風(fēng)冷螺桿空壓機(jī)測(cè)試系統(tǒng)及環(huán)境參數(shù)對(duì)性能影響研究

周浩然，張 良，楊玉麒，葉方平

（1.上海理工大學(xué) 上海市動(dòng)力工程多相流動(dòng)與傳熱重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200093；2.浙江新勁空調(diào)設(shè)備有限公司，浙江龍泉 323799）

0 引言

空氣壓縮機(jī)（簡(jiǎn)稱空壓機(jī)）作為壓縮空氣的生產(chǎn)設(shè)備，起到了將電能轉(zhuǎn)化為空氣壓能的作用［1］。在工業(yè)生產(chǎn)中，壓縮機(jī)的用電量占到了全國(guó)發(fā)電量的9%以上［2］，其性能直接關(guān)系到能源的轉(zhuǎn)換效率，對(duì)碳排放量起到了較大影響，成為我國(guó)能否如期達(dá)到“雙碳”目標(biāo)的重要影響因素。研究空壓機(jī)設(shè)備性能影響因素，并對(duì)設(shè)備進(jìn)行準(zhǔn)確有效的性能測(cè)試就顯得尤為重要。

對(duì)于風(fēng)冷螺桿空壓機(jī)，因其可靠性高，螺桿壓縮機(jī)零部件少，沒(méi)有易損件，安裝環(huán)境的適應(yīng)力強(qiáng)，冷卻系統(tǒng)簡(jiǎn)單可靠，設(shè)備可拆卸、方便維修移動(dòng)等優(yōu)點(diǎn)，越來(lái)越受到市場(chǎng)的歡迎［3-4］。隨著市場(chǎng)規(guī)模的擴(kuò)大，空壓機(jī)逐步由傳統(tǒng)的中小型向大型化發(fā)展。在設(shè)備實(shí)際使用中，空壓機(jī)僅有約為15%的電能用來(lái)壓縮空氣，剩余85%的能量以熱量的形式散失到周圍的環(huán)境中［5］。對(duì)于大型空壓機(jī)，散失的熱量總量大，會(huì)使得設(shè)備周圍空氣溫度、濕度狀態(tài)迅速變化，對(duì)空壓機(jī)進(jìn)口空氣狀態(tài)造成較大影響，從而影響壓縮機(jī)的工作效率［6］。為了滿足大功率空壓機(jī)的散熱要求，防止環(huán)境溫度波動(dòng)對(duì)空壓機(jī)性能的影響，測(cè)試和安裝環(huán)境的空調(diào)系統(tǒng)和氣流組織就顯得尤為重要［7］。

張志恒等［8］通過(guò)對(duì)3.5 m3/min 的小型螺桿空壓機(jī)進(jìn)行變工況試驗(yàn)，分析了影響空壓機(jī)性能的多種因素，發(fā)現(xiàn)空壓機(jī)系統(tǒng)性能不僅與主機(jī)相關(guān)，輔助設(shè)備的選擇、系統(tǒng)的裝配也很關(guān)鍵，并給出了進(jìn)口空氣速度的合適范圍（吸氣控制閥進(jìn)氣口的流速應(yīng)控制在10～20 m/s 范圍內(nèi)，油氣分離器進(jìn)口氣體流速應(yīng)控制在15 m/s 左右）；梁昌水等［9］依托于空壓機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)，研究取氣口位置對(duì)設(shè)備性能的影響，對(duì)3 種典型的取氣位置進(jìn)行比較分析，給出了不同工況下的最佳取氣位置；郝佳楠［3］以常用螺桿空氣壓縮機(jī)為研究對(duì)象，建立了能耗數(shù)學(xué)模型，量化分析了設(shè)備運(yùn)行時(shí)間、空壓機(jī)流量、壓縮空氣對(duì)系統(tǒng)機(jī)能的影響，從設(shè)備結(jié)構(gòu)和整體系統(tǒng)兩方面入手，通過(guò)改造閥門(mén)結(jié)構(gòu)，達(dá)到節(jié)能的效果；王凱等［10］采用計(jì)算機(jī)配合數(shù)據(jù)采集卡與LabVIEW 軟件編程組成小型空壓機(jī)性能的測(cè)試系統(tǒng)，為測(cè)試環(huán)境系統(tǒng)的軟件編程提供了參考。

