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第一章 : 基礎理論 錶壓力(Gauge Pressure):表示高於大氣壓力的壓力值。常用單位為 kg/㎠ G 或 Psig(1b/in2)。 絕對壓力(Absolute Pressure) : 係當地大氣壓計所顯示的大氣壓力加上表壓力的和,稱為絕對壓力。常用 單位為 kg/㎠ G 或 Psia。 活塞變位量(Piston Displacement) : 係指第一段活塞截面,在單位時間內掃過氣缸空間的總容積值。 往復式壓縮機:單動 PD=π/4D1*S*N1*n 複動 PD=π/4D1*S*N1*n*2-π/4d*S*N1*n 螺旋式壓縮機:QTH=C*D2*N2*60m3/hr D1:缸徑(m)

S:衝程(m)

N1:空壓機週轉速(r.p.m.)

n:缸數

d:活塞桿境(m)

PD:活塞變位量(m3/min)

C:常數,決定於形齒之輪廓,捲繞角度,轉子長度與直徑比例。 D2:轉子外徑(mm)

N2:主轉子轉速(r.pm)

QTH:理論排氣量(m3/hr)

實際排氣量(Actual delivery):指換為當時當地吸氣狀態下壓縮機之實際排氣能量;實際排氣能量與活塞變 位量或理論排氣量的關係: Qa(實際排氣量)=PD(活塞變位量)* VE(容積效率)m3/min =QTH(理論排氣量)*VE(容積效率)m3/min 容積效率(Volumetric Efficiency):壓縮機的實際排氣能量;實際排氣量與活塞變位量之比值。其單位為百 分比%。 壓縮比(Compression Ratio):所謂壓縮比係指在該段或該氣缸中,其排氣絕對壓力與進氣絕對壓力的比值。 壓縮比係絕對值沒有單位。Rp(壓縮比)=p2(排氣壓力)/p1(進氣壓力)。 軸馬力(Shaft Power) 或制動馬力(Break Horse Power)簡寫 BHP:係指壓縮機軸端之輸入動力。亦即指等蔏壓 縮馬力與流體摩擦損失和機械摩擦損失的總和。但不包括驅動器及動力傳送的損失。(但一般為求實驗方 便,實用時常把動力傳送損失也包括進去,此部分約為軸動力的 1%~4%)。 BHP=1/η*【(Ps*Qs)/6120】*【k/(k-1)】*【(Pd/Ps) BHP:制動馬力(KW) η:效率 2

Ps:進氣絕對壓力(kg/cm ) 3

Qs:換算成進氣狀態的空氣量(m /min) K:Cp/Cv 2

Ps:輸出絕對壓力(kg/cm ) 總馬力:實際排氣量與理論馬利之乘積。

( k-1/k )

-1】


耗能比值:實際排氣量與實際消耗馬力數的比值。 氣缸餘隙:氣缸內,在活塞所能掃括極限範圍以外,上殘留於汽缸上部所有空隙總體積。 大氣壓力:空氣是一種混合物,此種空氣或大氣對任何物體施以壓力謂之。 轉子尖端速度(Rotor Tip Speed): 轉子尖端速度(m/sec)=主轉子迴轉速(r.p.m.)* π*轉子外徑(m)÷60 標準狀態下的氣體(Standard Air) 日本 JIS 標準狀態:760mmHg,20℃,75%RH,1.2kg/m3(但壓縮機製造廠亦有採用 760mmHg,0℃,0%RH, 1.293kg/m3) 美國 Compressed Air Institute 標準狀態:14.696Psia,68℉"Dry Air 1.

3

Nm /hr:Normal Metres Per Hour ;壓縮機的排氣量,換算為 14.7Psia,60℉下的空氣量。

2. ICFM : Inlet Cubic Feet Per Minute ; 壓縮機的排氣量,換算為吸氣狀態時的溫度,壓力下的空氣量。 3. ACFM : Actual Cubic Feet Per Minute ; 同 ICFM。 4. FAD : Free Air Delivery;同 ICFM。 自由狀態下的氣體(Fee Air) : 係指在一般大氣下的自由狀態。 由於各地海拔高度不同,在不同時間、不同地點各有不同的溫度,因此所表示的狀態並非一理想標準狀 態,而是以進氣狀態作一比較而言。 標準狀態下的氣體(Standard Air) : 其定義仍未統一,即使在美國也有三種不同標準 : 1. ASME POWER TEST 中的定義為 : 華氏 68 度,14.7PSI 大氣壓力,36%溼度狀態下為標準狀態。 2. Compressed Air Instutute 的定義為 : 華氏 68 度,14.7PSI 大氣壓力乾燥不含水分的狀態下稱為標準狀 態。 3. Natural Gas Pipeline Field 的定義 : 溫度為進氣溫度,大氣壓力卻為 14.4PSI。 以上定義 2 廣用於往復式壓縮機,而在我國則採用溫度 20℃,大氣壓力 760mmHg,相對溼度 65%為標 準狀態。(此時 1 立方公尺的空氣重量為 1.2 公斤)。 實際能量(Actual Capacity)或實際排氣量(Actual Delivery ) : 係指換算為當時當地進氣狀態下壓縮機的實際 排氣能量而言。一般以"ICFM"表示。(Intake Cubic Feet Per Minute) 體積效率(Volumetric Efficiency) : 係指壓縮機的實際排氣量而言。其單位為百分比%。 壓縮效率(Compression Efficiency) : 係指實際需用的壓縮功率與輸入軸的制動功率(BHP)的比。 機械效率(Mechanical Efficiency) : 係指壓縮過程中,沒有熱量流失或導入的理想壓縮狀況。PVk=C 壓力露點 : 壓縮系統中水氣的飽和溫度。 相對溼度 : 當時之實際含水量與飽和時應有含水量的百分比。 絕對溼度 : 單位體積之空氣中所有之水份絕對值。 壓縮機及其零件名詞淺釋 : 1. 壓縮機(Compressor) : 是一種機械設備,用以壓縮空氣或其他氣體,使其壓力自原有的大氣進氣壓 力,升至較高的排氣壓力。 2. 增壓壓縮機(Booster Compressor) : ,是一種機械設備,用以 壓縮空氣或其他氣體,使其已大於大氣 壓力,再繼續升高至至更高的排氣壓力。 3. 真空泵(Vacuum Pump) : 是一種機械設備,用以抽出空氣或其他氣體,使其抽自原低於大氣壓力的進 4. 5.

