【壓縮機(jī)網(wǎng)】氣動(dòng)是工業(yè)三大動(dòng)力之一，不僅廣泛應(yīng)用于各種制造行業(yè)，而且是航空航天、造船、高鐵、半導(dǎo)體、醫(yī)藥等行業(yè)多種高端裝備中不可替代的組成部分。隨著我國(guó)工業(yè)化水平的不斷提升，我國(guó)對(duì)氣動(dòng)設(shè)備的需求不斷增加，在工業(yè)生產(chǎn)中平均占據(jù)工廠總耗電量的9%，有些工廠甚至高達(dá)45%，壓縮空氣系統(tǒng)已不可避免地成為節(jié)能工作的主要對(duì)象。在能源問(wèn)題突出的今天，氣動(dòng)系統(tǒng)使用中浪費(fèi)嚴(yán)重等問(wèn)題已然引起了人們的廣泛關(guān)注，氣動(dòng)系統(tǒng)的節(jié)能在我國(guó)正成為一個(gè)重要而迫切的課題。
一、壓縮空氣系統(tǒng)組成
壓縮空氣系統(tǒng)由氣源設(shè)備和氣源處理元件、氣動(dòng)執(zhí)行元件、氣動(dòng)控制元件、氣動(dòng)輔助元件、真空元件以及其它元器件組成，如圖1所示。
1.氣源設(shè)備
(1)空壓機(jī)（全稱空氣壓縮機(jī)）的作用是將電能轉(zhuǎn)化成壓縮空氣的壓力能，供氣動(dòng)設(shè)備使用。空壓機(jī)按照工作原理分為活塞式空壓機(jī)、螺桿式空壓機(jī)、離心式空壓機(jī)。
(2)后冷卻器。后冷卻器（如圖2）的作用是將空壓機(jī)出口的高溫空氣冷卻至40℃以下，將大量水蒸氣和油霧冷凝成液態(tài)水滴和油滴，以便將它們清除。
(3)儲(chǔ)氣罐。儲(chǔ)氣罐的作用是消除壓力脈動(dòng)；依靠絕熱膨脹及自然冷卻降溫，進(jìn)一步分離掉壓縮空氣中的水分和油分；貯存一定量的氣體，一方面可緩和短時(shí)間內(nèi)用氣量大于空壓機(jī)輸出氣量的矛盾，另一方面可在空壓機(jī)出現(xiàn)故障或停電時(shí)，維持短時(shí)間的供氣，以便保證氣動(dòng)設(shè)備的安全，如圖3所示。
(4)管路系統(tǒng)指從氣源到末端用氣設(shè)備的氣體輸送管路。
2.氣源處理元件
從空壓機(jī)輸出的壓縮空氣中含有大量的水分、油分和粉塵等污染物，必須使用氣源處理元件適當(dāng)清除這些污染物，以避免它們對(duì)氣動(dòng)系統(tǒng)的正常工作造成危害。氣源處理元件主要包括：自動(dòng)排水器、過(guò)濾器、干燥機(jī)、空氣組合元件等。
(1)自動(dòng)排水器。自動(dòng)排水器主要用于排出管道低處和油水分離器、氣罐及各種過(guò)濾器底部等處的冷凝水。它可安裝于不便進(jìn)行人工排污水的地方，如高處、低處、狹窄處，以防止人工排水被遺忘而造成壓縮空氣被冷凝水重新污染。自動(dòng)排水器分為氣動(dòng)自動(dòng)排水器和電動(dòng)自動(dòng)排水器，如圖4所示。
(2)過(guò)濾器。過(guò)濾器分為主管路過(guò)濾器、空氣過(guò)濾器、油霧分離器、微霧分離器、超微霧分離器以及除臭過(guò)濾器和水滴分離器。它們的作用是清除空氣中的油污、粉塵、水滴以及有害氣體等，以獲得潔凈的壓縮空氣，如圖5所示。
(3)干燥機(jī)。壓縮空氣經(jīng)后冷卻器、油水分離器、氣罐、主管路過(guò)濾器得到凈化后，仍含有一定量的水蒸氣，使用干燥機(jī)來(lái)進(jìn)一步清除水蒸氣，但不能依靠它清除油分。干燥機(jī)有冷凍式、吸附式和高分子隔膜式等，如圖6所示。
(4)空氣組合元件。為了得到多種功能，將空氣過(guò)濾器、減壓閥和油霧器等元件進(jìn)行不同的組合，就構(gòu)成了空氣組合元件。氣動(dòng)三聯(lián)件為常見(jiàn)的空氣組合元件，是由空氣過(guò)濾器、減壓閥和油霧器組成的，如圖7所示。
3.氣動(dòng)執(zhí)行元件
將壓縮空氣的壓力能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)作往復(fù)運(yùn)動(dòng)、擺動(dòng)和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的元件，稱為氣動(dòng)執(zhí)行元件。
主要有直線氣缸、擺動(dòng)氣缸和氣爪等，如圖8所示。
4.氣動(dòng)控制元件
