旋转螺杆空压机的等熵效率

许多精明的空压机用户已经注意到，压缩空气和气体研究所(CAGI)的空压机数据表在2020年6月之后列出了一个新术语;等熵效率。等熵效率将成为真正比较空压机在任何额定排气压力下的整体效率的新参考标准。现在用户可以看到哪个公司生产效率最高的产品与一个简单的参考百分比数字。多年来，压缩空气行业一直在与CAGI合作，试图对空气压缩机进行公平比较。在详细解释等熵效率(IE)之前，让我们回顾一下历史，回顾一下这一历史进程。

背景

在20世纪70年代，当旋转螺杆空压机刚刚进入市场时，它们的竞争对手主要是双作用往复式空压机。这些是非常有效的空气压缩机，至少在最初的几年运行。客户选择旋转螺杆空压机是因为活塞机需要大量昂贵的维护，有与振动相关的问题，而且噪音大。而且，大多数都需要水冷却，随着时间的推移，水冷却变得越来越昂贵。

直到20世纪90年代初，业界才出现了测试空压机性能的综合标准，当时ISO 1217是第一个实施的通用标准测试方法。在那之前，空压机制造商测试机器的方式略有不同。例如，没有进口温度或湿度的标准，这可能对性能有很大的影响。一些空压机制造商仅测量裸空端性能，没有进口阀、冷却器、分离器和冷却器的损失。这可能意味着一个制造商与另一个可能有5%或更多的封装功率性能差异。

在这段历史期间，一些空压机制造商甚至没有在他们的小册子上公布额定容量。对1970 - 1980年的机器进行的后续审计证明，它们平均每100马力约为425 CFM。双作用往复电机每100HP至少产生500 CFM。随着转子型线技术的提高和加工公差的提高，如今的旋转螺杆机每100HP电机的单级转速可达530 CFM，两级转速可达600 CFM。

直到20世纪70年代中期，终端用户才真正注意到能源成本，因为电力是每千瓦时3到5美分。大多数客户不知道一台空压机的运行成本是多少，因为这只是一大笔账单的一小部分。许多装置采用了超大活塞压缩机。当他们被低效率的旋转螺杆机取代时，它并没有在电力账单上表现出任何显著的变化。每个人都为较低的维护成本而欣喜不已。

在1990年代，所有供应商的小册子上都张贴了他们的能力，但公布的能力差别很大。例如;其中一家公司的100 HP压缩机在100PSI下的额定CFM为563 CFM，而其他公司的平均额定CFM约为490 CFM。最终发现，这一特定的模型使用1.40服务因子电机，运行超过125马力的轴功率。它的性能和公布的一样，但客户不清楚实际使用的功率。

电机服务因素和HP或KW额定值也一直是一个不断发展的主题。大多数行业使用的是1.15服务系数的电机，使用了大约10%的可用的15%。服务因数实际上是在给定电压下，电机可以可靠地提供的最大安培，考虑到温度、海拔(空气的冷却能力)和功率因数等其他设计条件。电机制造商将铭牌电机任何方式的客户要求，即，100 HP 1.25 SF电机或125HP 1.0 SF电机本质上是相同的电机，如果在相同的框架尺寸。空压机制造商为其压缩机选择和应用电机有许多不同的方式，但在额定电压下可获得的最大安培是最终的决定因素。

在20世纪80年代，行业对流的定义变得更加严格。一家公司开始发布“免费空气输送”或FAD，它测量入口的空气，并公布总功率使用。他们看起来比其他人效率低，但实际上是差不多的。

本文不针对任何空压机厂家铸造任何分散剂。他们发布的数据都很好，只是测量方法不同而已!

ISO 1217附件C

最初出版于1947年，CAGI手册已经成为一切压缩空气的首选资源。现在在它的第七版，并可在CAGI网站上获得电子版，图解手册包含来自领先制造商的工程信息和关于压缩空气系统的有价值的参考数据。在20世纪90年代末，CAGI和它们的成员公司达成了一个标准，他们将用同样的标准来衡量他们的机器。CAGI采用了全球公认的ISO 1217附件C，这是至今仍在使用的基本标准。这个测试是通过空气压缩机的容积流量。CAGI和Pneurop采用了标准空气的定义，即20℃，1bar绝对温度和0% RH。当测试到1217时，您将正确返回到压缩机的进口条件，以计算流过压缩机的体积。如果你想知道流经压缩机的质量，你必须将体积流量转换为标准条件。这给你在任何给定的环境条件下通过压缩机的SCFM(质量)。

CAGI空气压缩机数据表

一旦ISO 1217附件C被接受，CAGI和他们的成员同意发布一个简单的标准数据表的固定速度压缩机，看起来如下。参见图A和图b。作为CAGI性能验证计划的一部分，成员公司被要求在其网站上发布这些数据表，方便客户访问。每个空压机制造商都有一个独立的测试实验室，随机挑选3台空压机运至实验室。然后，实验室测试这些压缩机，并验证它们的性能与公布的数据表相匹配。所有测试的结果都在https://www.cagi.org/pdfs/cagirotarydirectory.pdf．

