单级和两级旋转螺杆空压机的优缺点
在当今的现代化制造设施中，关键的工厂人员面临着许多挑战。我如何最大化生产?如何降低成本?什么样的改进会给我最大的回报?工厂经理必须不断问自己的问题既常见又重要:“我的工厂是否在以最高效率运营，我的‘每件产品成本’是否尽可能低?”
在工厂人员所关心的许多“系统”中，压缩空气系统往往提供了最大的改进和总体节省的机会。有许多制造商和几种空压机技术可供选择。往复式或扶轮?定速还是变速?淹油还是无油?单级还是两级技术?这足以让任何人想要逃跑和躲藏!
本文讨论了单级与两级旋转螺杆空压机的优缺点。两者都有一个地方，两者之间有一些明显的区别。
旋转螺杆空压机经常为工厂提供最大的改进和节约的机会。
旋转螺杆压缩原理
旋转螺杆压缩空气的原理实际上与往复式(活塞)压缩没有什么不同。这两种机器都是正排量的，每转一圈，在大气压下吸入一定体积的空气，然后减少空气体积，使压力升高到高于大气压的某个值。
不像往复式空气压缩机在线性压缩过程中使用气缸和活塞的安排，旋转螺杆空气压缩机使用一对相互啮合的螺钉(转子)包含在一个定子外壳(airend)，一端有一个进口端口，另一端有一个排出端口。男性转子有“叶”在螺旋(螺旋)模式下的转子的长度，和女性转子有匹配的“凹槽”(沟槽)在螺旋模式下其长度。雄和雌转子被切割到非常紧的公差，并在它们旋转时相互啮合在一起。当主旋翼和母旋翼的尖端在进气口侧汇合时，有一个空空间(体积)，大气空气被吸入压缩室。
一旦公转子和母转子在进口端口“相遇”，吸入的空气体积就会被困在叶瓣/凹槽和定子外壳之间。由于转子上的叶状/凹槽呈螺旋状，转子与定子壳之间的空间逐渐缩小，直到相互啮合的转子暴露在出料口。在放电时，吸入的大气空气的体积减小，根据波义耳定律产生更高的压力:体积和压力成反比。
基本计量单位
密封系统中的压缩空气可以储存能量，通过让空气膨胀回大气压来做“功”。压缩空气的膨胀使其回到大气状态，从而将空气输送到管道中，为线性和旋转执行机构提供动力，为自动化生产设备提供动力，以及其他大量有用的“工作”。
当谈到压缩空气系统时，要考虑三个基本的测量单位:流量、压力和功率。
- 流是体积速率的度量单位，用cfm表示，即每分钟立方英尺。请记住，“cfm”是一个通用的描述，没有对环境条件和测量点的进一步定义，它实际上是一个没有意义的数字。人们应该了解acfm、scfm和icfm之间的区别。为了便于讨论，我们将使用通用描述cfm。
- 压力是力的一种度量单位，用psi表示，即磅每平方英寸。它也是一个通用的描述，如果不进一步说明你说的是什么样的压强，psi实际上是一个没有意义的数字。一个人应该教育自己关于psia, PSIatm和psig之间的区别。为了便于讨论，我们将使用通用描述，即psi。
- 权力是生产所需能量的衡量标准吗x流速，在y表示为千瓦。
从技术上讲，终端用户并不为压缩空气付费，而是为产生所需流量和压力所需的能量(kW)付费。最终用户面临的挑战是确定在所需压力下生产所需体积压缩空气的最有效方法。
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单级压缩与两级压缩
有两种基本类型的旋转螺杆压缩:单级和两级。
单级旋转螺杆空压机在单个定子壳体中包含一组转子，通常由电机轴通过一组齿轮或由皮带和皮带轮直接驱动。两级旋转螺杆空压机包含两组同步转子，可以安装在一个共同的定子外壳(超过/低于设计)或两个单独的定子外壳串联(端到端设计)。
两级上下通风设计的特点是在顶部的一级压缩，压缩室之间的级间冷却，以及在底部的二级压缩。
超/欠设计利用“级间”冷却，通过注入润滑剂/冷却剂“幕”，提高整体效率。两级旋转螺杆空气压缩机通常是直接或齿轮传动的。单级旋转螺杆空压机吸收大气中的空气并“工作”(x流速，在y压力)在一个压缩过程中。两级旋转螺杆压缩机吸收大气空气，但在两个独立的压缩过程中“分担工作”，并在两者之间对其进行冷却。
两者之间的区别不是最终结果，而是产生最终结果所需的能量。打个简单的比方:如果让你把车从A点推到B点，你就需要消耗一定的能量。如果你有一个朋友帮忙把车推到同样的距离，最终的结果是一样的，但它需要更少的能量，因为这是两个人做的工作，而不是一个人!