上述文獻(xiàn)對(duì)空壓機(jī)性能測(cè)試系統(tǒng)的整體性研究相對(duì)較少［11-14］，只關(guān)注小型空壓機(jī)性能的影響因素、裝置的節(jié)能和測(cè)試系統(tǒng)的軟件選擇與編程，且缺少對(duì)大型空壓機(jī)測(cè)試環(huán)境的研究。本文結(jié)合實(shí)際應(yīng)用，設(shè)計(jì)研究了一種局部排風(fēng)的大型空壓機(jī)性能測(cè)試系統(tǒng)，并探究環(huán)境參數(shù)變化對(duì)空壓機(jī)容積流量和比功率的影響（文中將額定功率為9～37 kW 的空壓機(jī)定義為中小型空壓機(jī)，額定功率為37～250 kW 的空壓機(jī)定義為大型空壓機(jī)）。

1 空壓機(jī)性能測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)

針對(duì)空壓機(jī)測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要分為3 個(gè)部分：空壓機(jī)性能測(cè)試裝置、測(cè)試房間空氣處理系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集與軟件測(cè)試系統(tǒng)等。系統(tǒng)的整體框圖如圖1 所示。

圖1 測(cè)試系統(tǒng)的整體框圖Fig.1 Overall block diagram of test system

本文研究的空壓機(jī)測(cè)試環(huán)境，房間尺寸為13.8 m×6.3 m×5.2 m。東墻內(nèi)側(cè)存在尺寸為2.24 m×2.15 m×5.2 m 的測(cè)試系統(tǒng)控制機(jī)房。為了簡(jiǎn)化計(jì)算，將控制機(jī)房排除在空壓機(jī)測(cè)試環(huán)境之外。針對(duì)空調(diào)系統(tǒng)的不同運(yùn)行模式、不同運(yùn)行階段，分別計(jì)算了環(huán)境熱濕負(fù)荷。設(shè)計(jì)了全空氣的二次回風(fēng)和全新風(fēng)混合的定風(fēng)量的空氣處理系統(tǒng)，并采用上送上回的送風(fēng)方式，利用雙層百葉窗結(jié)合多葉調(diào)節(jié)閥對(duì)送風(fēng)角度和風(fēng)量進(jìn)行控制，以確保環(huán)境溫度、濕度的穩(wěn)定性。針對(duì)大型空壓機(jī)散熱量大的特點(diǎn)，采用局部排風(fēng)罩對(duì)測(cè)試環(huán)境的排風(fēng)進(jìn)行控制。測(cè)試房間內(nèi)布置9 個(gè)送風(fēng)口，每個(gè)送風(fēng)口尺寸為1.2 m×0.5 m，設(shè)置在空壓機(jī)兩側(cè)，距地面3.7 m?？諌簷C(jī)上方的散熱氣流為熱射流，依據(jù)空壓機(jī)上方的冷凝器出風(fēng)口和排風(fēng)罩的相對(duì)高度（H=1.3 m），通過(guò)虛擬極點(diǎn)修正法可求得排風(fēng)罩的尺寸［15-17］。測(cè)試環(huán)境的空調(diào)系統(tǒng)布置如圖2所示。

圖2 測(cè)試環(huán)境的空調(diào)系統(tǒng)布置Fig.2 Air conditioning system layout of test environment

利用LabVIEW 軟件編程，通過(guò)DAQ 模塊實(shí)現(xiàn)空壓機(jī)測(cè)試系統(tǒng)測(cè)試數(shù)據(jù)的采集和系統(tǒng)硬件的控制。

2 空壓機(jī)性能測(cè)試裝置及參數(shù)計(jì)算

本文研究的重點(diǎn)為風(fēng)冷螺桿空壓機(jī)，其性能參數(shù)的測(cè)量普遍為氣流流量測(cè)量，依據(jù)GB/T 15487—2015《容積式壓縮機(jī)流量測(cè)量方法》和GB/T 3853—2017《容積式壓縮機(jī)驗(yàn)收實(shí)驗(yàn)》，通過(guò)對(duì)比分析不同氣體流量測(cè)量的優(yōu)缺點(diǎn)，結(jié)合實(shí)際情況，最終選擇臨界文丘里噴嘴測(cè)試方式。