氣,並壓縮至接近於大氣壓力的進氣壓力 往復式壓縮機(Reciprocating Compressor) : 係壓縮機的一種,在每組氣缸中,均有一活塞及進氣閥組 合,利用活塞在氣缸中的往復直線運動,以壓縮空氣或其他氣體。 單動式壓縮機(Single Acting Compressor) : 活塞往復運動時,只利用單程運動進行壓縮,一般為遠離


區軸的"往"程進行壓縮,而退後的"復"程進行復歸進氣。換言之,活塞只有一面壓縮面,祇單 面或單向壓縮。進排氣閥組常再活塞的一端。 6. 複動式壓縮機(Double Acting Compressor) : 氣缸的兩端,各有進氣閥組。活塞兩面均為壓縮面,活塞 往復運動時,"往"與"復"雙程均各有的獨立的進氣及壓縮作用。 7. 單段式壓縮機(Single Stage Compressor) : 壓縮機自大氣進氣壓力壓縮至最終排氣壓力,係一次或一段 壓縮完成者,如一般低壓壓縮機。 8. 多段式壓縮機(Multi-Stage Compressor) : 壓縮機自大氣進氣壓力壓縮至最終的排氣壓力,其壓縮係分 別由二次(二段)或二次以上的壓縮而達成者,如高壓式或超高壓式空壓機。 9. 移動式壓縮機(Portable Compressor) : 壓縮機及其傳動原動機等構成一體而隨時可以移動或可再不同 地點移動使用者,如小馬力空壓機等。 10. 固定式壓縮機(Stationary Compressor) : 壓縮機及其傳動原動機等,使用時需固定於某一特定地點或基 礎上而不宜經常移動使用者,如水冷式中大馬力空壓機。 11. 中間冷卻器(Inter Cooler) :在多段式壓縮機相鄰兩段間,為消除前段壓縮時所產生的熱量,以減低次 段的進氣溫度,提高壓縮效率而裝設冷卻器。有氣冷式及水冷式中間冷卻器。 12. 後部冷卻器(After Cooler) : 在壓縮完成後,爲消除壓縮氣體中所含熱量,以降低其溫度並除壓縮空 氣中所含大部分凝聚水分兒裝置於空壓機後部儲氣桶前的冷卻器。 13. 水分分離器(Moisture Separator) : 壓縮空氣經冷卻後,使其所含水分凝聚、分離及排洩出的一種裝置。 14. 儲存桶(Air Tank) : 是壓力容器的一種,由配管接壓縮機,以接收及儲存壓縮機所產生壓縮空氣,並 減少壓縮脈衝、調節或減少壓力升降的速度及控制系統的作動頻率。 第二章 壓縮機分類 空氣壓縮機定義 : 廣義—把空氣從較低壓力狀態,壓縮至較高壓力狀態的機器。所以真空幫浦、蒸氣噴設器、送風機都算 壓縮機的一種。 2

狹義—指排氣壓力在 1kg/cm G 以上者。所以上述真空幫浦、蒸氣噴設器、送風機都不算真空氣壓縮機。 空氣壓縮機分類 : 1. 依壓縮原理區分 : 適用範圍 使用壓力 種類

位 移 式

2.

HP

壓縮原理

最大

常用

最大

3500

2~200

10,000

迴葉式

30

1~8

800

螺旋式

42

2~10

6,000

1000 以下 利用密閉室內體積 200 以下 的 變 化 ( 縮 小 ) 來 提 20~2000 高壓力。

離心式

350

2~50

35,000

500~5000

軸流式

35

1~8

100,000

往復式 迴轉式

動 力 式

容量

2

kg/cm G

常用

以高速空氣透過擴 散室,將動能轉換為 3000 以上 壓能。

依其他方式區分 : 分類方法

壓縮段數

單段式 雙段式

說明


多段式 立式 氣缸配列 臥式

冷卻方式

空氣品質 壓縮方法 安裝方式

直立式 輻射式 單向式 對向式 氣冷式

利用空氣冷卻,帶走壓縮熱。

水冷式

利用水冷卻,帶走壓縮熱。

油冷式

利用油冷卻,帶走壓縮熱。

潤滑式

壓縮室內之滑動部位有潤滑油膜,排出空氣含油份。

無油式

壓縮室內作乾式壓縮,排出空氣不含油份。

單動式 復動式 固定式

整套機組安裝於固定基礎上。

移動式

整套機組安裝於拖車上,可隨時移動。

壓縮機理論 : 1. 壓縮機循環假定之理想狀態 : (1). 活塞與氣缸之間無間隙容積。 (2). 吸氣行程,壓力與溫度是不變的。 (3). 活塞摩擦或閥之抵抗可視為無。 (4). 由活塞、襯墊之洩漏亦可視為無。 (5). 排氣行程,亦無壓力之變化。 壓縮機作功量在 Pv 線圖中的面積是以 A1A2B1B2 來表示。 A1A2B1B2=C1A1A2C2+C2A2B2O-C1A1B1O 2. 實際之壓縮機循環 :需考慮活塞之間隙容積、閥片之抵抗、閥及氣缸之洩漏、冷卻效果等。 活塞到死點上時,壓縮氣體之排氣即終了,殘存於間歙容積的氣體由於活塞之後退,而產生膨脹, 當氣缸內壓力低於進氣壓力時再吸入新的空氣 Pv 線圖其膨脹曲線以 A3A4 表示,A4A1=Vr,就比活 塞之行程 Vp 為小。Ηr=Vr/Vp 此謂之吸入效率。 對實際之壓縮機在氣缸內的排氣壓力和吸氣壓力是隨排氣、吸氣閥及配管通路之抵抗等而變化。由於在 氣缸受到熱影響,和活塞、閥、填料函之洩漏,至實際排氣量,較 Vr 減少 3~5%。 壓縮機結構 : 1. 往復式壓縮機 : (1). 馬達 (2). 曲軸 (3). 連桿 (4). 油幫浦與過濾系統 (5). 吸、排氣閥 (6). 活塞與氣缸組 2. 輪葉式與迴轉式壓縮機 : (1). 馬達 (2). 主軸 (3). 滾輪或滾動葉片


(4). (5). 3. (1). (2). (3). (4). (5). 4. (1). (2). (3). (4). (5). (6).