需要注意的是，每一种应用都是独特的，所有给定尺寸和技术的旋转螺杆空压机具有相似但不同的性能特征(流量、压力、功耗)。本文讨论的目的是演示单级压缩和两级压缩之间的区别，而不是基于实际应用。任何东西都有利弊，空气压缩机也不例外。单级和两级旋转螺杆空压机在工业中都有自己的位置，工厂经理负责根据其独特的需求和要求做出正确的选择。最终用户应该确保他们与压缩空气专业人员一起工作，他们有资格设计正确的系统。
单级空压机的优缺点
单级旋螺杆空压机的初始成本低于两级空压机，因此，如果您的预算有限，有大量可靠和有效的解决方案，可随时从各种各样的制造商。
单级旋转螺杆空压机制造的马力大小范围很广，一般从3到600马力(hp)，这使它们成为多种空压机应用的通用解决方案，不同的“需求曲线”之间的换班，甚至在同一换班期间。单级空气压缩机提供多种选择，如罐安装，整体干燥机，开放或封闭，和微处理器(控制器)的选择。与两级空压机一样，单级空压机也可采用多种控制方法。
所有单级空压机都是利用空压机排气时的压力来控制机器的运行。加载/卸载控制允许空压机在“功率曲线”上的两个最有效点运行，即满载(压缩空气)和卸载(运行但不压缩空气)。需要注意的是，“最高效”的空压机是关闭的那一台!通过适当的接收器存储能力，装卸控制可以接近变速的效率水平。如果没有适当的贮气器储存，载荷/卸载会对风轴承施加过度的应力，并缩短其寿命。
调节控制通过来自排放的空气压力信号“节流”进气阀，并允许空压机在设备需求可变时保持负载状态，负载/卸载控制可能导致空压机“快速循环”(在短的快速循环中加载和卸载)。虽然调制可以通过减少或消除与加载/卸载相关的开/关推力载荷来延长副翼的寿命，但这是非常低效的。变速驱动器(VSD)技术感知排气压力，并改变主电机的速度，提供所有控制方法中最佳的部分负载效率。单级旋转螺杆空压机提供几种不同的传动安排，包括皮带传动，直接传动和齿轮传动，让您灵活地选择正确的传动安排，为您的特定应用和维护能力。
图中显示了单级和两级空气压缩机在功率曲线上任何一点上使用加载/卸载、调制和变速驱动控制方法时的效率差异。
尽管任何旋转螺杆风箱的寿命取决于安装条件、维护水平和应用本身，但单级旋转螺杆风箱的寿命一般比两级旋转螺杆风箱的寿命短。稍后再详细介绍。无论您购买什么品牌的产品，请确保制造商是压缩空气和气体研究所(CAGI)第三方性能验证计划的成员。CAGI使用第三方验证来证实制造商关于性能(压力下的流量和能源消耗)的声明。单级旋转式空压机的能效多年来一直在提高，通过CAGI的第三方验证计划，您可以确信参与厂商所宣称的性能特征是准确的。需要注意的是，并不是所有的制造商都参与了CAGI第三方性能验证计划。
两级空压机的优缺点
到目前为止，应该很清楚两级压缩相对于单级压缩的最大优势是能源效率。
由于生产这种技术的制造商数量有限，两级技术在马力范围(通常为125马力以上)方面更受限制。正如您可能已经猜到的，两阶段技术的初始购买价格更高。
两级空压机与单级空压机具有相同的控制方案，但可供选择的选项更少，正如人们可能想象的那样……你不能在坦克上安装一台125马力以上的空压机!取决于你考虑的两级空气压缩机的类型(超过/低于串联设计)，占地面积可能比单级机器提供的更大…只是盒子里有更多的东西!