2.1 臨界文丘里噴嘴測(cè)試裝置

臨界文丘里噴嘴的風(fēng)冷螺桿空壓機(jī)容積流量測(cè)試裝置原理如圖3 所示。對(duì)于該流量測(cè)試裝置，存在內(nèi)外雙氣源。外部氣源由工廠提供，作為氣動(dòng)閥門(mén)的動(dòng)力源，保證系統(tǒng)的運(yùn)行。

圖3 容積流量測(cè)試裝置原理Fig.3 Schematic diagram of volumetric flow test device

測(cè)試開(kāi)始時(shí)，由被測(cè)空壓機(jī)輸送的壓縮空氣作為內(nèi)部氣源，經(jīng)壓縮空氣進(jìn)氣手閥的選擇進(jìn)入測(cè)試系統(tǒng)，經(jīng)過(guò)緩沖罐（用于保證空氣壓力的穩(wěn)定和測(cè)試氣體的連續(xù)性）。通過(guò)改變氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥的閥門(mén)開(kāi)度，調(diào)節(jié)空壓機(jī)的排氣壓力。通過(guò)對(duì)不同支路氣動(dòng)球閥的選擇，使得被測(cè)壓縮空氣經(jīng)過(guò)整流器后進(jìn)入不同尺寸的臨界文丘里噴嘴（12.7，19.05，25.4，31.75 mm），并由測(cè)試傳感器測(cè)得空氣狀態(tài)。最終壓縮空氣經(jīng)過(guò)消音器處理，降低分貝后排入環(huán)境。

2.2 空壓機(jī)性能參數(shù)的計(jì)算

對(duì)于臨界文丘里噴嘴，噴嘴狀態(tài)下質(zhì)量流量由式（1）（2）獲得。容積流量由式（3）～（8）獲得，最終將噴嘴處的容積流量（實(shí)際容積流量）根據(jù)氣體狀態(tài)方程換算為標(biāo)準(zhǔn)入口狀態(tài)條件下空氣的容積流量（標(biāo)準(zhǔn)容積流量）。GB 19153—2019《容積式空氣壓縮機(jī)能效限定值及能效等級(jí)》中規(guī)定，空壓機(jī)測(cè)試吸入口空氣溫度為20 ℃，壓力為0.1 MPa，相對(duì)濕度為0。

臨界流系數(shù)的計(jì)算式：

式中，C*為臨界流系數(shù)；t1為噴嘴上游氣體溫度，℃；p1為噴嘴上游氣體壓力，MPa。

臨界文丘里噴嘴的實(shí)際質(zhì)量流量qm的計(jì)算式：

式中，qm為流經(jīng)噴嘴的氣體質(zhì)量流量，kg/s；d為噴嘴直徑，mm；C為噴嘴流出系數(shù)，根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)及規(guī)定精度取C=0.988 8；R為氣體常數(shù)，J/（kg·K）；T1為噴嘴上游氣體溫度，K。

干空氣的壓力Pdry的計(jì)算式：

式中，Pdry為干空氣的壓力，MPa；Pat為測(cè)試環(huán)境壓力，MPa；φ為環(huán)境相對(duì)濕度；Pqb為飽和狀態(tài)下水蒸氣的分壓力，MPa。

0~200 ℃飽和水蒸氣的分壓力Pqb的計(jì)算式：式中，C8=-5.800 220 6×103；Ti為空壓機(jī)進(jìn)口空氣溫度，K；C9=1.391 499 3；C10=-4.864 023 9×10-2；C11=4.176 476 8×10-5；C12=-1.445 209 3×10-8；C13=6.545 967 3。

干空氣密度ρ的計(jì)算式：

式中，ρ為干空氣密度，kg/m3；Rm為干空氣的氣體常數(shù)，J/（kg·K），Rm=287.1 J/（kg·K）。

實(shí)際容積流量qv的計(jì)算式：

式中，qv為噴嘴工況條件下的容積流量（實(shí)際容積流量），m/min3；K1為轉(zhuǎn)速修正系數(shù)；K13為冷凝液修正系數(shù)，對(duì)于測(cè)試過(guò)程中有冷凝液析出的需進(jìn)行此項(xiàng)修正。

