空氣壓縮機

钉枪提供壓縮空氣的空氣壓縮機

空氣壓縮機(英語:Air compressor),一般簡稱為空壓機压缩机。為一種空气壓縮設備,使用电动机发动机(由電力柴油汽油等驅動),轉動压缩机,將空氣(其压强通常為1大气压(atm),約為1(bar))轉換為压缩空气

空氣壓縮機的用途很多。常見的用途是將壓縮空氣充入空氣儲罐內,以便後續使用。若壓力超過設定上限值,會關閉空氣壓縮機,或是由過壓釋放過多的空氣[1]。若空氣儲罐的壓力低於下限值時,會再開啟空氣壓縮機,將空氣儲罐內的空氣加壓。

壓縮空氣中儲存的壓力能可以用在許多的應用中,例如作為气动工具的能量來源。空壓機是工廠常見設備,也是高耗能設備之一,佔工業用電比例約10%以上[2]

空氣壓縮機和幫浦不同,空氣壓縮機處理的是气体,而幫浦處理的通常是液体

分類

空氣壓縮機可以依其輸送氣體壓力分類:

  • 低壓空氣壓縮機,其輸送氣體壓力小於150磅力每平方英寸(10巴)[3]
  • 中壓空氣壓縮機,其輸送氣體壓力在151磅力每平方英寸(10.4巴)到1,000磅力每平方英寸(69巴)之間[3]
  • 高壓空氣壓縮機,其輸送氣體壓力超過1,000磅力每平方英寸(69巴)[3]

空氣壓縮的方式有許多種,可以分為容積式(positive-displacement)或旋轉動力式(roto-dynamic type[4]

另一種分類方式是以其潤滑方式分類,油潤滑式空壓機以及無油式空壓機。無油式空壓機系統是較新技術的系統,不需要油以進潤滑,重量比油潤滑式空壓機要輕,也更容易攜帶,但需要更勤保養。油潤滑式空壓機是比較傳統的空壓機,需要用油潤滑馬達,以延長壓縮機壽命。其優點是比較耐用,而且不像無油式空壓機那麼需要保養。有些無油式空壓機是用水代替油作為潤滑用,也有些是無油無水式空壓機。

容積式壓縮機

容積式壓縮機會使空氣進入一個體積縮小的腔室中,以此壓縮空氣。只要其壓力大於排出外的壓力,排出閥會開啟,使壓縮腔室中的空氣排出[6]

移動式單段空壓機的內部構造
  • 活塞式空壓機利用氣缸內往復運動的活塞來壓縮空氣。活塞式空壓機會有單向閥,在氣缸進氣行程裡,讓空氣進入氣缸,並且避免空氣從單向閥外洩,另外有一個排出閥,在氣缸壓縮行程時,會將高壓氣體從排出閥排出,也會配合止回阀,避免高壓氣體在進氣行程時再進入氣缸。活塞式空壓機可以是單段或是多段的,可能只有一個氣缸,也可能是多個相同壓力的氣缸同時運作。多段壓縮機的壓縮比高,效率也比單段壓縮機好,一般會用段間冷卻(interstage cooling)來提昇效率。

單段壓縮機及二段壓縮機的容量一般會用每分鐘標準立方英尺英语Standard cubic feet per minute(SCFM)及磅力每平方英寸(PSI)來表示,或是用每分鐘標準公升以及(bar)來表示。有些壓縮機的標示會用每分鐘實際立方英尺英语actual cubic feet per minute(ACFM),但較少見[需要解释][來源請求],也有些仍標示立方英尺每分鐘(CFM)[需要解释][來源請求]。只標示CFM是比較模糊的作法,因為沒有對應的參考壓力。

  • 螺旋式壓縮機英语Rotary-screw compressor的容積式壓縮是靠二個相配合的螺旋型螺絲來實現,當二個螺絲旋轉時,會導引空氣進入腔室中,且在螺絲旋轉時,腔室體積會逐漸縮小。螺旋式壓縮機可以是單段的,也可以是二段的[需要解释]
  • 旋片泵英语Rotary vane pump是在轉子中開數個徑向的槽,將數個葉片放在其中,可以在槽內滑動,並且葉片外緣和腔室內緣接觸,葉片會引導空氣進入腔室,並且使其體積變小。這類的壓縮機可以提供高壓的定量空氣[需要解释]

旋轉動力式空壓機

旋轉動力式壓縮機(Roto-dynamic compressors)包括了離心式壓縮機英语Centrifugal compressor軸流式壓縮機。離心式壓縮機是用旋轉葉片使氣體增加動能,再用固定通道使動能轉換為氣體的壓力,軸流式壓縮機是用旋轉葉片使氣體增加動能,再用固定葉片使氣體動能轉換為氣體的壓力。

冷卻

由於氣體的绝热压缩會使機體產生废热,壓縮機需要冷卻散熱。一般而言會透過風冷水冷散熱,不過有些空壓機(特別是旋轉型空壓機)會用油冷散熱(之後再用風冷或水冷來為油散熱)[7]。冷卻方式可以透過入口温度、環境溫度、壓縮機功率以及應用領域決定。沒有一種壓縮機是可以適用在所有場合的。

