降低，特別是當(dāng)它們具有固定的容積比時(shí)。正因?yàn)槿绱?，因?yàn)樗鼈兙哂凶詣?dòng)調(diào)節(jié)能力，能夠使非設(shè)計(jì)工況下效率達(dá)到*大值。
離心式（渦輪壓縮機(jī)）
在離心式壓縮機(jī)中，首先利用離心的原理增大氣體的動(dòng)能，然后將動(dòng)能轉(zhuǎn)化為壓縮能，從而實(shí)現(xiàn)氣體的壓縮。
葉輪的旋轉(zhuǎn)使其入口端形成一個(gè)低壓區(qū)，從而造成氣體持續(xù)從吸氣管流向葉輪葉片。在葉輪內(nèi)部，離心力推動(dòng)氣體從入口端流向外圍，增加了氣流速度和葉輪葉片間的氣流密度。氣體接著向機(jī)殼或者膈膜移動(dòng)，機(jī)殼和膈膜都具有擴(kuò)壓器，在這里，氣體的高速被轉(zhuǎn)化為壓力。在多級(jí)壓縮機(jī)中，從初級(jí)擴(kuò)壓器產(chǎn)生的氣體在擴(kuò)壓器上導(dǎo)游葉片的作用下進(jìn)入二級(jí)葉輪。*后，被壓縮氣體到達(dá)渦殼和排氣管。在那些具有級(jí)間冷卻的壓縮機(jī)中，氣體在經(jīng)這每個(gè)壓縮級(jí)或者一組壓縮級(jí)之后渡過(guò)換熱器。
級(jí)間冷卻是應(yīng)用得*為廣泛的一種冷卻方法，因?yàn)樗鼤?huì)產(chǎn)生*接近等溫線的過(guò)程，因此從能量的角度來(lái)看，它也是*為經(jīng)濟(jì)的方法。還有一種冷卻方法，它利用循環(huán)冷卻水流過(guò)膈膜內(nèi)開(kāi)鑿的流道來(lái)實(shí)現(xiàn)冷卻，但是這種解決方案使得壓縮機(jī)殼的設(shè)計(jì)和制造變得更加困難。
由驅(qū)動(dòng)器為壓縮氣體所提供的有效能量實(shí)際上大于竺熵壓縮所需要的能量，因?yàn)檫€需要一些額外的能量來(lái)克服氣體與葉輪流道、擴(kuò)壓器流道以及外殼之間的摩擦，此外，還要克服葉輪浸入壓縮氣體所產(chǎn)生的流體摩擦力。所提供的所有額外的能量都會(huì)轉(zhuǎn)化成熱量。
軸流式壓縮機(jī)
在這種轉(zhuǎn)子動(dòng)力壓縮機(jī)中，壓力的增大歸因于兩項(xiàng)因素的綜合作用，一是氣體流速增大，二是當(dāng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)，氣體流過(guò)葉片的區(qū)域同時(shí)增大。
氣體按照與壓縮機(jī)軸平等的方向進(jìn)入壓縮機(jī)。氣體在到達(dá)轉(zhuǎn)子葉片之后，與它們一起旋轉(zhuǎn)，同時(shí)沿軸向移動(dòng)，從一排葉柵移至下一排葉柵。
在轉(zhuǎn)子葉柵之間還在固定葉片。固定葉片的作用是消除由轉(zhuǎn)動(dòng)中片的運(yùn)動(dòng)引起的氣體渦流現(xiàn)象，并引導(dǎo)氣流流向下一排轉(zhuǎn)動(dòng)葉片。通常，首排定子上的葉片可調(diào)，可以利用外部設(shè)備來(lái)調(diào)節(jié)它們，以獲得更好的性能控制及更大的操作靈活性。
主要特點(diǎn)
下面介紹每種壓縮機(jī)的主要特點(diǎn)和優(yōu)缺點(diǎn)。在為特定的應(yīng)用挑選合適的壓縮機(jī)時(shí)，應(yīng)該考慮到這些特點(diǎn)。