通過(guò)它們改變工作介質(zhì)的壓力、流量或流動(dòng)方向來(lái)實(shí)現(xiàn)執(zhí)行元件所規(guī)定的運(yùn)動(dòng)，如各種壓力、流量、方向控制閥和各種氣動(dòng)邏輯元件。氣動(dòng)控制元件主要包括壓力控制閥、流量控制閥、方向控制閥、電氣比例閥。
(1)壓力控制閥。壓力控制閥主要有減壓閥和增壓閥。減壓閥是將較高的進(jìn)口壓力調(diào)節(jié)并降低到符合使用要求的出口壓力的一種裝置，其出口側(cè)壓力可調(diào)，并能保持出口側(cè)壓力穩(wěn)定的壓力控制閥，如圖9所示。增壓閥是將系統(tǒng)中的低壓氣體按比例轉(zhuǎn)化為高壓氣體的一種裝置，如圖10所示。
(2)流量控制閥。流量控制閥的作用是控制壓縮空氣的流量，它可以控制氣缸運(yùn)動(dòng)速度、信號(hào)延遲時(shí)間、油霧器的滴油量、氣缸的緩沖能力等，如圖11所示。
(3)方向控制閥。常用的方向控制閥有電磁換向閥、氣控?fù)Q向閥以及人力換向閥。如圖12、13、14。
(4)電氣比例閥。電氣比例控制屬于連續(xù)控制，其特點(diǎn)是輸出量隨輸入量的變化而變化，輸出量與輸入量之間存在一定的比例關(guān)系。電氣比例閥如圖15所示。
5.氣動(dòng)輔助元件
氣動(dòng)輔助元件主要有消聲器、排氣潔凈器和管接頭及氣管等。
(1)消聲器和排氣潔凈器。消聲器是允許氣流通過(guò)，卻又能阻止或減小聲音傳播的一種器件，是消除空氣動(dòng)力性噪聲的重要元件。排氣潔凈器可減低噪聲及油霧的污染，以保持寧?kù)o清潔的工作環(huán)境，分別如圖16、圖17所示。
(2)管接頭及氣管。管接頭及氣管是將上述各種氣動(dòng)元件進(jìn)行連接的輔助元件，如圖18所示。
通過(guò)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的空氣壓縮機(jī)，將大氣壓狀態(tài)下的空氣壓縮成具有較高壓力的壓縮空氣，經(jīng)過(guò)空氣凈化設(shè)備除去壓縮空氣中所含的水分、油分和塵埃等污染物，干燥潔凈的壓縮空氣經(jīng)過(guò)傳輸管路到達(dá)執(zhí)行元件以及末端用氣設(shè)備。
二、空壓機(jī)的能耗
工廠內(nèi)的用電設(shè)備主要有：照明設(shè)備、空調(diào)設(shè)備、電熱設(shè)備、給排水設(shè)備、動(dòng)力設(shè)備和制造設(shè)備等。作為重要?jiǎng)恿υO(shè)備的空氣壓縮機(jī)耗電量平均占工廠內(nèi)用電設(shè)備的總用電量的9%，這個(gè)數(shù)據(jù)是非常驚人的，這也是從業(yè)者長(zhǎng)期關(guān)注節(jié)能的重點(diǎn)，本文不再贅述。
三、壓縮空氣的成本及其計(jì)算方法
1.壓縮空氣的成本
壓縮空氣盡管來(lái)自于大氣，不是資源性氣體，但并非免費(fèi)使用。為制造壓縮空氣，工業(yè)空氣壓縮機(jī)需要消耗大量的電力。另外，企業(yè)還需負(fù)擔(dān)工業(yè)空氣壓縮機(jī)的購(gòu)置費(fèi)用、維護(hù)費(fèi)用以及潤(rùn)滑油費(fèi)用等。空壓機(jī)生命周期成本的絕大部分為電費(fèi)成本，占整個(gè)生命周期的84%左右，如圖19所示。
空氣消耗量是指氣動(dòng)設(shè)備單位時(shí)間或一個(gè)動(dòng)作循環(huán)下所消耗空氣的體積。通常，該體積用換算到標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)（100kPa、20℃、相對(duì)濕度65%，以下用ANR表示）下的體積來(lái)表示，單位為L(zhǎng)/min（ANR）或L（ANR）。
空氣消耗量是當(dāng)前評(píng)價(jià)氣動(dòng)設(shè)備耗氣的主要指標(biāo)，在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)被廣泛采用。由于空氣消耗量表示的是體積而不是能量，所以用它來(lái)表示能量消耗時(shí)需通過(guò)空壓機(jī)氣源的比能量指標(biāo)來(lái)?yè)Q算。空壓機(jī)的比能量：輸出單位體積壓縮空氣所需的平均耗電量，單位kW·h/m3（ANR）。空壓機(jī)的比能量因空壓機(jī)和輸出壓力而異。若輸出壓力為0.7MPa（G），一般工廠主要型號(hào)空壓機(jī)的比能量為0.08～0.12kW·h/m3（ANR），一般取0.10kW·h/m3（ANR）。工業(yè)用電平均電費(fèi)取0.7元/kW·h，則壓縮空氣的成本為0.07元/m3（ANR）。