氣缸 油過濾系統 螺旋式壓縮機 : 馬達 主、副轉子 容掉系統 油分離器 油過濾系統 離心式壓縮機 : 馬達 齒輪 葉片 油幫浦與油過濾系統 容量控制系統 擴散器

各類別空氣壓縮機說明 : 1. 容積式空氣壓縮機 : (1). 往復式空壓機 : 使用 P-V 圖,W=P-V (2). 螺旋式空壓機 : a. 雖與往復式相似,但因沒有往復式的閥片,死角容積等…,因此其 P-V 較往復式更抖。 其工作原理如下圖。 b. 多段設計 : 多段加上中間冷卻,其 P-V 圖可接近理想之等溫壓縮而達到更好的效率。但理論上,其 高限為三至四段,而且幾乎沒有高於 30~40bar。並且在這種壓力下,流量也變的太少,若最大的容 積可達 25,000m3/h,則再 40bar 時,其流量約為 600m3/h,幾為最低限了。 c. 機械設計觀 : 最大優良為迴轉式機器,運轉平順、體積小、各部受力平均、軸或轉子尚無加速產生,因此,軸承 受力小。整體的機械結構設計較往復式少了許多問題。 d. 螺旋式空壓機及壓力變化 : 由於係壓力比內定式,因而其內部之容積比亦與壓縮比有一相對值。若工作壓力低於設計值,則氣 體在出氣口膨脹。若壓力較高,則壓縮繼續進行直至壓力達到為止。以上二種狀況都會偏離多變過 程而形成動力損失及對氣體加熱。 2. 動力式空氣壓縮機 : 動力式空壓機則是把空氣加速以提焓,然後經由一個擴散氣而轉換靜壓。 擴散器工作原理 : 加速後的空氣經過分歧管道而降低了速度。此時 P2>P1,但在實務上,速度無法變成壓力,其變化量受 制於通道壁的摩擦損失。此一損失是由擴散通道及開口之設計而定,此一最佳開口角度約為 6 了得到最大的壓力輸,則壓縮機的速度便需愈高愈好。

~9。。爲


離心式機之特性 : 在此類機器,壓力與流量間的關係係建立於壓縮比與流量的關係,而不再是 P-V 關係。先從簡單的模式 談起,再啟動前,入口及空氣桶都在均衡狀態,當啟動空壓機時二頭因壓力相同,固壓升為。這是位置 1。當空氣質量在空氣桶內增加後,壓力便逐漸增加。但是流量也會稍有下降,此即為位止置 2,通常為 石墻點(Stone Wall Point)。因為在這一點後之曲線幾為垂直。當桶內空氣越來越多後,對流量進入桶內的 阻力也逐漸加大,此即位置 3,亦即空壓機之典型操作點。 當空氣進入更多,壓力最後達到一個位置,使空壓機若想超過此一壓力便不能穩定運轉,此即為位置 4, 爲湧浪點(Surge Point)。石墻點是空壓機最大穩定輸出量,而同時也是最低的壓力頭,由於運轉曲線在其 後成為垂直,因此,此點後之運轉成為不可測,廠家也不提供曲線了。湧浪點則是最少穩定流量點。因 而也是最高壓力頭點,因為當桶內壓力越來越高時,流入量也越來越少,而流經空壓機的速度也越來越 慢,當流速太慢以後,空壓機便不能在穩定輸出,而其內的逆流亦會發生。如此,使桶內的壓力降低, 則使空氣機在壓出空氣,此種逆正流造成的現象極為湧浪現象,其對機器之損壞非常大。預防措施必須 在此一現象發生前採用,通常是將出氣管家接到入氣口。簡單的一個原則是,在湧浪點 110%的量時即 開始此種循環工作。如此,可有 10%的餘裕來彌補中間系統的延遲。所有離心式空壓機皆以此種發式運 作。因此,人無法將實際情形與理論值相比。

所有的損耗只會提及但不會詳細計算或正式效率,主要的耗損有 : (1). 葉片外緣之動力耗損。 (2). 葉片與外殼間的逆流。 (3). 葉輪背面之摩擦耗損。 (4). 擴散口之耗損。 音速的影響 : 毎一段能達到的壓力頭,取決於葉輪之切線速度。因此,設計者通常設法加快切線速度,因而相對速度 也會提高。若是接近音速,擇其葉片間的動力耗損會加速上升,其結果則為葉輪的效率損失。 動力消耗 : 雖與螺旋式空壓機的原理相同,但由於多變過程效率不知,因此,只能使用等熵過程來計算。先計算的 熵壓縮頭,再乘以空氣質量,其效率通常可由實驗中得知。機械損失效率方式得到。其直接加入氣體動 力中以求得一軸輸入力。 調節系統 : 較容積式空氣壓縮機複雜,因為它必須避開左側不穩定區。另一方面,壓力頭及流量則以互動關係存在。 入口氣體若經過一個蝸管或導片使他形成旋轉狀態,當他轉向與葉輪轉向同(正轉) ,則壓力頭會下降, 反之則上升。這即是入氣導片的基本功能,某一入氣導片之調節,所有運轉曲線上的點都可以垂直下移, 因此曲線下個點幾乎都可得到,而區線上者,亦可得一點。 更由於內部氣體動力狀況之改變,則湧浪線向左推移,此歸功於入氣的預旋功能,並使流量減少。但此 一作用無法限制作用,因此,調節範圍有一限制。另一調節方式是利用調節式擴散片來改變出口處之旋 轉。原理與入氣者相同但其壓縮比較高,因為影響的部分是在壓力頭形成區。 以上兩種系統基本上都是降低壓力頭,由而降低風量,空壓機因而沿著曲線而得到額外的壓力。但這一 部份之壓力由入氣導片所除去而獲得一較少之流量及平衡壓力。但利用此二系統調節時,由於空壓機並