轉(zhuǎn)速修正系數(shù)K1的計(jì)算式：

式中，Ned為空壓機(jī)額定轉(zhuǎn)速；Nsd為空壓機(jī)測(cè)試設(shè)定轉(zhuǎn)速。

冷凝液修正系數(shù)K13的計(jì)算式：

式中，Pi為空壓機(jī)進(jìn)口壓力，MPa；Pqb為飽和狀態(tài)下水蒸氣的分壓力，MPa。

定頻空壓機(jī)比功率計(jì)算式：

式中，e為空氣壓縮機(jī)機(jī)組比功率，kW/（m3/min）；K14為機(jī)組比功率吸氣溫度修正系數(shù)。

吸氣溫度修正系數(shù)K14的計(jì)算式：

式中，Ti為空壓機(jī)進(jìn)口溫度實(shí)測(cè)值，K。

變轉(zhuǎn)速噴油回轉(zhuǎn)空氣壓縮機(jī)機(jī)組比功率，由滿負(fù)荷機(jī)組容積流量的100%，70%和40%時(shí)的機(jī)組比功率按下式加權(quán)計(jì)算為：

式中，eVC為變轉(zhuǎn)速噴油回轉(zhuǎn)空氣壓縮機(jī)機(jī)組比功率，kW/（m3/min）；eVC，a為規(guī)定工況下，變轉(zhuǎn)速噴油回轉(zhuǎn)空氣壓縮機(jī)滿負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，容積流量為a對(duì)應(yīng)的空氣壓縮機(jī)機(jī)組比功率，kW/（m3/min）；fa為權(quán)重系數(shù)，按表1 選??；a為對(duì)應(yīng)變轉(zhuǎn)速噴油回轉(zhuǎn)空氣壓縮機(jī)滿負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)100%，70%，40%容積流量的工況。

表1 變轉(zhuǎn)速噴油回轉(zhuǎn)空氣壓縮機(jī)機(jī)組比功率計(jì)算權(quán)重系數(shù)Tab.1 Weighting coefficient for specific power calculation of variable speed oil injection rotary air compressor unit %

2.3 測(cè)試裝置和不確定性分析

2.3.1 測(cè)試裝置

試驗(yàn)中測(cè)試裝置的相關(guān)參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 測(cè)試裝置Tab.2 Test Devices

2.3.2 不確定度分析

以質(zhì)量流量qm為例，如果用于流量qm計(jì)算的各獨(dú)立量為X1，X2，X3，…，Xn，流量可以用函數(shù)表示為：

且X1，X2，X3，…，Xn對(duì)應(yīng)的不確定度為δ X1，δ X2，δ X3，…，δ Xn，則流量的不確定度：

即：

式中，C為流出系數(shù)；ε為膨脹系數(shù)；d為噴嘴直徑；Δp為氣體流經(jīng)節(jié)流元件時(shí)的壓力差；ρ為測(cè)量位置氣體密度。

依據(jù)上述公式可求得質(zhì)量流量的不確定度為2.46%。同樣的，容積流量和比功率的不確定度也可求得，分別為2.51%和2.62%。

3 試驗(yàn)研究及結(jié)果分析

本文試驗(yàn)的重點(diǎn)分成2 個(gè)部分：（1）通過(guò)試驗(yàn)確保測(cè)試環(huán)境的穩(wěn)定性；（2）探究環(huán)境參數(shù)變化對(duì)空壓機(jī)容積流量和比功率的影響。

3.1 測(cè)試環(huán)境溫度場(chǎng)穩(wěn)定性驗(yàn)證

空壓機(jī)測(cè)試環(huán)境的穩(wěn)定性主要在于溫度場(chǎng)的穩(wěn)定，取決于2 個(gè)方面，一方面是空壓機(jī)上方排風(fēng)罩附近的溫度場(chǎng)穩(wěn)定性，另一方面是空壓機(jī)進(jìn)氣口附近的溫度場(chǎng)穩(wěn)定性。注重這2 個(gè)方面的意義在于，防止空壓機(jī)產(chǎn)生的廢熱沒(méi)有被排風(fēng)罩捕集，逸散到測(cè)試環(huán)境中，如果大量廢熱被空壓機(jī)進(jìn)氣口吸入，不僅會(huì)影響空壓機(jī)性能，還會(huì)影響空壓機(jī)的冷凝散熱效率，使空壓機(jī)內(nèi)部產(chǎn)生高溫，長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行甚至?xí)蠓鶞p小空壓機(jī)的使用壽命。

3.1.1 局部排風(fēng)罩捕集性能驗(yàn)證

本文綜合考慮各項(xiàng)因素，通過(guò)虛擬極點(diǎn)修正法確定了局部排風(fēng)罩結(jié)構(gòu)尺寸，有效地提高了排風(fēng)罩的整體性能。