案例:某司壓縮空氣成本計(jì)算。該公司共有1期和2期兩個(gè)空壓機(jī)房，#1～#6空壓機(jī)在1期機(jī)房，#7～#14空壓機(jī)在2期機(jī)房。其中，低壓空壓機(jī)（0.83MPa）11臺(tái)，中壓空壓機(jī)（1.4MPa）3臺(tái)，具體配置如表1和表2所示。
空壓機(jī)每年的電力消費(fèi)約為480萬(wàn)kW·h，由此可計(jì)算出空壓機(jī)耗電量每月隨產(chǎn)量變化而波動(dòng)的情況，每月平均耗電量為40萬(wàn)kW·h（因#7空壓機(jī)沒(méi)有安裝電表，故不含#7空壓機(jī))。由表1和表2可得，10臺(tái)75kW、3臺(tái)37kW的壓縮機(jī)每月耗電量為40萬(wàn)kW·h，相當(dāng)于14臺(tái)空壓機(jī)每月滿負(fù)荷工作465h，除去星期日，相當(dāng)于每天滿負(fù)荷工作17.9h，空壓機(jī)設(shè)備資源處于非常緊張的使用狀態(tài)。
(1)低壓壓縮空氣（0.83MPa）
11臺(tái)低壓空壓機(jī)的總額定功率為825kW。
11臺(tái)低壓空壓機(jī)的總產(chǎn)氣量為132m3/min。
所以，比能量為：825/132/60kW·h/m3=0.1042kW·h/m3。電費(fèi)平均單價(jià)按0.7元/kW·h計(jì)算，電費(fèi)占比按80%計(jì)算，壓縮空氣的成本為0.091元/m3。
(2)中壓壓縮空氣（1.4MPa）3臺(tái)中壓空壓機(jī)的總額定功率為111kW。
3臺(tái)中壓空壓機(jī)的總產(chǎn)氣量為11.1m3/min。
所以，比能量為：111/11.1/60=0.1667 kW·h/m3。
電費(fèi)平均單價(jià)按0.7元/kW·h計(jì)算，電費(fèi)占比按85%計(jì)算，壓縮空氣的成本為0.137元/m3。
四、壓統(tǒng)空氣系統(tǒng)的能效評(píng)價(jià)
目前，壓縮空氣系統(tǒng)的能效評(píng)價(jià)主要有兩種方法：空氣消耗量和氣動(dòng)功率。
1.空氣消耗量
空氣消耗量是一種傳統(tǒng)的評(píng)價(jià)體系，是指氣動(dòng)設(shè)備單位時(shí)間或一個(gè)動(dòng)作循環(huán)下所耗空氣的體積。通常，該體積用換算到標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)（100kPa、相對(duì)濕度65%、20℃以下用ANR表示）下的體積來(lái)表示，單位為m3/min(ANR)或L/min(ANR)。空氣消耗量是當(dāng)前評(píng)價(jià)氣動(dòng)設(shè)備耗氣的主要指標(biāo)，在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)被廣泛使用。
由于空氣消耗量表示的是體積而不是能量，所以用它來(lái)表示能量消耗時(shí)需通過(guò)壓縮機(jī)的比功率（Specific Power）或比能量（Specific Energy）指標(biāo)來(lái)?yè)Q算。
比功率表示的是輸出單位體積流量壓縮空氣所需的平均電功率，單位為kW/(m3/min)；
比能量表示的是輸出單位體積壓縮空氣所需的平均耗電量（kW·h/m3）。
從以上定義可以看出，兩者雖然名稱不同，但表示的是同一概念，在單位上可以相互換算。
例如某空壓機(jī)的額定功率為75kW，額定輸出流量為12m3/min，則其比功率為
其比能量為:
因此，通過(guò)比功率或比能量就可進(jìn)行空氣消耗量的能耗換算。例如某設(shè)備的空氣消耗量為1.0m3/min(ANR)，其所在企業(yè)空壓機(jī)的比功率為6.25kW/(m3/min)，空壓機(jī)入口處的大氣壓力為101.3kPa，大氣溫度為30℃，該設(shè)備的實(shí)際用氣能耗可按以下步驟計(jì)算。將設(shè)備耗氣轉(zhuǎn)換成空壓機(jī)入口處大氣狀態(tài)下的體積流量：
用比功率進(jìn)行能量計(jì)算:
空壓機(jī)房的比能量，通常是指空壓機(jī)房在一段時(shí)間內(nèi)耗電總量和輸出的壓縮空氣總量的比值。這個(gè)比值一般會(huì)作為整個(gè)企業(yè)壓縮空氣價(jià)格的計(jì)算依據(jù)。
如某空壓機(jī)房，輸出100m3(ANR)的壓縮空氣，耗電量為12kW·h，則該空壓機(jī)房的比能量為11/100kW·h/m3=0.12kW·h/m3。如果該企業(yè)的平均電價(jià)為0.7元/kW·h，則該企業(yè)的壓縮空氣的價(jià)格為0.12kW·h/m3×0.7元/kW·h=0.084元/m3。
再如某設(shè)備的空氣消耗量為MPa/kPa（ANR），其所在工廠氣源的比能量為0.12kW·h/m3（ANR）時(shí)，該設(shè)備的實(shí)際用氣能耗可按公式計(jì)算。P=qα=1.0×60×0.12kW·h=7.2kW。
因此，用比功率、比能量的概念，就能看出空壓機(jī)或設(shè)備的能效狀況。這種能量消耗評(píng)價(jià)體系，盡管可以評(píng)價(jià)設(shè)備最終的用氣能耗，但具有以下兩個(gè)缺點(diǎn)。
1)表示設(shè)備特性之一的空氣消耗量不具有能量單位，不能獨(dú)立地表示設(shè)備能耗，設(shè)備能耗還依賴于所用氣源的比能量。
2)無(wú)法對(duì)氣源輸出端到設(shè)備使用端的中間環(huán)節(jié)的能量損失做出量化，比如管道壓力損失導(dǎo)致的能量損失無(wú)法計(jì)算。
要克服以上缺點(diǎn)，必須提出一個(gè)新的概念，這個(gè)概念既獨(dú)立于氣源，同時(shí)又與壓力變化相關(guān)的能量消耗評(píng)價(jià)量，如同電力只取決于電壓與電流一樣，該評(píng)價(jià)量應(yīng)只取決于壓縮空氣的當(dāng)前狀態(tài)，這個(gè)評(píng)價(jià)量就是氣動(dòng)功率。
2.氣動(dòng)功率
根據(jù)熱力學(xué)理論，流動(dòng)空氣的能量由焓（H）、運(yùn)動(dòng)能和勢(shì)能組成。其中，運(yùn)動(dòng)能和勢(shì)能比較小，以致可以忽略不計(jì)，而焓由內(nèi)能（U）與傳遞功（Pv）組成。
所以，流動(dòng)空氣的能量可以表示為H=U+Pv=mCpθ。
式中m——空氣質(zhì)量；
Cp——空氣質(zhì)量定壓熱容;
θ——空氣溫度。
根據(jù)上公式，空氣的能量取決于空氣的質(zhì)量和溫度，與壓力無(wú)關(guān)。即使是大氣狀態(tài)的空氣，也含有大量的焓。對(duì)于氣動(dòng)系統(tǒng)內(nèi)的能量轉(zhuǎn)換，可直觀地考慮為空壓機(jī)電動(dòng)機(jī)先做功將空氣壓縮，并將做功能量?jī)?chǔ)存到壓縮空氣中，隨后壓縮后的空氣在氣缸等執(zhí)行元件處將該能量釋放輸出機(jī)械能，實(shí)現(xiàn)動(dòng)力傳遞的目的。這樣，儲(chǔ)存在壓縮空氣中的能量伴隨空氣的壓縮或膨脹而遞減，具有與焓完全不同的性質(zhì)。因而，焓不能表示氣動(dòng)系統(tǒng)中儲(chǔ)存在壓縮空氣中的能量。
為考察壓縮空氣中的能量，討論壓縮空氣的對(duì)外做功能力，即壓縮空氣所含焓中可轉(zhuǎn)換成機(jī)械能的部分，該部分能量被稱為壓縮空氣的有效能。
根據(jù)相關(guān)參考文獻(xiàn)，氣動(dòng)系統(tǒng)中壓縮空氣的有效能定義為：以大氣溫度和壓力狀態(tài)為外界基準(zhǔn)，壓縮空氣具有對(duì)外做功的能力。該有效能是一個(gè)相對(duì)于大氣狀態(tài)基準(zhǔn)的相對(duì)量，是建立在氣動(dòng)系統(tǒng)都工作在大氣環(huán)境下這樣一個(gè)事實(shí)基礎(chǔ)上的。有效能在大氣溫度下可用以下公式表達(dá)：
式中E——有效能；
p——壓縮空氣絕對(duì)壓力；
V——壓縮空氣體積；
pa——大氣絕對(duì)壓力。
根據(jù)該公式，有效能取決于空氣的壓力和體積，在空氣壓力等于大氣壓力時(shí)，有效能為零，壓力越高有效能值越大。
例如，絕對(duì)壓力0.8MPa、流量1000 L/min（ANR）的壓縮空氣的氣動(dòng)功率為3.49kW。從單位kW可以看出，氣動(dòng)功率使工廠中的壓縮空氣可以與電力一樣，在kW單位下統(tǒng)一起來(lái)進(jìn)行能量消耗管理。