让我们检查一下润滑的固定转速旋转螺杆空压机数据表(见图A)。变速空压机有相同格式的数据表，但它们的等熵效率使用满载、40%和70%的加权平均。

图a .固定转速旋转螺杆空压机的CAGI数据表样本。按此放大．

• 项目1和2:制造商名称和型号，冷却方式(水冷或风冷)，是单级还是二级压缩机。
• 项目3:满载时的流量。这个数字是在排放时测量的立方英尺的数量，根据ISO 1217附件C的测试时的进口条件进行调整。
• 项目4:全负荷工作压力。这是测量容量和总包功率的压力。
• 项目5:最大全流量压力。在带有加载/卸载操作系统的机器上，这是机器在卸载之前运行的最高压力。对于这种类型的机器，这种压力可以比满载操作压力高3到15 PSI。在这个压力下，机器的总包功率会更高。
• 第6、7项:铭牌主驱动电机马力(HP)及电机效率。第7项数值越高，电机效率越高。一些制造商有更高效率电机的选择。
• 项目8和9:风扇电机铭牌HP和效率。风扇通常设计工作在40°C(104°F)。如果空压机所在位置较暖，可能需要安装较大的风机。
• 第10项:压缩机无需求时整机总运行功率。这对于计算有载/无载压缩机在部分负载条件下的效率是非常重要的。
• 条款11:满载运行功率，单位为千瓦，在满载运行压力下测量。包括风扇，控制和任何其他设备在封装中使用能源。
• 第12项:包装比功率是制造100 CFM所需的千瓦数。数字越低，机器的效率越高。
• 项目13:等熵效率，稍后解释。数字越高，空压机的效率越高。图A是当前固定速度数据表的格式。从2002年开始的原始数据表包含的信息较少。

容量额定值有高达7%的容限容量和8%的比功率。对于更大的空压机，公差更低。一个公差是必需的，因为不可能使一个压缩机在相同的功率下始终产生相同的流量。

空压机等熵效率

具体功率项目，在数据表中，是一个旨在显示最有效的压缩机的计算。计算为(总装KW × 100)/ CFM。比功率越低，封装效率越高。如果压缩机具有相同的满负荷压力额定值，则使用比功率进行比较效果最佳。问题是，许多压缩机制造商在不同的压力下给他们的压缩机评级，如图1所示。

一个品牌	One hundred.	123 - 125	150	174 - 175	195 - 200
品牌B	One hundred.	115	125	135	150	190
品牌C	One hundred.	125	150	175	200
品牌D	115	150	165
品牌E	One hundred.	110 - 115	125	150	175	200

图1所示。用于润滑的固定转速旋转螺杆空气压缩机额定功率的压力(psi)。

经修订的《能源政策和节约法案》(EPCA)涵盖了某些商业和工业设备，包括压缩机，能源部(DOE)授权为其建立能源节约标准。美国能源部已确定，EPCA涵盖商业和工业空气压缩机，并一直在考虑此类设备的节能标准和测试程序。2020年1月，美国能源部发布了一份名为85FR1504的关于压缩机能效标准最终规则的联邦登记册通知。CAGI及其成员完全支持使用等熵效率作为压缩机效率比较的标准。定义等熵效率的最简单方法如图2所示。

图2。

等熵效率比较

这种等熵计算是基于全负荷运行，仅对固定转速的压缩机。目前公布的等熵效率最高约为92%，最低约为50%。一般来说，HP高于100的机器比HP较低的机器有更高的平均IE。这是因为两级压缩机通常在100 HP启动，具有更高的等熵效率。使用IE，用户可以比较100PSI的压缩机和150psi的机器，看看哪个更有效。截至2020年7月，所有参与性能验证项目的CAGI成员都在其CAGI数据表上发布了等熵效率。在250 HP以上，数据表上不需要等熵效率，所以我们使用计算的IE进行比较。图3显示了在所有不同压力下100 HP压缩机的比较。这些是按等熵效率排序的。如你所见，较低的比功率并不一定意味着较低的等熵效率。 Figure 4 shows the same comparison of two-stage compressors and in general they have a higher isentropic efficiency.

图3。

图4。

等熵效率比较将使压缩空气工业努力提高效率，从而在未来节省大量能源。有一天，你可能会看到美国能源部或州政府要求压缩机销售的最低等熵效率水平。

图5。等熵效率，马力，润滑，定速，旋转螺杆空气压缩机。基于截至2021年1月的CAGI数据表。

关于作者

Brian Parks已经在压缩空气行业工作了45年。他曾在美国和国外两家不同的空压机制造商从事服务、销售、机器测试、工程和区域管理工作。退休后，他创办了第四公用事业咨询公司，最初从事经销商培训、审计和审核工作。后来，该公司开始为压缩机公司提供咨询，通过使用CAGI数据表比较来提高效率，以帮助建立最有效的产品。Fourth Utility拥有一个超过6,500个存档数据表的数据库，这些数据表用于正确的审计和审计审查。

欲了解更多信息，请联系Brian Parks，总裁，Fourth Utility Consulting, email:4 thutilityconsulting@mail.com．

有关此主题的更多信息，请访问CAGI的网站，查看关于等熵效率的教育视频https://www.cagi.org/education/videos.aspx．

到mor CAGI标准产品参观//www.ghtac.com/standards/iso-cagi．