表3 列出不同測(cè)試環(huán)境溫度下，距離排風(fēng)罩四周0.1 m 處，沿高度Z方向的實(shí)測(cè)溫度值。通過(guò)采集測(cè)試結(jié)果發(fā)現(xiàn)4 種溫度工況下，由于熱量外逸導(dǎo)致的最大溫升為0.40 ℃，相比于小排風(fēng)罩四周溫度升高的現(xiàn)象，大排風(fēng)罩周圍的環(huán)境溫升更小，原因在于，排風(fēng)罩捕集效果跟相對(duì)高度密切相關(guān)，但由于房間設(shè)計(jì)要求，小排風(fēng)罩相對(duì)空壓機(jī)上方冷凝器出風(fēng)口高度最低為1.3 m，暫未達(dá)到最佳相對(duì)高度，而大排風(fēng)罩相對(duì)高度已經(jīng)達(dá)到最佳。排風(fēng)罩附近最大溫升僅為0.40 ℃，滿足測(cè)試環(huán)境溫度均勻性為0.5 ℃的設(shè)計(jì)要求，認(rèn)為空壓機(jī)排出的熱量大部分被局部排風(fēng)罩捕集并帶離測(cè)試環(huán)境。

表3 不同測(cè)試環(huán)境溫度下排風(fēng)罩四周最大采集溫度Tab.3 Maximum collected temperature around the exhaust hood under different test ambient temperatures ℃

3.1.2 空壓機(jī)進(jìn)氣口溫度場(chǎng)穩(wěn)定性

圖4 示出在20 ℃的測(cè)試環(huán)境溫度下，房間溫度場(chǎng)穩(wěn)定后，某一時(shí)刻大空壓機(jī)（X=2.9 m）和小空壓機(jī)（X=4.2 m）在空壓機(jī)進(jìn)氣口中心位置（小空壓機(jī)Z=1.0 m，大空壓機(jī)Z=1.1 m）的溫度分布。從圖中可以看出，測(cè)量溫度在Y方向有所波動(dòng)，主要原因是在實(shí)際測(cè)試過(guò)程中，測(cè)試環(huán)境內(nèi)其他設(shè)備對(duì)溫度場(chǎng)產(chǎn)生干擾，以及空調(diào)送風(fēng)溫度存在波動(dòng)。但分析發(fā)現(xiàn)最大溫差僅為0.20 ℃，且最高溫度小于20.25 ℃。

圖4 20 ℃溫度場(chǎng)空壓機(jī)進(jìn)氣口采集溫度Fig.4 20℃ temperature field air compressor inlet acquisition temperature

表4 列出不同測(cè)試環(huán)境溫度下，房間溫度場(chǎng)穩(wěn)定后，30 min 內(nèi)的溫度最大值和最小值。分別測(cè)試了18，20，22，24 ℃共4 種工況條件下空壓機(jī)進(jìn)氣口在X方向的溫度均勻性。分析結(jié)果表明，18 ℃相比于24 ℃工況，均勻性數(shù)值相差較大。主要原因是廠房初始溫度為26 ℃，測(cè)試環(huán)境溫度越低，經(jīng)空調(diào)系統(tǒng)處理后，空氣的前后溫差越大，使得房間內(nèi)溫度均勻性有所下降，但由于設(shè)計(jì)空調(diào)系統(tǒng)風(fēng)量較大，送風(fēng)溫差較小，使得測(cè)試環(huán)境內(nèi)溫度均勻性可以滿足測(cè)試要求。

表4 不同測(cè)試環(huán)境溫度下空壓機(jī)進(jìn)氣口采集溫度Tab.4 Air compressor inlet acquisition temperature under different test ambient temperatures ℃

3.2 測(cè)試環(huán)境參數(shù)對(duì)空壓機(jī)性能的影響

影響風(fēng)冷螺桿空壓機(jī)性能的因素多種多樣，如陰陽(yáng)轉(zhuǎn)子的幾何參數(shù)、空壓機(jī)轉(zhuǎn)速、循環(huán)潤(rùn)滑油量、機(jī)組的阻力特性等。而本文通過(guò)測(cè)試，記錄大排風(fēng)罩下不同測(cè)試環(huán)境參數(shù)（環(huán)境溫度、環(huán)境相對(duì)濕度）下被測(cè)機(jī)組的性能變化趨勢(shì)，探究這2個(gè)因素對(duì)風(fēng)冷螺桿空壓機(jī)能效的影響。