【壓縮機(jī)網(wǎng)】氣動(dòng)是工業(yè)三大動(dòng)力之一，不僅廣泛應(yīng)用于各種制造行業(yè)，而且是航空航天、造船、高鐵、半導(dǎo)體、醫(yī)藥等行業(yè)多種高端裝備中不可替代的組成部分。隨著我國(guó)工業(yè)化水平的不斷提升，我國(guó)對(duì)氣動(dòng)設(shè)備的需求不斷增加，在工業(yè)生產(chǎn)中平均占據(jù)工廠總耗電量的9%，有些工廠甚至高達(dá)45%，壓縮空氣系統(tǒng)已不可避免地成為節(jié)能工作的主要對(duì)象。在能源問(wèn)題突出的今天，氣動(dòng)系統(tǒng)使用中浪費(fèi)嚴(yán)重等問(wèn)題已然引起了人們的廣泛關(guān)注，氣動(dòng)系統(tǒng)的節(jié)能在我國(guó)正成為一個(gè)重要而迫切的課題。
一、壓縮空氣系統(tǒng)組成
壓縮空氣系統(tǒng)由氣源設(shè)備和氣源處理元件、氣動(dòng)執(zhí)行元件、氣動(dòng)控制元件、氣動(dòng)輔助元件、真空元件以及其它元器件組成，如圖1所示。
1.氣源設(shè)備
(1)空壓機(jī)（全稱空氣壓縮機(jī)）的作用是將電能轉(zhuǎn)化成壓縮空氣的壓力能，供氣動(dòng)設(shè)備使用。空壓機(jī)按照工作原理分為活塞式空壓機(jī)、螺桿式空壓機(jī)、離心式空壓機(jī)。
(2)后冷卻器。后冷卻器（如圖2）的作用是將空壓機(jī)出口的高溫空氣冷卻至40℃以下，將大量水蒸氣和油霧冷凝成液態(tài)水滴和油滴，以便將它們清除。
(3)儲(chǔ)氣罐。儲(chǔ)氣罐的作用是消除壓力脈動(dòng)；依靠絕熱膨脹及自然冷卻降溫，進(jìn)一步分離掉壓縮空氣中的水分和油分；貯存一定量的氣體，一方面可緩和短時(shí)間內(nèi)用氣量大于空壓機(jī)輸出氣量的矛盾，另一方面可在空壓機(jī)出現(xiàn)故障或停電時(shí)，維持短時(shí)間的供氣，以便保證氣動(dòng)設(shè)備的安全，如圖3所示。
(4)管路系統(tǒng)指從氣源到末端用氣設(shè)備的氣體輸送管路。
2.氣源處理元件
從空壓機(jī)輸出的壓縮空氣中含有大量的水分、油分和粉塵等污染物，必須使用氣源處理元件適當(dāng)清除這些污染物，以避免它們對(duì)氣動(dòng)系統(tǒng)的正常工作造成危害。氣源處理元件主要包括：自動(dòng)排水器、過(guò)濾器、干燥機(jī)、空氣組合元件等。
(1)自動(dòng)排水器。自動(dòng)排水器主要用于排出管道低處和油水分離器、氣罐及各種過(guò)濾器底部等處的冷凝水。它可安裝于不便進(jìn)行人工排污水的地方，如高處、低處、狹窄處，以防止人工排水被遺忘而造成壓縮空氣被冷凝水重新污染。自動(dòng)排水器分為氣動(dòng)自動(dòng)排水器和電動(dòng)自動(dòng)排水器，如圖4所示。
(2)過(guò)濾器。過(guò)濾器分為主管路過(guò)濾器、空氣過(guò)濾器、油霧分離器、微霧分離器、超微霧分離器以及除臭過(guò)濾器和水滴分離器。它們的作用是清除空氣中的油污、粉塵、水滴以及有害氣體等，以獲得潔凈的壓縮空氣，如圖5所示。
(3)干燥機(jī)。壓縮空氣經(jīng)后冷卻器、油水分離器、氣罐、主管路過(guò)濾器得到凈化后，仍含有一定量的水蒸氣，使用干燥機(jī)來(lái)進(jìn)一步清除水蒸氣，但不能依靠它清除油分。干燥機(jī)有冷凍式、吸附式和高分子隔膜式等，如圖6所示。
(4)空氣組合元件。為了得到多種功能，將空氣過(guò)濾器、減壓閥和油霧器等元件進(jìn)行不同的組合，就構(gòu)成了空氣組合元件。氣動(dòng)三聯(lián)件為常見(jiàn)的空氣組合元件，是由空氣過(guò)濾器、減壓閥和油霧器組成的，如圖7所示。
3.氣動(dòng)執(zhí)行元件
將壓縮空氣的壓力能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)作往復(fù)運(yùn)動(dòng)、擺動(dòng)和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的元件，稱為氣動(dòng)執(zhí)行元件。
主要有直線氣缸、擺動(dòng)氣缸和氣爪等，如圖8所示。
4.氣動(dòng)控制元件
