目前企业将两级喷油压缩机，作为提升压缩机性能的主要应用手段。本文通过计算两级喷油双螺杆空压机的理论热力性能，如内容积比、容积流量、绝热效率等等，并与单级压缩机对比其计算结果，对两级压缩如何节能进行分析。
1 引言
2009年12月1日起实施GB 19153-2009《容积式空气压缩机能效限定值及能效等级》，其对空压机的能效等级、试验方法及检测规则进行了具体的规定，对近几年空压机产品的发展有指向作用。目前90 kW以上机组往往无法通过单级压缩达到的1级能效。有些企业采用两级压缩来提高喷油螺杆空气压缩机的能效，达一级能效。
本文通过计算两级喷油螺杆空气压缩机的理论热力性能，分析其比单级压缩能效高的原因，同时对两级压缩的设计提供可行性的建议，旨在为两级螺杆空气压缩机提供合理的设计指导。
2 绝热效率计算
按压缩机理论，压缩机的等熵绝热功率Pad可按下式计算：
(1)
式中：Pad ——压缩机的等熵绝热功率；
Ps ——压缩机的吸气压力；
Pd ——压缩机的排气压力；
k  ——被压缩气体等熵绝热指数，k=1.4；
qv ——压缩机的实际容积流量。
而实际压缩功率等于绝热功率除以绝热效率。计算公式如下：
(2)
如表1，以GB 19153-2009中水冷机组1级能效比功率，推算出了要达1级能效机组所需要的主机机体所需的绝热效率。从表中看出，各压力下，输入功率越大的1级能效机组，对绝热效率要求越高。在目前国内螺杆空压机设计与制造水平下，单级90 kW以上机组很难达到。故采用两级压缩方式提高绝热效率。
3 两级压缩的效率分析
两级压缩能提高压缩机的能效，主要基于以下两个原因：一是降低了每级的压比，从而减少每级的内外泄漏，提高了每一级的容积效率和绝热效率；二是级排出的油气混合物，在进入第二级吸气前，油与气体可充分混后，起到级间冷却的作用，这使得第二级压缩过程趋近等温压缩过程，提高压缩机的能效。
3.1两级的压力配比
从以往热力学理论来讲，采用等压比方式设计多级压缩机。这种分配方法在理论上能达到低耗功，提高效率。然而由于机组元器件、管路损失等原因，机体必然存在吸气和排气压力损失，导致机体实际工况的压比与理论设计存在偏差。
且实际工况下，因二级会吹孔回漏原因，中间压力会往上产生偏移，并且二级进气温度，也很大程度上影响中间压力的设计。
根据根据理想气体方程式：
(3)
由公式（1）得出两级压缩理论绝热总功率计算公式如下：
(4)
式中：
d——中间压力
本文以汉钟双电机驱动两级压缩机体做测试实验研究，机体模型如图1。通过测试数据、公式(3)和(4)计算每一级的绝热效率。将总体绝热效率、一级和二级压缩的绝热效率做成图2。
图1 汉钟双永磁电机驱动的两级压缩机体组装图
本文以8bar，90kW双电机驱动两级压缩机体做测试实验研究，机体模型如图1。测试数据如表2，通过计算，将总体绝热效率、一级和二级压缩的绝热效率做成图2。
表2 两级压缩机体的绝热效率
如图2结果显示，在不同中间压力下，两级压缩机体的绝热效率都有提升，满足1级能效机组要求；优中间压力产生偏移，中间绝对压力在3.3bar，即级压比与第二级压比的比值为1.21时，性能优。在理论中间压力与实际优中间压力之间，性能误差为1%以内，分析其原因：二级会吹孔泄漏引起中间压力往上偏移，后调整内压比分配比值调整为1.1验证测试，性能有提升1%。
图2  各级绝热效率图
测试两级压缩机机体的不同排气压力，记录在其佳性能点时的中间压力，并取吸气压力损失1%和排气压力损失3%，计算其理论佳中间压力，得表3。绝压0.9MPa以下的两级外压比分配比例近似等于1.2，但随着排气压力升高，二级内泄漏越大，导致外压比分配值升高，而内压比分值要略小于外压比分配值，才能机体性能达优化。
表3 不同排气下的压比分配
3.2 级间冷却
在理论上，等温压缩为压缩所耗的功是少的。所以两级压缩为降低二级吸气温度，采用中间冷却方式，使二段趋近等温压缩。现压缩机体厂家多采用级间喷油强制冷却方式。此方案相对于中间冷却器，成本更低，机组结构更紧凑。级间喷油冷却效果取决于油的换热效果。其常用手段有二种：一是增大换热温差，即降低喷油温度；二是增大换热速度，即增大油滴的表面积，其决定了热交换的速度。
标准大气压下，自然油滴的容积为30mm3左右，直径约为3.87mm，雾化较好的油滴平均直径为100～152μm。表面积增大了25.44倍。喷油雾化程度差时，油滴外表面参与了热交换，油滴内心来不及热交换，形成冷心，无助于降低二级吸气温度，在第二级压缩开始时，也无助于提升二级效率。
影响油滴的大小的因数：一是油的粘度，油滴的直径与粘度的0.215次方成正比；二是喷油孔的大小，油滴的大小与其孔径的0.4～0.65次方成正比；三是喷油压力，油滴大小与压力的0.35～0.5次方成反比；四是喷嘴的结构，好的雾化喷嘴可以得到直径约为15～60μm的油滴。
4.结论
本文通过计算喷油螺杆空气压缩机的理论热力性能，对比分析得出以下结论：
（1）两级压缩在容积效率和绝热效率上优于单级压缩。如果90 kW以上机组做一级能效，双级压缩更容易实现。
（2）两级压缩的压比分配，应考虑二级泄漏三角形对中压的影响，外压比分配值1.2左右，内压比分配值应在1.1左右。
（3）级间冷却效果有助于提升二级效率，级间喷油冷却效果主要取决于油的雾化效果。
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