空气压缩机选择及节能方法（1）

一、 概述

在诸多被经常使用的能源中，压缩空气可说是仅次于电力的普及能源之一，虽然压缩空气的使用尚未像电力一样的深入一般家庭中，但是工业、矿业、工程业、医疗业甚至农业都有日趋广泛的用途，尤其在工业界的使用量极其可观，主要是它具有以下几种其它能源无法取代的特性：

1. 无污染或低污染性，在环保意识高涨的时代，压缩空气取之于大气而回归于大气，不需要回收处理而完全不会制造污染（经过分离、过滤的含油压缩空气会有微量的油气，即使有泄漏的情形发生也没有污染环境的顾虑）。

2. 在生产过程中，压缩空气可以和绝大部份的产品直接接触来传送动力而不会伤害产品。

3. 无自燃性，不容易造成公共意外，除了压力容器需要按照规定设置及定期检查之外，完全没有引起公害、电击的顾虑。

4. 温度不高，不容易引起灼伤、烫伤等重大伤害。

5. 可借助分离技术来生产氮气、氧气、氢氮或稀有气体来供应特殊用途。

6. 提供非能源用途，例如人员呼吸、水处理、发酵及化学反应等特定用途。

鉴于压缩空气己被各行各业所广泛的采用，在工厂大型化及自动化的前提下，压缩空气的使用与日剧增，而空压机在生产能源／压缩空气的同时，本身也在大量的消耗能源，以最普遍的100PSIG (7kg/cm2G)压缩空气系统为例，每生产100ICFM的压缩空气大约需要消耗20HP的能源，在目前的工业界动辄使用数千马力甚至数万马力空压机的工厂己为数众多，如何节省如此庞大的能源消耗，确实是业者值得深思的课题。

绝大部份的空压机都使用马达驱动的方式，极少数的空压机会使用蒸汽涡轮机 (Steam Turbine) 或燃气涡轮机 (Gas Turbine) 来驱动，在蒸汽过剩或有燃气（废气）可资利用的行业使用涡轮机来驱动空压机确实有极大的节能效果。使用涡轮机驱动的案例不多，后叙中空压机的驱动方式将专指马达驱动而言。

二、空压机的种类

1. 空压机在压缩空气的过程中，以空气是否与润滑油的混合来分类，可以区分为有油式及无油式空压机两种，润滑油对任何机械设备都具有润滑与冷却的作用，针对有油式空压机，润滑油还具有气密的作用来提升空压机的容积效率，因此，从节能的观点来看，有油式空压机的能源效率绝对会高于无油式空压机。不可否认的，压缩空气中的油气会造成甚多使用上的困扰，即使经过精密过滤器的处理也无法达到完全无油的境界，虽然有油空压机的能源效率较高，但是，精密过滤器的购置成本以及精密过滤器所导致的压损、能源损失也相当的可观，除非气动设备可以接受含油的压缩空气或是压缩空气的使用量很少，绝大部份的用户，尤其是工业界都己扬弃有油式空压机。因此，在后叙的章节中将以无油式空压机旳分析介绍为主。

2. 以压缩的方式来区分空压机可以分为定排量式空压机（PositiveDisplacement Compressor） 及动能式空压机 (Dynamic Compressor) 。各类型空压机的优缺点会在后文中分别介绍。

(A)定排量式空压机的共同特性是藉助空压机将密闭于一定容积内的空气施以机械功来「压缩」空气的体积，同时提升压力，此类型的空压机以往复式 (Reciprocating) 及螺杆式 (Rotory Screw) 最具代表性及普及性。

(B)任何非直接「压缩」空气的体积以提升压力的方式都可归类于动能式空压机，坊间有很多的专门书刊介绍动能式空压机，在此不再赘述。以其普及性及节能的观点来介绍当推离心式空压机为主流，事实上，离心式空压机又可分为多段同轴式 (Milti-Stage In-line) 及齿轮增速式(Integral Gear)两种为主。以多段同轴式与齿轮增速式相比较，多段同轴式无论是体积或是重量都远比齿轮增速式庞大的多，当然除了造价较高之外，其能源效率也远比不上齿轮增速式，因此，在超大风量（市场的区隔大约在100,000CFM / 170,000CMH） 压缩特殊气体（空气或氮气以外的气体）的用途上尚可见其踪迹，市场上所常见的机种当首推齿轮增速离心式空压机为动能式空压机的代表，后文中也将以此类型空压机为主要的介绍对象。

三、往复式空压机的优缺点介绍

在工业化的进展过程中，往复式空压机是最早问市的空压机之一，它对工业界的贡献是不可抹剎的，即使它己失去了往日的风采，逐渐的被螺杆式、离心式空压机取代了主导的地位，但是它仍然具有一定的生存空间，可见它仍然存在某些独特的优越特性是其它类型的空压机无法完全超越或取代的。

其优点为：

1. 进气、排气压力的涵盖范围非常广泛，其至可以满足4,000PSIG (280kg /cm2G)以上的需求。

2. 风量的涵盖范围也相当广泛，虽然在大风量的应用上己逐渐的被其它类型的空压机所取代而退出市场，但是在小风量（数马力甚至更小）的使用范围仍具有相当的优势。

3. 在小风量、高压的应用领域，往复式空压机可当做增压机（Booster）来使用。

4. 以100PISG (7kg/cm2 G)为例，两段式压缩的往复式空压机在能源效率上的表现即相当优越，其多变压缩效率 (Polytropic Efficiency)大约可达87％，此标准也是其它类型空压机追求突破的标的。

5. 气密性相当良好，因此也适合压缩空气或氮气以外的特殊气体。

6. 采用高强度 (Heavy Duty)的设计时，转速低、坚固耐用、连续使用的故障率低。

7. 每段多缸 (Multi–Cylincler)双动式（Double Acting）的设计，可以采用多阶 (Multi– StepControl) 的容积控制方式，对压缩空气消耗量极不稳定的压缩空气系统可以使用0-50-100％的三阶控制式或0-25-50-75-100％的五阶控制，对节流控制的效益相当显著。

其缺点为：

1. 在压力及风量上与其它类型空压机有重迭的适用范围，如果采用高强度设计标的的往复式空压机，其单位风量的造价相当高。

2. 立式、Ｖ式、Ｗ式或Ｌ式的设计大部份都有不同程度的不平衡，因此，运转中会产生不同程度的振动，在安装基座的设计上，除了要考虑其静荷重外，还应考虑其动荷重才能避免不必要的后遗症。

3. 类似引擎的设计，零件种类繁杂，其中需要定期更换的消耗性零件数量、项目相当多，不仅维修成本高而且维修时间长，这也是往复式空压机在某些应用范围逐渐退出市场竞争行列的主要因素。

4. 往复式空压机有吸气及排气的行程，因此，排气是非连续性的间歇动作，当然会造成相当明显的压力脉动现象，管路设计工程师必须经过仔细的核算才能避免压力脉动所可能造成的损失。

5. 阀片、活塞环、密合垫等消耗性零件的状况是否良好，直接影响到空压机的能源效率，在缺乏其它检测设备时，空压机的能源效率是否因为内部的泄漏而逐日下降？对一般用户而言，实在是一件相当令人困扰而难以掌控的事实。（后续请继续关注）