通過(guò)它們改變工作介質(zhì)的壓力、流量或流動(dòng)方向來(lái)實(shí)現(xiàn)執(zhí)行元件所規(guī)定的運(yùn)動(dòng)，如各種壓力、流量、方向控制閥和各種氣動(dòng)邏輯元件。氣動(dòng)控制元件主要包括壓力控制閥、流量控制閥、方向控制閥、電氣比例閥。
(1)壓力控制閥。壓力控制閥主要有減壓閥和增壓閥。減壓閥是將較高的進(jìn)口壓力調(diào)節(jié)并降低到符合使用要求的出口壓力的一種裝置，其出口側(cè)壓力可調(diào)，并能保持出口側(cè)壓力穩(wěn)定的壓力控制閥，如圖9所示。增壓閥是將系統(tǒng)中的低壓氣體按比例轉(zhuǎn)化為高壓氣體的一種裝置，如圖10所示。
(2)流量控制閥。流量控制閥的作用是控制壓縮空氣的流量，它可以控制氣缸運(yùn)動(dòng)速度、信號(hào)延遲時(shí)間、油霧器的滴油量、氣缸的緩沖能力等，如圖11所示。
(3)方向控制閥。常用的方向控制閥有電磁換向閥、氣控?fù)Q向閥以及人力換向閥。如圖12、13、14。
(4)電氣比例閥。電氣比例控制屬于連續(xù)控制，其特點(diǎn)是輸出量隨輸入量的變化而變化，輸出量與輸入量之間存在一定的比例關(guān)系。電氣比例閥如圖15所示。
5.氣動(dòng)輔助元件
氣動(dòng)輔助元件主要有消聲器、排氣潔凈器和管接頭及氣管等。
(1)消聲器和排氣潔凈器。消聲器是允許氣流通過(guò)，卻又能阻止或減小聲音傳播的一種器件，是消除空氣動(dòng)力性噪聲的重要元件。排氣潔凈器可減低噪聲及油霧的污染，以保持寧?kù)o清潔的工作環(huán)境，分別如圖16、圖17所示。
(2)管接頭及氣管。管接頭及氣管是將上述各種氣動(dòng)元件進(jìn)行連接的輔助元件，如圖18所示。
通過(guò)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的空氣壓縮機(jī)，將大氣壓狀態(tài)下的空氣壓縮成具有較高壓力的壓縮空氣，經(jīng)過(guò)空氣凈化設(shè)備除去壓縮空氣中所含的水分、油分和塵埃等污染物，干燥潔凈的壓縮空氣經(jīng)過(guò)傳輸管路到達(dá)執(zhí)行元件以及末端用氣設(shè)備。
二、空壓機(jī)的能耗
工廠內(nèi)的用電設(shè)備主要有：照明設(shè)備、空調(diào)設(shè)備、電熱設(shè)備、給排水設(shè)備、動(dòng)力設(shè)備和制造設(shè)備等。作為重要?jiǎng)恿υO(shè)備的空氣壓縮機(jī)耗電量平均占工廠內(nèi)用電設(shè)備的總用電量的9%，這個(gè)數(shù)據(jù)是非常驚人的，這也是從業(yè)者長(zhǎng)期關(guān)注節(jié)能的重點(diǎn)，本文不再贅述。
三、壓縮空氣的成本及其計(jì)算方法
1.壓縮空氣的成本
壓縮空氣盡管來(lái)自于大氣，不是資源性氣體，但并非免費(fèi)使用。為制造壓縮空氣，工業(yè)空氣壓縮機(jī)需要消耗大量的電力。另外，企業(yè)還需負(fù)擔(dān)工業(yè)空氣壓縮機(jī)的購(gòu)置費(fèi)用、維護(hù)費(fèi)用以及潤(rùn)滑油費(fèi)用等。空壓機(jī)生命周期成本的絕大部分為電費(fèi)成本，占整個(gè)生命周期的84%左右，如圖19所示。
空氣消耗量是指氣動(dòng)設(shè)備單位時(shí)間或一個(gè)動(dòng)作循環(huán)下所消耗空氣的體積。通常，該體積用換算到標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)（100kPa、20℃、相對(duì)濕度65%，以下用ANR表示）下的體積來(lái)表示，單位為L(zhǎng)/min（ANR）或L（ANR）。
空氣消耗量是當(dāng)前評(píng)價(jià)氣動(dòng)設(shè)備耗氣的主要指標(biāo)，在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)被廣泛采用。由于空氣消耗量表示的是體積而不是能量，所以用它來(lái)表示能量消耗時(shí)需通過(guò)空壓機(jī)氣源的比能量指標(biāo)來(lái)?yè)Q算。空壓機(jī)的比能量：輸出單位體積壓縮空氣所需的平均耗電量，單位kW·h/m3（ANR）。空壓機(jī)的比能量因空壓機(jī)和輸出壓力而異。若輸出壓力為0.7MPa（G），一般工廠主要型號(hào)空壓機(jī)的比能量為0.08～0.12kW·h/m3（ANR），一般取0.10kW·h/m3（ANR）。工業(yè)用電平均電費(fèi)取0.7元/kW·h，則壓縮空氣的成本為0.07元/m3（ANR）。