非在設計點運作,因而進入較低之特效區,而動力消耗也並非正比例減少。當然,效率之下降,則又與 葉輪之形式、速度有關。 多段式 : 同樣的熱力學園裡可用。就技術層面而言,有兩種設計可用,一種是常見的每段單軸,共同於齒輪 箱上,以使每段得到最佳的速度,另一種則是多段組於一軸,通常效率較差。通常,單軸式之設計, 在齒輪箱上之設計上,最多組合 6~8 個葉輪,每二個葉輪背對背。 多段式離心機之壓縮比,若以六段計,其用途超過此一壓力者實不多。離心機之風量可高達 200,000m3/h,理論之最大壓縮比可達 100:1。更大量的處理,則由軸流式空壓機負責。 機械設計觀點 : 由於屬迴轉式壓縮機之ㄧ員,其優點與螺旋式相同 : (1). 體積小。 (2). 運轉平順。 (3). 受力均勻。

由於轉速極高,平衡之校正必須非常注意,又由於極高的離心力,故其葉輪之張力亦極大。因而葉輪之 加工必須加工精確,並經高速測試。整個轉子都有一個自然音頻存在(共振頻率)。在空壓機中,通常都 存在於離心式之運轉速度以下,因此,每次開機/停機都須經過此點,故在機器的動力平衡中需能預防此 一損害。 計算公式 波義耳定律 : 假設溫度不變則某依定量氣體的體積與絕對壓力 V1 P2 = V 2 P1 查理定律 :假設壓力不變,則氣體體積與絕對溫度成正比。

成反比。

V 1 T1 = V2 T2

波義耳—查理定律 : (P1*V1)/T1=(P2*V2)/T2。 P : 氣體絕對壓力。 V : 氣體體積。 T : 氣體絕對溫度。

排器溫度計算公式 : T2=T1*r[(K-1)/K] T1 : 進氣絕對溫度。 T2 : 排氣絕對溫度。 r : 壓縮比(P2/P1) P1 =進氣絕對壓力 P2=排氣絕對壓力。


K=Cp/Cv 值空氣時 K 為 1.4(空氣之斷熱指數)。

3

3

吸入狀態風量之計算(即 Nm /min 換算為 m /min) Nm3/min:是在 0℃,1.033kg/c ㎡ abs 狀態下之乾燥空氣量 V1=P0/(P1-Φ1PD) (T1/T0)*V0 (Nm3/hr Dry) V0=0℃,1.033kg/cm2 abs,標準狀態之乾燥空氣量(Nm3/min Dry) Φa=大氣相對濕度。 ta=大氣空氣溫度(℃) T0=273(°K) P0=1.033(kg/cm2 abs) T1=吸入溫度=273+t(°K) V1=裝機所在地吸入狀態所需之風量(m3/hr) P1:吸入壓力=大氣壓力 Pa-吸入管道壓降△P1 =1.033kg/cm2 abs-0.033kg/ cm2 =1.000kg/ cm2 abs φ1=吸入狀態空氣相對濕度=φa×(P1/P0)=0.968φa PD=吸入溫度的飽和蒸氣壓 kg/ cm2 abs(查表) =查表為 mmHg 換算為 kg/ cm2 abs 1kg/ cm2=736mmHg 例題=V0=2000Nm3/hr ta=20℃ φa=80% Ta=32℃ 1.033 273 + 20 * ]*2000=2220# 1 − 0.968 * 0.8 * 0.024 273 理論馬力計算

則 V1=[

A 單段式 HP/Qm3/min=

P1 K P2 K − 1 * *[( ) -1] 0.45625 K − 1 P1 K

P1 nK P2 K − 1 * [( ) -1] 0.45625 K − 1 P1 nK P1=進氣絕對壓力(kg/ cm2 abs)

B 雙段式 HP/Qm3/min=

P2=排氣絕對壓力(kg/ cm2 abs) K =Cp/Cv 值空氣時 K 為 1.4 n =壓縮段數 HP=理論馬力 HP Q=實際排氣量 m3/min 理論功率計算 單段式 Kw=

P1V K P2 K − 1 * *[( ) -1] 0.612 K − 1 P1 K

P1V nK P2 K − 1 * *[( ) -1] 0.612 K − 1 P1 nK P1=進氣絕對壓力(kg/ cm2 abs)

雙段式 Kw=

P2=排氣絕對壓力(kg/ cm2 abs) K =Cp/Cv 值空氣時 K 為 1.4 n =壓縮段數


HP=理論功率 V=實際排氣量 m3/min 例題 :一部一馬力之空壓機,現工作壓力僅能維持在4kg/ cm2G,但工作維持在 7kg/ cm2G 方能順利工 作,問須使用風量多大之空壓機才能符合上述要求? 說明 :已知 1HP 在 7kg/ cm2G 時實際排氣量為 110 l/min 7 + 1.033 = 176 l/min 4 + 1.033 即一台空壓機若其實際排氣量大於 176 l/min,即可保證系統壓力維持在 7kg/cm2G。

Os=110*

氣壓缸之空氣消耗量計算: ( A1 + A2) XLX ( P + 1) N L L Xe( ) = 單支單支氣缸之空氣消 耗量( ) 1000 min min A1=頭端活塞有效面積(cm2)