針對(duì)企業(yè)研發(fā)的風(fēng)冷螺桿空壓機(jī)進(jìn)行性能測(cè)試，探究其在排氣壓力為0.7 MPa，不同環(huán)境溫度（18～30 ℃）和相對(duì)濕度（50%～90%）下，空壓機(jī)容積流量和比功率的變化。對(duì)每一工況進(jìn)行試驗(yàn)并記錄結(jié)果。

3.2.1 測(cè)試環(huán)境參數(shù)對(duì)空壓機(jī)容積流量的影響

在測(cè)試環(huán)境溫度場(chǎng)穩(wěn)定的基礎(chǔ)上，改變環(huán)境溫度和相對(duì)濕度，探究機(jī)組容積流量的變化?？諌簷C(jī)容積流量隨溫度和相對(duì)濕度的變化趨勢(shì)如圖5 所示。

圖5 空壓機(jī)修正后容積流量的變化Fig.5 Change of volume flow of air compressor after correction

從圖中可以看出，在測(cè)試溫度一定的情況下，隨著相對(duì)濕度的增加，機(jī)組的容積流量不斷增加，在測(cè)試溫度為30 ℃時(shí)容積流量變化最大，相對(duì)濕度在50%～90%的變化過(guò)程中，容積流量增加了1.89%。通過(guò)理論分析可知，隨著相對(duì)濕度的不斷增加，空氣密度下降，空氣中水蒸氣分壓力不斷上升，干空氣的分壓力下降，使得進(jìn)口干空氣的密度逐漸下降，吸氣壓力降低，冷凝液修正系數(shù)增大，雖然空壓機(jī)質(zhì)量流量有所波動(dòng)，但最終導(dǎo)致空壓機(jī)容積流量的上升。

隨著測(cè)試環(huán)境溫度的升高，容積流量在相對(duì)濕度小于75%時(shí)，趨勢(shì)并不明顯；當(dāng)相對(duì)濕度大于75%時(shí)，測(cè)試環(huán)境溫度越高，容積流量越大。原因在于，空壓機(jī)容積流量的變化，主要受空氣質(zhì)量流量和密度的雙重影響。

當(dāng)測(cè)試環(huán)境溫度升高且處于低環(huán)境濕度時(shí)，空氣質(zhì)量流量下降，空氣密度受到干空氣分壓力和空氣溫度的影響，使密度整體也呈下降的趨勢(shì)，但此時(shí)質(zhì)量流量的下降帶來(lái)的影響更大，表現(xiàn)為在相對(duì)濕度為50%時(shí)，在30 ℃工況下容積流量最小。但隨著相對(duì)濕度的增加，空氣密度變化的影響不斷增加，最終導(dǎo)致在高相對(duì)濕度區(qū)，由于水蒸氣分壓力不斷增加，致使干空氣的分壓力不斷減小，在干空氣分壓力下降與溫度升高的雙重影響下，空氣密度下降趨勢(shì)大于質(zhì)量流量的下降趨勢(shì)，空壓機(jī)的容積流量也隨之增加。在相對(duì)濕度為90%時(shí)變化最大，環(huán)境溫度在18～30 ℃的變化過(guò)程中，容積流量增加0.90%。

3.2.2 測(cè)試環(huán)境參數(shù)對(duì)空壓機(jī)比功率的影響

圖6 示出了各工況點(diǎn)下空壓機(jī)的比功率，從圖中可以看出，隨著測(cè)試環(huán)境溫度和相對(duì)濕度的增加，空壓機(jī)的比功率均增大，雖然相對(duì)濕度變化時(shí)，比功率有所波動(dòng)，但是整體趨勢(shì)依舊變大。在環(huán)境溫度一定的情況下，濕度在50%～90%的變化過(guò)程中，比功率最大增加1.03%。在相對(duì)濕度一定的情況下，環(huán)境溫度在18～30 ℃的變化過(guò)程中，比功率最大增加3.02%。

圖6 空壓機(jī)修正后比功率隨溫度的變化Fig.6 Change of specific power of air compressor with temperature after correction