案例:某司壓縮空氣成本計(jì)算。該公司共有1期和2期兩個(gè)空壓機(jī)房，#1～#6空壓機(jī)在1期機(jī)房，#7～#14空壓機(jī)在2期機(jī)房。其中，低壓空壓機(jī)（0.83MPa）11臺(tái)，中壓空壓機(jī)（1.4MPa）3臺(tái)，具體配置如表1和表2所示。
空壓機(jī)每年的電力消費(fèi)約為480萬(wàn)kW·h，由此可計(jì)算出空壓機(jī)耗電量每月隨產(chǎn)量變化而波動(dòng)的情況，每月平均耗電量為40萬(wàn)kW·h（因#7空壓機(jī)沒(méi)有安裝電表，故不含#7空壓機(jī))。由表1和表2可得，10臺(tái)75kW、3臺(tái)37kW的壓縮機(jī)每月耗電量為40萬(wàn)kW·h，相當(dāng)于14臺(tái)空壓機(jī)每月滿負(fù)荷工作465h，除去星期日，相當(dāng)于每天滿負(fù)荷工作17.9h，空壓機(jī)設(shè)備資源處于非常緊張的使用狀態(tài)。
(1)低壓壓縮空氣（0.83MPa）
11臺(tái)低壓空壓機(jī)的總額定功率為825kW。
11臺(tái)低壓空壓機(jī)的總產(chǎn)氣量為132m3/min。
所以，比能量為：825/132/60kW·h/m3=0.1042kW·h/m3。電費(fèi)平均單價(jià)按0.7元/kW·h計(jì)算，電費(fèi)占比按80%計(jì)算，壓縮空氣的成本為0.091元/m3。
(2)中壓壓縮空氣（1.4MPa）3臺(tái)中壓空壓機(jī)的總額定功率為111kW。
3臺(tái)中壓空壓機(jī)的總產(chǎn)氣量為11.1m3/min。
所以，比能量為：111/11.1/60=0.1667 kW·h/m3。
電費(fèi)平均單價(jià)按0.7元/kW·h計(jì)算，電費(fèi)占比按85%計(jì)算，壓縮空氣的成本為0.137元/m3。
四、壓統(tǒng)空氣系統(tǒng)的能效評(píng)價(jià)
目前，壓縮空氣系統(tǒng)的能效評(píng)價(jià)主要有兩種方法：空氣消耗量和氣動(dòng)功率。
1.空氣消耗量
空氣消耗量是一種傳統(tǒng)的評(píng)價(jià)體系，是指氣動(dòng)設(shè)備單位時(shí)間或一個(gè)動(dòng)作循環(huán)下所耗空氣的體積。通常，該體積用換算到標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)（100kPa、相對(duì)濕度65%、20℃以下用ANR表示）下的體積來(lái)表示，單位為m3/min(ANR)或L/min(ANR)。空氣消耗量是當(dāng)前評(píng)價(jià)氣動(dòng)設(shè)備耗氣的主要指標(biāo)，在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)被廣泛使用。
由于空氣消耗量表示的是體積而不是能量，所以用它來(lái)表示能量消耗時(shí)需通過(guò)壓縮機(jī)的比功率（Specific Power）或比能量（Specific Energy）指標(biāo)來(lái)?yè)Q算。
比功率表示的是輸出單位體積流量壓縮空氣所需的平均電功率，單位為kW/(m3/min)；
比能量表示的是輸出單位體積壓縮空氣所需的平均耗電量（kW·h/m3）。
從以上定義可以看出，兩者雖然名稱不同，但表示的是同一概念，在單位上可以相互換算。
例如某空壓機(jī)的額定功率為75kW，額定輸出流量為12m3/min，則其比功率為
其比能量為:
因此，通過(guò)比功率或比能量就可進(jìn)行空氣消耗量的能耗換算。例如某設(shè)備的空氣消耗量為1.0m3/min(ANR)，其所在企業(yè)空壓機(jī)的比功率為6.25kW/(m3/min)，空壓機(jī)入口處的大氣壓力為101.3kPa，大氣溫度為30℃，該設(shè)備的實(shí)際用氣能耗可按以下步驟計(jì)算。將設(shè)備耗氣轉(zhuǎn)換成空壓機(jī)入口處大氣狀態(tài)下的體積流量：
用比功率進(jìn)行能量計(jì)算:
空壓機(jī)房的比能量，通常是指空壓機(jī)房在一段時(shí)間內(nèi)耗電總量和輸出的壓縮空氣總量的比值。這個(gè)比值一般會(huì)作為整個(gè)企業(yè)壓縮空氣價(jià)格的計(jì)算依據(jù)。