Q=

A2=桿端活塞有效面積(cm2) L=衝程(cm) P=使用壓力數(kg/ cm2) N=每分鐘往復式 e=係數 1.5-2 例題:100φmm 之氣缸,衝程 300mm,每分鐘往復式 10 次, 使用壓力 5kg/ cm2G。 說明:依下圖(比依上列公式計算較方便)找出粗線所示,自 5kg/ cm2G 縱線往上 看,與 100φmm 曲線之交點,向左相對之耗氣量即為 0.9 L/min(衝程 100mm,每往復乙次)。 因衝程為 300mm,每分鐘往復 10 次,故耗氣量 Q=0.9×(300/10)×10=270 L/min 270 L/min×1.5(消耗係數)=405 L/min 第三章 空壓機規格 一、 溫、溼度 : 與設計點偏差很大時,則運轉負荷會改變,效率不佳,以當對最高溫、濕度值為佳。 二、 冷卻水及水質 : 1. 空壓機用之冷卻水溫毎降 5℃則節省馬力 1~2%。 2. 乾燥機用冷卻水溫毎降 1℃則節省 4%馬力。 3. 如空壓機為二段式,須注意二段路口溫度,否則在中間會產生液態之冷卻水,會嚴重損壞壓縮機重 要零件,必須注意冷卻水之 PH 值,應維持在 PH 值 7 左右為佳。 4. 冷卻水之設計是否符合使用者之環境及水系統,水質越佳,則清理次數越少。 三、 壓力 : 1. 壓力愈高、耗電愈大。 2. 列出各種機械之使用壓力,如使用壓力相差太多,則分開購買不同壓力之空壓機為宜或使用增壓 機。降壓使用增加電費支出,每降 0.1kg/cm2,則可節省 0.8%之電力。 四、 機型 : 1. 比較單位排氣量,若售價低但效率差 3%以上,長期而言反而成本提高划不來。 2. 注意冷卻器是否適用使用者之使用環境,否則會造成跳機或增加清理次數。


3. 4. 5.

請廠商提出保證單位耗電量,避免受騙造成長期損失。 注意實際使用風量,以便購買稍多風量之空壓機,一般以加 20%為宜。 選擇適當之控制流量控制方式 : (1). 半自動 (2). 全自動 (3). 容量調整控制或兩段控制。 (4). 連鎖或遠方中央監控(選配)。

五、 場地之選擇 : 1. 寬潤採光良好之場所,以利操作與保養。 2. 濕度低、灰塵少,空氣清靜且通風良好之場所,室溫應低於 40℃。 3. 預流通路或吊車、吊鉤以利維修保養。 六、 空氣管路配管 : 1. 管路之容積應視為空氣桶的一種,若容積不大,應另購一只空氣桶。 2. 管路直徑愈大,壓降愈小。 3. 理想的管路是主管路環繞整個廠房,如此則任何位置均可獲得雙方向的供氣,如某處支線的用器量 突然大增時可互補減低壓力降。主管路儘可能用大口徑,且不可用漸縮方式配管,以免壓降。 七、 壓縮空氣之品質要求 : 1. 如使用要求而考慮(因壓力、風量…而定) 2. 購買時必須注意空壓機之有油式與無油式種類之選定,一般往復式、螺旋式、離心式、軸流式均有 無油式之空壓機,而往復式及螺旋式均有微油式與無油式空壓機。 3. 一般而言微油式空壓機因壓縮室中有潤滑油潤滑之故,所以其構造較簡單,壽命亦較長,同時效率 也較高,當然其價格亦便宜很多。所以當使用之場所可以仗用微油式空壓機時,最好購買微油式之 空壓機,或是可在微油式空壓機時,最好購買微油式之空壓機,或者可在微油式空壓機後裝置除油 之精密過濾器即可,如此不但節約能源,同時亦可省去保養之困擾視客戶空氣品質要求而定。 項目

適用範圍 使用壓力(kg/ cm2G)

種類 正 位 移 式

往復式 螺旋式 (迴轉式) 離心式

5. 6.

最高

常用

最大

常用

4000

2~200

10000

1/4~150

2~50

無油往復式 微油單螺旋

10

2~9

100~200

10~100

微油雙螺旋

42

3~15

1000

10~400

無油雙螺旋

10.5

2~10

6000

350

2~50

35000

100~1000 50 以上

300 以上 35 1~8 10000 購買時必須注意器原使用之穩定性如何?是否有尖峰、離峰之考慮?若尖峰時為 100%之負荷,而離 峰時共有 60%,則必須考慮空壓機之容調性能,一般而言,螺旋式及動力式之空壓機對 24 小時連 續運轉之任務有較佳之保持性。而往復式空壓機則較差。 運轉任務之考慮?一天運轉 8 小時,16 小時,還有 24 小時。一般而言,螺旋式及動力之空壓機對 24 小時連續運轉之任務有較佳之保持性。而往復式空壓機則較差。 環境之影響考量?往復式空壓機對較惡劣之環境有較佳的適應性,而其他類之空壓機因結構較精 軸流式

4.

微油往復式

容量(HP)


7.

密,故只要稍有機件受外在因素變化而受損,容易形成空壓機當機,例如 : 環境溫度太高、溼度太 高、酸鹼度太高…等等。 噪音之考慮?螺旋式空壓機一般均有隔音罩之設計,所以可以控制噪音之大小。而離心式及軸流式 因結構及體積之關係,往往無法做隔音設備,故噪音較高。

八、 空氣壓縮機的選購 : 1. 價錢固然相當重要,但是不能因此購買二手機器,因為老舊機器效率既低亦不可靠、功能差又可能 花費昂貴的維修費用。 2. 壓縮機選購需搜集各種資料逐步分析 : (1). 空氣需求量 : 首先確定各工具或設備所需的壓縮空氣量。 氣動工具名稱

(a):空氣消耗(CFM)

(b)工具數

(c)所需空氣量(CFM)

(d)負荷因素

(e)可能需求(CFM)

砂輪機(6 吋)

50

5

250

0.3

75

旋轉噴沙機(9 吋)

55

2

110

0.5

55

鑿錘(13 磅)

30

8

240

0.4

96

旋冒機(5/16 吋)

20

10

200

0.6

120

噴漆機

10

1

10

0.1

1

鑽塞機

40

3

120

0.2

24

鉚釘機(18 磅)

35

5

175

0.4

70

鑽鋼機(7/8 吋、25 磅)