應用

移動式柴油動力空氣壓縮機,可以供應氣動工具的動力

空氣壓縮機的用途很多,像是提供純淨的高壓空氣填充氣瓶,提供純淨的中壓空氣供水面供給潛水者英语surface supplied air diver使用,提供中壓空氣給辦公室以及學校建築中的氣動力HVAC控制系統英语HVAC control system裝置,供應大量的中壓壓縮空氣作為气动工具動力來源,像是手提鑽英语jackhammer,填充高壓压力容器輪胎充氣,也可以提供大量的中壓壓縮空氣供大規模的工業製程(例如石化廠石油焦的氧化等)[8]

空氣壓縮機也常用在石油天然气採集、采矿以及钻井應用中,作為欠平衡鑽井英语Underbalanced drilling的沖洗介質,以及管道中的清洗用氣體。

大部份的空氣壓縮機是活塞往復式壓縮機旋片泵英语Rotary vane pump或是螺旋式壓縮機英语rotary screw compressor。非常大型的應用中會用到離心式壓縮機英语Centrifugal compressors,不過中小型的應用較常使用螺旋式、渦卷式英语Scroll compressor[9]及往復式空壓機。

動力來源

空氣壓縮機可以使用不同的動力來源。一般最常會用汽油引擎、柴油引擎或是電動機驅動壓縮機,不過在一些應用中也會用汽車引擎、能量擷取系統英语Power take-off或是液壓元件來驅動壓縮機[10]

壓縮機的功率是由HP(馬力)以及CFM(立方英呎每分鐘,進氣量)來計算[11]。壓力容器的體積以及儲存氣體的壓力即表示儲存壓縮空氣的量。

在一些不易取得電力的應用,會使用汽油引擎或柴油引擎作為動力來源。引擎的缺點是噪音,以及需要通風將廢氣排出。若壓縮空氣是要供作呼吸用,驅動壓縮機的引擎更需要通風。電動壓縮機常用在生產線,店舖或是車庫等可以持續供電的場合。常見的壓縮機電源是110-120伏特或是230-240伏特。

維護

在非洲尼日尔路邊輪胎維修店用的空氣壓縮機(於摩托車前的輪胎上)

為了確保空氣壓縮機正常運作,沒有泄漏空氣情形,需要定期進行維護保養。在空壓機的整生命週期成本中,維護保養只佔了8%[12]

空氣壓縮機等熵效率

空壓機等熵效率(air compressor isentropic efficiency)越高,表示能源效率越好,越省電,越節能。根據美國CAGI英语Compressed Air and Gas Institute空壓機效能檢測報告,目前(2022年)市場技術,大馬力油潤滑螺旋式空壓機,雙段壓縮螺旋式空壓機之等熵效率,最高已達到95%以上。單段壓縮螺旋式空壓機之等熵效率,最高已達到86%以上。[13]

空壓機的整生命週期成本中,約有70~80%是在能源消耗上,因此使用高效率的空壓機可以有效的節約能源。

空壓機製造商

參見

參考資料

  1. ^ How Do Air Compressors Work?. Popular Mechanics. 2015-03-18 [2017-01-12]. (原始内容存档于2023-12-15). 
  2. ^ 台灣電力公司_能源技術服務页面存档备份,存于互联网档案馆).
  3. ^ 3.0 3.1 3.2 Classification of air compressors. www.tpub.com. [2017-01-12]. (原始内容存档于2024-09-11). 
  4. ^ Air Compressor Types and Controls. Natural Resources Canada. 4 February 2014 [2024-08-15]. (原始内容存档于2019-09-24). 
  5. ^ Davis, Jeff. What is a Two Stage Air Compressor – Air Compressor Insider. 2022-02-23 [2023-07-26]. (原始内容存档于2024-07-17) (美国英语). 
  6. ^ Compressor Selection Basics: Positive Displacement versus Dynamic Compression. [2017-01-12]. (原始内容存档于2018-02-16) –通过The 5th Utility. 
  7. ^ Types of Air Compressors. The Engineering ToolBox. [2024-08-16]. (原始内容存档于2024-08-16). 
  8. ^ Applications for Compressors. www.industry.siemens.com. [2017-01-12]. (原始内容存档于2018-01-28) (英语). 
  9. ^ Hislop, Reid. Plug Power Places Large Production Order for Air Squared Compressors to be used in GenDrive Fuel Cell Units (PDF). Plug Power. [10 May 2019]. (原始内容存档 (PDF)于2021-12-10). 
  10. ^ Easy Guide To Rotary Screw Air Compressors For Vehicles – By VMAC. VMAC. 2018-10-16 [2018-10-30]. (原始内容存档于2024-08-16) (美国英语). 
  11. ^ Evaluating True Horsepower and CFM Ratings of Air Compressors. [2024-08-16]. (原始内容存档于2024-08-16). 
  12. ^ How Many Watts Does An Air Compressor Use. [2024-08-15]. (原始内容存档于2023-08-13). 
  13. ^ CAGI Performance Verification Data Sheets页面存档备份,存于互联网档案馆).

外部連結