如某空壓機(jī)房，輸出100m3(ANR)的壓縮空氣，耗電量為12kW·h，則該空壓機(jī)房的比能量為11/100kW·h/m3=0.12kW·h/m3。如果該企業(yè)的平均電價(jià)為0.7元/kW·h，則該企業(yè)的壓縮空氣的價(jià)格為0.12kW·h/m3×0.7元/kW·h=0.084元/m3。
再如某設(shè)備的空氣消耗量為MPa/kPa（ANR），其所在工廠氣源的比能量為0.12kW·h/m3（ANR）時(shí)，該設(shè)備的實(shí)際用氣能耗可按公式計(jì)算。P=qα=1.0×60×0.12kW·h=7.2kW。
因此，用比功率、比能量的概念，就能看出空壓機(jī)或設(shè)備的能效狀況。這種能量消耗評(píng)價(jià)體系，盡管可以評(píng)價(jià)設(shè)備最終的用氣能耗，但具有以下兩個(gè)缺點(diǎn)。
1)表示設(shè)備特性之一的空氣消耗量不具有能量單位，不能獨(dú)立地表示設(shè)備能耗，設(shè)備能耗還依賴于所用氣源的比能量。
2)無(wú)法對(duì)氣源輸出端到設(shè)備使用端的中間環(huán)節(jié)的能量損失做出量化，比如管道壓力損失導(dǎo)致的能量損失無(wú)法計(jì)算。
要克服以上缺點(diǎn)，必須提出一個(gè)新的概念，這個(gè)概念既獨(dú)立于氣源，同時(shí)又與壓力變化相關(guān)的能量消耗評(píng)價(jià)量，如同電力只取決于電壓與電流一樣，該評(píng)價(jià)量應(yīng)只取決于壓縮空氣的當(dāng)前狀態(tài)，這個(gè)評(píng)價(jià)量就是氣動(dòng)功率。
2.氣動(dòng)功率
根據(jù)熱力學(xué)理論，流動(dòng)空氣的能量由焓（H）、運(yùn)動(dòng)能和勢(shì)能組成。其中，運(yùn)動(dòng)能和勢(shì)能比較小，以致可以忽略不計(jì)，而焓由內(nèi)能（U）與傳遞功（Pv）組成。
所以，流動(dòng)空氣的能量可以表示為H=U+Pv=mCpθ。
式中m——空氣質(zhì)量；
Cp——空氣質(zhì)量定壓熱容;
θ——空氣溫度。
根據(jù)上公式，空氣的能量取決于空氣的質(zhì)量和溫度，與壓力無(wú)關(guān)。即使是大氣狀態(tài)的空氣，也含有大量的焓。對(duì)于氣動(dòng)系統(tǒng)內(nèi)的能量轉(zhuǎn)換，可直觀地考慮為空壓機(jī)電動(dòng)機(jī)先做功將空氣壓縮，并將做功能量?jī)?chǔ)存到壓縮空氣中，隨后壓縮后的空氣在氣缸等執(zhí)行元件處將該能量釋放輸出機(jī)械能，實(shí)現(xiàn)動(dòng)力傳遞的目的。這樣，儲(chǔ)存在壓縮空氣中的能量伴隨空氣的壓縮或膨脹而遞減，具有與焓完全不同的性質(zhì)。因而，焓不能表示氣動(dòng)系統(tǒng)中儲(chǔ)存在壓縮空氣中的能量。
為考察壓縮空氣中的能量，討論壓縮空氣的對(duì)外做功能力，即壓縮空氣所含焓中可轉(zhuǎn)換成機(jī)械能的部分，該部分能量被稱為壓縮空氣的有效能。
根據(jù)相關(guān)參考文獻(xiàn)，氣動(dòng)系統(tǒng)中壓縮空氣的有效能定義為：以大氣溫度和壓力狀態(tài)為外界基準(zhǔn)，壓縮空氣具有對(duì)外做功的能力。該有效能是一個(gè)相對(duì)于大氣狀態(tài)基準(zhǔn)的相對(duì)量，是建立在氣動(dòng)系統(tǒng)都工作在大氣環(huán)境下這樣一個(gè)事實(shí)基礎(chǔ)上的。有效能在大氣溫度下可用以下公式表達(dá)：
式中E——有效能；
p——壓縮空氣絕對(duì)壓力；
V——壓縮空氣體積；
pa——大氣絕對(duì)壓力。
根據(jù)該公式，有效能取決于空氣的壓力和體積，在空氣壓力等于大氣壓力時(shí)，有效能為零，壓力越高有效能值越大。
例如，絕對(duì)壓力0.8MPa、流量1000 L/min（ANR）的壓縮空氣的氣動(dòng)功率為3.49kW。從單位kW可以看出，氣動(dòng)功率使工廠中的壓縮空氣可以與電力一樣，在kW單位下統(tǒng)一起來(lái)進(jìn)行能量消耗管理。
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