80

5

400

0.4

160 601CFM

總計 註 : 必須留擴充裕度及洩露耗損

假定一氣動工具的壓力為 90psi,如何訂出所需壓縮空氣量?其他如儀表用無油的壓縮空氣,壓力約為 20psi,亦可仿上表求出總需求量。實際系統的需求,可能係最大費用的考慮。如果所採購的空壓機過大, 則花費不值,操作負荷過低,而造成動力消耗費用過大。如果所採購的空壓機過小,則不久又得增購另 外乙部。在比較不同形式的壓縮機,選擇可能產生迷亂,因目前尚未有一種普遍一致的標準定額壓縮機。 不過有一基本問題客戶可以詢問本公司:在特定空氣室溫與壓力下,此一壓縮機輸出至空氣系統的重量流 量為何? 壓縮機目前的形式有三種: a. 往復式(Reciprocating Compressor) : 為最廣泛應用的一種,壓力約為 100~125psi。 b. 螺旋式(Screw Compressor):係一正位移、1 或 2 個轉子的迴轉機器,而將空氣壓縮於轉子間,壓力約 為 145~250psi。 c. 離心式(Centrifugal Compressor) : 全載運轉時效率最佳,亦可作為空氣系統基本負荷作用。通常壓力 約為 300psi。 空氣需求量(CFM)

所需馬力(rP)

運用型式

100 以下

25 以下

往復式

100~1200

25~300

往復式、螺旋式

1200~3000

300~600

往復式、螺旋式、離心式

3000~6400

600~1250

螺旋式、離心式

離心式 6400~18000 1250~4000 因空氣量隨時在改變,故選購壓縮機,正常需求量(Normal Demand)及最大需求量(Max.Demand)同樣需 要考慮。最大效率時,正常需求量約為尖峰出力的 68~95%。另外就是未來數年之內,空氣需求量若仍 有增加趨勢,則不妨選購容量稍大一點者。


(2). 一般範圍 : 雖然各形式之壓縮機差別很明顯,但選購卻不是那麼明顯,主要係在效率上的考量: a. 若屬長時間運轉需求之產量,則購置兩組(或一至五成)空壓機,一組壓縮機作基本負荷運轉,另外 作短暫負荷運轉或全自動當備機。 b. 若系統不能停用,則需 2 具以上壓縮機交替運轉以避免中斷。而較單獨一機運轉減少磨損及延長壽 命。 c. 如空氣分別供應不同遠距負荷,則再每一負荷中心裝置一小容量壓縮機,可較大機供應減少管體裝 置及降壓等。 d. 有時裝置大容量壓縮機的地位空間,無法獲得。 e. 兩具壓縮機在不同地點位置,及不同時間啟動,可減免一大主機的啟動電流超載系統的損害。 f. 如工廠中有蒸氣供應,則部份壓縮機亦可使用蒸氣驅動,減少電力消耗。 (3). 無油空氣是否必須 : a. 視行業別之產品會有無油空氣之需求。 b. 正位移式的壓縮機想要獲得無油空氣的費用是相當高。故此型壓縮機可以 Teflon 代替油潤滑磨擦 面,不過此種壓縮機價格相當高,維護費用亦大。 c. 另一種方法是使用空氣/油分離器去油,但無論如何,選擇任一設備價錢最重要。除下游加裝過濾系 統外,固定的維護費用及客服過濾器壓降的動力消耗也要計入。 d. 許多乾燥器的廠商規定空氣中的油必須先除掉先除掉始可進入乾燥器,否則乾燥器易損害。 e. 想要空氣中無油,最好採購離心式壓縮機。 (4). 中間冷卻系統 : a. 爲保持壓縮機的頂尖效率,熱交換器—轉換壓縮機的壓縮熱設備,必須定期清理。中間冷卻器的管 束,則應可容許進入,而不必拆卸管件或門。 b. 殼—管式的熱交換器,為通常認可的冷卻系統。如設計及建商適當,則清理極為容易。熱交換器應 有直通管,而水即在管內流經,這樣清理起來就很方便。 c. 若移掉熱交換器而不必拆卸其他部分,則既省時又經濟。防漏部份如先經水壓測試,則可省卻不必 重複的裝配。 d. 水套式(Jacket Cooling)的冷卻,最好能避免,因清理相當困難,過度冷卻及結冰應避免。 e. 過去都使用不銹鋼墊片收集凝結液,現在的空氣壓縮機則使用慣性分離器而減去不少的維護費用。 九、

冷卻水塔選擇 : LBC 型冷卻塔循環水量和溫度選定表

TEMP.(℃) WEB(℃)

32~36

32~37

32~38

27

28

29

30

27

28

29

30

27

28

29

30

LBC-05

3.9

3.9

3.1

2.2

3.9

3.2

2.6

1.9

3.3

2.7

2.2

1.6

LBC-08

6.2

6.2

5.0

3.7

6.2

5.2

4.2

3.1

5.3

4.5

3.6

2.7

LBC-10

7.8

7.8

6.1

4.4

7.8

6.4

5.1

3.8

6.6

5.5

4.4

3.3

LBC-15

11.7 11.7

9.4

6.9

11.7

9.8

7.9

5.9

10.1

8.5

6.9

5.1

LBC-20

15.6 15.6 12.5

9.2

15.6 13.0 10.5

7.8

13.4 11.4

9.2

6.9

LBC-25

19.5 19.5 15.8 11.7 19.5 16.5 13.4 10.1 16.9 14.4 11.7

8.9

LBC-30

23.4 23.4 19.1 14.3 23.4 19.9 16.2 12.3 20.4 17.4 14.3 10.9

LBC-40

31.2 31.2 25.6 19.3 31.2 26.7 21.9 16.7 27.3 23.4 19.4 14.9

MODEL


LBC-50

39.0 39.0 32.2 24.5 39.0 33.5 27.6 21.3 34.3 29.6 24.6 19.1

LBC-60

46.8 46.8 38.4 30.0 46.8 40.0 32.8 25.1 40.9 35.2 29.1 22.4

LBC-70

54.6 54.6 44.7 33.7 54.6 46.6 38.1 29.0 47.7 40.9 33.8 26.0

LBC-80

62.4 62.4 51.5 39.0 62.4 53.5 44.0 33.8 54.8 47.2 39.1 30.3

LBC-100 78.0 78.0 64.0 48.3 78.0 67.2 54.7 41.7 68.3 58.7 48.5 37.4 註: 台灣特殊地區最高外氣溼度(W.B.)指示標: 宜蘭地區 W.B.29.5℃,林口、泰山地區 W.B.30℃, 台中、彰化地區 W.B.30℃,高雄地區 W.B.29℃。