活塞式壓縮機(jī)
低速（現(xiàn)在市場(chǎng)也有“高速”的往復(fù)式壓縮機(jī)，功率范圍為22kW到6700kW，與轉(zhuǎn)速為720rpm到1800rpm的原動(dòng)機(jī)進(jìn)行直聯(lián)）。
排氣壓力高
*適合用在單級(jí)或低輸氣量的高壓應(yīng)用場(chǎng)合。
壓力范圍廣
當(dāng)以固定轉(zhuǎn)速工作時(shí)，氣體壓力的變化公使輸氣量發(fā)生極微小的改變。
適合于便攜式應(yīng)用
占用空間比離心式和旋轉(zhuǎn)式壓縮機(jī)更大
高振動(dòng)及脈動(dòng)氣流
需要對(duì)氣缸進(jìn)行冷卻和潤(rùn)滑。無(wú)潤(rùn)滑壓縮機(jī)需要使用自潤(rùn)滑材料。
對(duì)低氣體密度敏感
維護(hù)要求高。容易發(fā)生工作故障
隔膜壓縮機(jī)
通常工作轉(zhuǎn)速低于580rpm
適合于不允許泄漏或者產(chǎn)品污染的應(yīng)用場(chǎng)合
比活塞式壓縮機(jī)的輸氣量小
高壓力比
低效率
應(yīng)慎重設(shè)計(jì)整套隔膜組以獲得令人滿意的使用壽命
螺桿式壓縮機(jī)
高工作轉(zhuǎn)速（低于離心式壓縮機(jī)，但是高于往復(fù)式壓縮機(jī)）
工作轉(zhuǎn)速范圍寬
根據(jù)壓縮機(jī)類型和尺寸，壓力比可達(dá)20。在多級(jí)壓縮機(jī)中，總壓力比甚至超過(guò)了25。
效率在60%到70%之間。
在非設(shè)計(jì)工況下工作時(shí)，效率降低，特別是在內(nèi)部容積固定的壓縮機(jī)中。
排放無(wú)油氣體
對(duì)低氣體密度有些敏感
允許處理的氣體中含有液體和非磨蝕性灰塵。
氣體排放溫度高。
葉輪式壓縮機(jī)
輸氣量中等
常規(guī)壓縮率，不高于2.2。干式運(yùn)轉(zhuǎn)高壓壓縮機(jī)可達(dá)4.5
平穩(wěn)輸送無(wú)油氣體
對(duì)于給定的速度，輸氣量幾乎保持恒定。
自動(dòng)調(diào)整壓力，無(wú)功率損耗。
能夠處理任何氣體。
允許處理的氣體中含有液體。
能夠在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)的任何壓力下高效工作。
損耗小。
滑片式壓縮機(jī)
中等輸氣量。壓縮率不高于2.7。
高轉(zhuǎn)速
氣流平穩(wěn)
不需要閥門(mén)
占用空間小
通常需要水冷卻
要求強(qiáng)制潤(rùn)滑
液環(huán)壓縮機(jī)
中等壓力和輸氣量。
特別適合于處理爆炸性或者高腐蝕性氣體。
氣體排放平穩(wěn)。
排放的氣體冷卻且清潔。
沒(méi)有摩擦零件，無(wú)需潤(rùn)滑。
要求大功率。
效率低。*大效率值約為48%。
需要供水（或者其它液體）。
要求良好的建造材料。
渦旋壓縮機(jī)
低壓力和輸氣量。
不需要閥門(mén)。在某些應(yīng)用中使用一個(gè)動(dòng)態(tài)排氣閥。
轉(zhuǎn)矩波動(dòng)小。
噪聲和振動(dòng)極低。
比活塞式壓縮機(jī)的容積效率高。
小型渦旋壓縮機(jī)具有更高的效率。
離心式壓縮機(jī)
工作轉(zhuǎn)速高
所需起動(dòng)扭矩較低，就像旋轉(zhuǎn)式壓縮機(jī)那樣。
