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)通過減小容納氣體空間的容積來達(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)移動時，連續(xù)發(fā)生吸氣、壓縮氣體和排氣的過程。這種理想過程就如圖2.2所示，它假設(shè)經(jīng)過吸氣閥和排氣閥時無壓降產(chǎn)生，吸氣和排氣均為恒壓過程，并且在排氣結(jié)束時，氣缸內(nèi)無殘留氣體。
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)排氣過程結(jié)束時，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。它的存在無可避免，因為活塞頭與氣缸之間需要留有一定的間隙，還因為放置閥門也需要一定的空間。
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。在大型的多級壓縮機(jī)中，該值可以低至0.025.
當(dāng)壓縮因子（Z）在壓縮過程中不為常數(shù)時，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)的實際輸氣量（Q）與排氣量（v d）之比：ηv = Q/ v d
對于一臺給定的壓縮機(jī)，隨著余隙增大，其容積效率和輸氣量減小。可以利用該特點來控制活塞式壓縮機(jī)的氣體流速。
容積效率的實際值，在65%到90%之間變化，可以通過測得其具體數(shù)值。
影響實際容積效率值的因素包括余隙的尺寸，氣體通過密封件、閥門和活塞環(huán)的泄露程度，以及缸體在氣缸內(nèi)的受熱情況。正是因為存在著這些影響，所以對方程式2.2做衛(wèi)些修改，使其包含了經(jīng)驗數(shù)據(jù)，以便更好地表達(dá)活塞式壓縮機(jī)的實際容積特性：ηv ＝0.97+ c-（Z1/Z2）. c（P2/P1）1/n GL(2.3)
其中，對于有潤滑壓縮機(jī)，GL的值為0.02－0.06，對于無潤滑壓縮機(jī)，GL的值為0.07－0，10。
但是，容積效率并不是評價壓縮機(jī)品質(zhì)的可靠指標(biāo)，而應(yīng)評估達(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，實現(xiàn)容積減小的方法是，通過轉(zhuǎn)子在壓縮機(jī)殼內(nèi)的轉(zhuǎn)動來逐漸減小轉(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顯示了一臺工作在不同工況下的螺桿式壓縮機(jī)的典型p-V圖。通過陰陽轉(zhuǎn)子的嚙合實現(xiàn)壓縮。當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動時，轉(zhuǎn)子葉輪的嚙合從進(jìn)氣孔向排氣孔移動；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)殼之間的間隙來防止氣缸內(nèi)的受壓氣體從排氣口回流至進(jìn)氣口。陰陽轉(zhuǎn)子的正時齒輪同步旋轉(zhuǎn)，避免了金屬與金屬接觸，因此無需注油。
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，并實現(xiàn)以下三項功能：
減小，甚至消除齒間容積公差
在壓縮期間使氣體冷卻
潤滑轉(zhuǎn)子，因此無需采用正時齒輪。
通過注油，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)計工況時，其效率會降低，特別是當(dāng)它們具有固定的容積比時。正因為如此，因為它們具有自動調(diào)節(jié)能力，能夠使非設(shè)計工況下效率達(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能，然后將動能轉(zhuǎn)化為壓縮能，從而實現(xiàn)氣體的壓縮。
葉輪的旋轉(zhuǎn)使其入口端形成一個低壓區(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，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。在多級壓縮機(jī)中，從初級擴(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)入二級葉輪。*后，被壓縮氣體到達(dá)渦殼和排氣管。在那些具有級間冷卻的壓縮機(jī)中，氣體在經(jīng)這每個壓縮級或者一組壓縮級之后渡過換熱器。
級間冷卻是應(yīng)用得*為廣泛的一種冷卻方法，因為它會產(chǎn)生*接近等溫線的過程，因此從能量的角度來看，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)冷卻水流過膈膜內(nèi)開鑿的流道來實現(xiàn)冷卻，但是這種解決方案使得壓縮機(jī)殼的設(shè)計和制造變得更加困難。
由驅(qū)動器為壓縮氣體所提供的有效能量實際上大于竺熵壓縮所需要的能量，因為還需要一些額外的能量來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轉(zhuǎn)化成熱量。
軸流式壓縮機(jī)
在這種轉(zhuǎn)子動力壓縮機(jī)中，壓力的增大歸因于兩項因素的綜合作用，一是氣體流速增大，二是當(dāng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時，氣體流過葉片的區(qū)域同時增大。
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)，同時沿軸向移動，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)動中片的運動引起的氣體渦流現(xiàn)象，并引導(dǎo)氣流流向下一排轉(zhuǎn)動葉片。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
下面介紹每種壓縮機(jī)的主要特點和優(yōu)缺點。在為特定的應(yīng)用挑選合適的壓縮機(jī)時，應(yīng)該考慮到這些特點。
活塞式壓縮機(jī)
低速（現(xiàn)在市場也有“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的原動機(jī)進(jìn)行直聯(lián)）。
排氣壓力高
*適合用在單級或低輸氣量的高壓應(yīng)用場合。
壓力范圍廣
當(dāng)以固定轉(zhuǎn)速工作時，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
高振動及脈動氣流
需要對氣缸進(jìn)行冷卻和潤滑。無潤滑壓縮機(jī)需要使用自潤滑材料。
對低氣體密度敏感
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。在多級壓縮機(jī)中，總壓力比甚至超過了25。
效率在60%到70%之間。
在非設(shè)計工況下工作時，效率降低，特別是在內(nèi)部容積固定的壓縮機(jī)中。
排放無油氣體
對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。干式運轉(zhuǎn)高壓壓縮機(jī)可達(dá)4.5
平穩(wěn)輸送無油氣體
對于給定的速度，輸氣量幾乎保持恒定。
自動調(diào)整壓力，無功率損耗。
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
占用空間小
通常需要水冷卻
要求強(qiáng)制潤滑
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。
沒有摩擦零件，無需潤滑。
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。在某些應(yīng)用中使用一個動態(tài)排氣閥。
轉(zhuǎn)矩波動小。
噪聲和振動極低。
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
所需起動扭矩較低，就像旋轉(zhuǎn)式壓縮機(jī)那樣。