1. 水泵/水量 LSP 型幫浦水量表 型號

馬力

水量

LSP

HP

m3/hr

032A

1

3

040A

2

6

050

2

9.6

050A

3

15

065A

5

36

080A

7 1/2

48

100A

10

75

125A

15

102

150A

20

114

第四章 : 露點定義與計算 一、前言 : 在自然界中真正完全乾燥的空氣並不存在,大氣中所有的空氣或多或少均含有水分,即所謂的濕空氣。 由於含在空氣中的水分多半呈水蒸氣以氣體狀態存在,混合於空氣中,易使我們發生錯覺,忽略水分的 存在。如果水份以微小的水滴浮游空氣中,而產生雲、霧等現象時,我們就可以直接感覺到水分的存在。 當空氣經壓縮時,壓力增加溫度也會上升,空氣的溫度愈高愈能容納更多的水分。一般工業上使用的壓 縮空氣力為 7kg/cm2g,壓縮機將空氣壓縮成原來體積的八分之ㄧ的空間裡,使其處於難以居留之狀態, 但由於壓縮機的排氣溫度非常高,使水蒸氣得以保持其隱形的狀態,但當其經冷卻器或在輸送管路中受 到冷卻時,便會產生顯著的凝結水。而用於膨脹過程中,由於溫度驟降也會伴隨水分的出現,嚴重影響 氣源使用的效果。這些都是空氣狀態變化後所造成的結果。 隨著工業水準的提升,氣源系統使用的要求日益精密,如何處理空氣中含水的問題,值得我們深思。爲 了解決這問題,首先必須認識空氣與露點關係及如何測量露點計算露點。 二、露點的定義與計 : 2

1. 乾空氣 : 標準狀態(溫度 0℃,壓力 760Hg,重力加速度 g=980.665cm/sec )下的乾空氣,其標準成分組 成如表 1。乾空氣的性質十分接近理想氣體,可依據理想氣體狀態方程式作狀態分析。 4

PaVaX10 =RaT………(1) -4

Va=29.27×10 T/Pa………(2)


ra=341.6Pa/T………(3) Pa : 乾空氣壓力 kg/cm2 Va : 乾空氣比容 m3/kg 。

Ra : 乾空氣氣體常數 kg.m/kg K 。

T : 絕對溫度 K ra : 乾空氣密度 kg/m3

2. 濕空氣 (1). 相關用語說明 a. b.

總壓(全壓) : 水蒸氣及乾空氣分壓之總和,亦即濕空的壓力。 水蒸氣分壓 : 濕空氣中所含水蒸氣的分壓。飽和濕空氣的水蒸氣分壓等於其溫度所對應的飽和水蒸 氣壓。

c. d. e.

乾球溫度 : 使用一般溫度計所量測的空氣溫度稱為乾球溫度。日常所謂的溫度其實就是乾球溫度。 濕球溫度 : 溫度計的感溫部用濕布包覆,置於空氣流通的場所所量測的空氣溫度稱為濕球溫度。 飽合濕空氣 : 空氣的含水能力與空氣的壓力及溫度有密不可分的關係,並且在一定的壓力及溫度 下,空氣的含水能力有最高的限制。如果實際所含有的水分尚未達此限度,只要有水分的供給,空 氣可以繼續吸收水分,但若達到最高限度後,無論該空氣周圍有多少水分也無法在吸收,此時的空 氣我們就稱為飽和濕空氣或飽和空氣。

f.

相對溼度 : 溫度相同的濕空氣的水蒸氣分壓和飽和濕空氣水蒸氣分壓的比值。 相對度 =

溫度相同的濕空氣實際含水量(g/m3) 溫度相同的濕空氣的水蒸氣分壓(g/m3) × 100 = × 100% 溫度相同的飽和濕空氣含水量(g/m3) 溫度相同的飽和濕空氣的水蒸氣分壓(g/m3)

g. 絕對溼度 : (a)、 單位體積的空氣中所含有水分的重量。 (b)、 單位重量的空氣中所含有水分的重量。 h. i.

飽和度 : 相同的溫度條件下,濕空氣的絕對溼度和飽和濕空氣的絕對溼度比值。 大氣露點 : 將空氣冷卻降溫,空氣中水分開始顯形成水的溫度,定義為露點。基本上大氣露點是指 在大氣狀態下的露點溫度而言,露點溫度事實上即是濕空氣中水蒸氣分壓所對應的飽和溫度。因為 空氣中的水蒸氣有一定的溫度使水蒸氣達到溫度。如果空氣的飽和狀態,此溫度即為飽和溫度在飽 和溫度以上時,此時空氣中的水蒸氣即為過熱狀態,因此利用濕空氣表(表 2)就可以很容易的發現 露點溫度。

j.

露點壓力 : 如果空氣中在有壓力的狀態下,由於壓力的增加,造成體積減少,原有含在大氣中的水 蒸氣因為所處空間的減少,隨時有顯形的可能,剛要顯形時的溫度稱為壓力露點。顯然壓力露點與 壓力有相當密切的關係,一般工業上使用的壓力為 7kg/cm2g,當壓縮空氣溫度大約在 70℃以下時開 始以顯形成水出現,此時的溫度就是壓力露點。

k.