主要原因是由于在溫度升高時(shí)，空壓機(jī)質(zhì)量流量減小，但單位質(zhì)量的氣體壓縮功耗增加，最終表現(xiàn)為空壓機(jī)整體功耗增加。同時(shí)，在壓力相同的情況下，相比于干空氣，濕空氣的密度較小，所需要的壓縮功更多，也使得空壓機(jī)能耗增加。雖然隨著吸氣口空氣溫度和相對(duì)濕度的升高，空壓機(jī)系統(tǒng)的容積流量升高，但對(duì)于比功率而言，依舊有增大的趨勢(shì)。

圖7，8 分別示出不同型號(hào)空壓機(jī)在相對(duì)濕度50%下，比功率隨著環(huán)境溫度的變化；在環(huán)境溫度為20 ℃的情況下，比功率隨相對(duì)濕度的變化，變化規(guī)律與前文描述一致。

圖7 不同型號(hào)空壓機(jī)比功率隨環(huán)境溫度的變化Fig.8 Change of specific power of different types of air compressor with ambient temperature

圖8 不同型號(hào)空壓機(jī)比功率隨相對(duì)濕度的變化Fig.8 Change of specific power of different air compressors with relative humidity

綜上所述，通過(guò)實(shí)際測(cè)試將測(cè)試值轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)工況下空壓機(jī)吸入口空氣狀態(tài)，探究了空壓機(jī)比功率隨環(huán)境溫度和相對(duì)濕度的變化規(guī)律。與此同時(shí)，由于環(huán)境溫度過(guò)低，會(huì)使得螺桿機(jī)空壓內(nèi)部潤(rùn)滑油黏度上升，增加系統(tǒng)阻力，增大壓縮過(guò)程耗功，因此選擇合適的空壓機(jī)運(yùn)行溫度范圍就顯得尤為重要，既避免溫度過(guò)高帶來(lái)的壓縮空壓產(chǎn)生的能耗增加，又避免溫度過(guò)低帶來(lái)的潤(rùn)滑油阻力增大造成的能耗增加，使系統(tǒng)處于高效的運(yùn)行范圍。同時(shí)，盡可能地減小空壓機(jī)使用環(huán)境的空氣相對(duì)濕度，也有利于空壓機(jī)運(yùn)行能效的提高。

4 結(jié)論

（1）采用局部排風(fēng)的空壓機(jī)測(cè)試環(huán)境溫度均勻性能達(dá)到0.5 ℃以內(nèi)，空壓機(jī)進(jìn)氣口溫度波動(dòng)度在±0.3 ℃以內(nèi)，確保了測(cè)試環(huán)境的穩(wěn)定性。

（2）空壓機(jī)的容積流量受環(huán)境溫度和濕度的耦合影響。當(dāng)測(cè)試環(huán)境處于低環(huán)境濕度時(shí)，測(cè)試環(huán)境的濕度相比溫度對(duì)容積流量的影響更大，表現(xiàn)在相對(duì)濕度為50%時(shí)，30 ℃工況下容積流量最小。在高相對(duì)濕度區(qū)，測(cè)試環(huán)境濕度的影響更小，表現(xiàn)為在相對(duì)濕度為90%時(shí)，30 ℃工況下容積流量最大。在相對(duì)濕度一定的情況下，環(huán)境溫度在18～30 ℃的變化過(guò)程中，容積流量最大增加0.90%。在測(cè)試溫度一定的情況下，相對(duì)濕度在50%～90%的變化過(guò)程中，容積流量最大增加1.89%。

（3）隨著測(cè)試環(huán)境溫度和相對(duì)濕度的增加，空壓機(jī)的比功率均增大，相比溫度，環(huán)境濕度的變化對(duì)比功率的影響更小。在環(huán)境溫度一定、濕度在50%～90%的變化過(guò)程中，比功率最大增加1.03%。在相對(duì)濕度一定、環(huán)境溫度在18～30 ℃的變化過(guò)程中，比功率最大增加3.02%。

（4）空壓機(jī)在測(cè)試環(huán)境（相對(duì)濕度50%～90%、溫度18～30 ℃范圍內(nèi)）相對(duì)濕度為50%，溫度為20 ℃時(shí)，容積流量較小，比功率最小，性能最好。在實(shí)際工程中，通過(guò)適當(dāng)降低環(huán)境溫度和相對(duì)濕度，能有效地降低空壓機(jī)能耗。