霜點 : 如果空氣的露點低於 0℃(32 F)時,當空氣被冷卻而溫度下降,空氣中的水分開始凝固析出霜

o

時的溫度,定義為霜點。霜點與露點的換算請參考表 3。 表 1、標準乾空氣的成分組合 成分

N2

O2

Ar

CO2

容積組成%

78.09

20.95

0.93

0.03


75.53

重量組成%

23.14

1.28

0.05

(2). 濕空氣狀態關係式 : 濕空氣同樣可以依據理想氣體狀態方程式作狀態分析,並適用道爾頓定律 (Dalton’s law): Pt=Pa+Pv………(4) Pt : 濕空氣總壓力 kg/cm2 Pa : 乾空氣分壓 kg/cm2 Pv : 水蒸氣分壓 kg/cm2 4

(Pt-Pv)VX10 =RaT………(5) 3

u : 濕空氣比容 m /kg 乾空氣 o

Ra : 乾空氣氣體常數 kg.m/kg K(Ra=29.27) o

T : 絕對溫度 K V=xvv………(6) 3

vv : 水蒸氣比容 m /kg 4

PvVX10 =xRvT………(7) o

Rv : 水蒸氣氣體常數 kg.m/kg K(Rv=47.06) ※ 絕對溼度×(乾空氣) x=(Ra/Rv)×[Pv/(Pt-Pv)]=0.622X[Pv/(Pt-Pv)] =0.622X[ψPs/(Pt-ψPs)]………(8) Ps : 飽和濕空氣水蒸氣分壓 kg/cm2 ψ : 相對溼度% ※ 相對溼度ψ(%)=Pv/Ps………(9) ※ 濕空氣熱含 I(Kcal/kg 乾空氣) ※ i=(0.24t+597.3+0.441t)x………(10) t : 溫度℃ 3

※ 濕空氣比容 v(m /kg 乾空氣) v=0.4555(x+0.622)(T/100)………(11) ※ 濕空氣比熱 cp,cv,kcal/kg 乾空氣℃ 定壓比熱 Cp=0.24+0.441x………(12) 表 4、x 與 k 的關係值 X

K

x

k

x

k

0.000

1.400

0.024

1.397

0.110

1.388

0.002

1.400

0.028

1.397

0.120

1.388

0.004

1.400

0.032

1.396

0.130

1.387

0.006

1.399

0.036

1.396

0.140

1.386


0.008

1.399

0.040

1.395

0.150

1.385

0.010

1.399

0.050

1.394

0.160

1.384

0.012

1.399

0.060

1.393

0.170

1.384

0.014

1.398

0.070

1.392

0.180

1.383

0.016

1.398

0.080

1.391

0.190

1.382

0.018

1.398

0.090

1.390

0.200

1.382

0.020

1.398

0.100

1.389

定容比熱 Cv=0.1713+0.3307x………(13) ※ 濕空氣絕對指數 k k=Cp/Cv=1.3334+[0.03461/(0.5182+x)]………(14) 總壓 760mmHg 的飽和濕空氣其絕對濕度、熱焓、比容各項職請參照表 2 濕空氣表。此外絕對溼 度 x 和絕對熱指數 k 的關係值如表 4 所示。 露點 : 根據前述的定義我們了解露點是空氣中水分開始凝結的溫度,所以露點是空氣乾燥程度的指標。 相同的露點在不同的壓力下,其所含水量截然不同,接著我們針對大氣露點與壓力露點的換算與露點的 測量加以研討說明。 a. 大氣露點與壓力露點之換算 首先假設空氣增壓後並不顯現凝結水,所以增壓前後絕對溼度為常數(不變)。 Pt1 : 大氣壓力 Pt2 : 增壓後壓力 Pv1 : 大氣水蒸氣分壓 Pv2 : 增壓後水蒸氣分壓 由式(8)絕對溼度 x=0.622[Pv/(Pt-Pv)] 則 0.622[Pv1/(Pt1-Pv1)]=0.622[Pv2/(Pt2-Pv2)] Pv1Pt2-Pv1Pv2=Pv2Pt1-Pv2Pv1 Pt 2 ………(15) Pt1 例 : 某空氣的大氣露點為 2℃,試問該空氣增加壓力至 7 kg/cm2g 時其壓力露點為多少?

Pv2=Pv1

-3

2

查表 2:2℃的飽和水蒸氣壓為 7.194X10 kg/cm 2

所以 Pt1=1.033kg/cm (一大氣壓力) 2

Pt2=7+1.033=8.033 kg/cm -3

2

Pv1=7.194X10 kg/cm

Pt 2 -3 8.033 -3 2 =5.6×10 kg/ cm = 7.194 × 10 × Pt1 1.033 查表 2 :壓力露點約為 34.5℃

由式(15) : Pv2=Pv1

除了利用式(15)可做大氣露點的換算外,也可查露點換算表圖 1 直接進行換算。在此(15)就不能應用於露 點的換算,根據實驗證明,高壓點可以由圖 2 明顯地看出來。因此高壓範圍做露點換算時,仍根據絕對 溼度不變的原則,利用圖 2 方可做到正確的露點換算。 b. 露點的測量 測量露點(霜點)的儀器我們通稱為露點計。欲測量所使用空氣的乾燥程度(露點)時,可以依照圖 3 的流程


圖採取適當的配置。 (a)、 選擇適當的取樣點,配置取樣管(2)。爲了節省各測量的時間取樣管長度愈短愈好,因為測量的 時間(露點計的反應時間)和管長度成正比,而且管路愈短在測量較低露點時其結果較正確。 (b)、 視需要與否設置調壓閥(3)。如果露點計耐壓強度低於主管路空氣的壓力時,則須設置調壓器。 (c)、 視需要與否設置過濾器(4)空氣中難免含有油污、鐵削等雜質,需要利用過濾器事先濾除,避免 危害露點計或影響測量結果的正確性。但是設置過濾器會增加測量時間,若空氣十分乾淨的話就可 以不用設置。 (d)、 在露點計後面設置流量計(6)及壓力控制閥(7)可以控制取樣空氣適當的流量(不同壓力不同露點 均有適當的流量範圍)。 (e)、 依實際狀況可配置取樣傍通管(10)。為增加取樣空氣量及縮短露點計反應時間可以配置傍通管。 (f)、 如果所測量的為飽和空氣或露點高於環境溫度的空氣時,必須將取樣空氣加熱升溫至高於露點約 5~10℃,始可進行露點量測。 露點計除了可量測空氣的露點外,其他氣體如氮氣、氧氣、氬、二氧化碳、氫氣等均可以利用露點計測 量露點。

空壓機基礎知識  
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