两级压缩相对于单级压缩的能源效率优势在高、相对稳定的流量应用中得到最大化，当两级压缩可以作为“基础负荷”空压机时。换句话说，“让大狗吃吧。”两级能效效益在空压机始终100%满负荷运行时得到最佳体现。与同等尺寸的单级空压机相比，两级旋螺杆空压机的初始成本可能高达30%，如果你的预算有限，这是一个明显的缺点。
从表面上看，这看起来很激烈，但因为两级空气压缩机更有效，你可能能够以更低的马力供应所需的流量，这将有助于缩小差距约15 - 20%。但是，为什么有人会花更多的钱买一个更小的空气压缩机呢?答案很简单，因为空压机的初始购买价格只是拥有总成本的一小部分。你为空压机支付一次费用，但你支付的是运行空压机整个寿命周期的动力。
在购买决策中考虑动力成本
动力成本占旋转螺杆式空压机总拥有成本的75%，两级空压机在整个生命周期中可以节省大量的能源。
旋转螺杆空压机“全生命周期”的所有权成本。
例如，假设你的工厂每天24小时，每周7天(每年8,736小时)运行，在125psi下需要1,000 cfm来满足生产要求，你需要支付美元。10千瓦时给当地电力公司。
方案A提供以下内容:
- 250 HP单级旋转螺杆空压机。
- 额定负载1029 cfm, 125 psi。
- 满载时消耗212.6 kW (1029 cfm)。
- 电机效率96%。
- 65000美元的价格出售。
方案B提供以下内容:
- 200马力两级旋螺杆空压机。
- 额定负载1074 cfm和125 psi。
- 在满载时消耗188千瓦(1,074 cfm)。
- 电机效率96%。
- 78000美元的价格出售。
与其他单级压缩方案相比，选项A的单级压缩方案可能是一种非常高效和经济的解决方案，但两级压缩(“共享工作”)的机械优势使其值得认真考虑。这个简单的公式[(kW X小时)*速率]/电机效率可以很好地估算出每台电机每年的电力成本:
- 选项A的动力成本- 250马力单级:212.6 X 8,736 X .10/。96 =每年193,466美元。
- 选项B的电力成本- 200马力两级:188 X 8,736 X 10/。96 =每年171,080美元．
这两种空气压缩机都能以所需的压力提供所需的cfm，但两级机组的效率更高，每年可节省22,386美元的动力成本。选项B比单级空压机多20%(1.3万美元)，但单是节省的电力就可以在7个月内收回两级空压机的溢价(1.3万美元/ 22,386美元)。事实上，与单级空压机(78000美元/ 22,386美元)相比，两级空压机节省的能源将在大约3.5年的时间内完全收回成本。从那时起，每年节省22,386美元，直接到你的底线!与单级相比，两级技术的另一个好处是更长的空气端寿命。
为什么两级压缩可以延长预期寿命?
与单级技术相比，两级技术的节能优势与更长的airend寿命相结合，随着时间的推移，节能效果会变得相当显著!与单级旋转螺杆空压机一样，买方应确保所考虑的所有制造商都是CAGI第三方性能验证计划的成员，以确保所引用的性能数据是准确的。
那么，为什么两级机的预期寿命要比单级空压机大呢?这与压缩比和推力(轴向)载荷有关。压缩比是绝对排放压力与绝对进口压力的比值(绝对压力考虑了大气压力和表压)，用表压+大气压力/大气压力表示。当压缩发生在机翼的长度和推动转子的表面积，一个推力负荷直接与压缩比产生。
例如:用单级旋转螺杆空压机在海平面达到100 psig(大气压力= 14.7 psia)，压缩比是(100 + 14.7)/14.7 = 7.8。换句话说，你必须将海平面上一立方英尺的大气压缩7.8倍，才能将压力提高到100 psig。所需的最终压力越高，压缩比就越高。压缩比越高，气动轴承承受的推力越大。
所有旋转螺杆空压机都有推力轴承来处理这种轴向载荷，但由于单级空压机是通过单个压缩过程将空气从大气压力压缩到最终排放压力，推力负荷比两级机组更大，两级机组分担工作并利用级间冷却从第一级除去压缩热。两级旋转空压机的压缩比在第一级可低至3.1，在第二级可低至2.5。较低的压缩比等同于较低的推力负荷上的轴承，产生一个更强大，可靠，更持久的空压机。当你挣扎着把车从A点推到B点的时候，你的后背、腿、胳膊、肩膀等都是你的“轴承”。如果有朋友帮助你，你的“轴承”的负荷就会减少，而且你的寿命也会比自己推的人长得多!
空气压缩机技术月刊电子通讯专注于供应方面的优化介绍了空压机技术和空压机控制系统。manbetx客户端12-5下载系统评估文章详细说明了压缩机控制允许kWh消耗匹配系统需求。 |
一刀切不是万能的
在一天结束的时候，单级和两级旋转螺杆空压机技术都是强大和可靠的解决方案，对于一个非常大的行业部门。两者之间有明显的区别，一种标准并不能适用于所有人。
这两种技术都牢牢扎根于工业领域，各有其地位。旋转螺杆空压机的购买者应该考虑的变量有很多。在本文中，我们介绍了技术(单阶段与两阶段技术)、初始购买价格、电力成本和airend预期寿命。还有许多其他变量需要考虑，如输入功率要求、噪音水平、维护方便程度、空压机房间布局和环境，以及辅助设备。这并不是一个详尽的清单，买家应该尽职调查，以确保与他们合作的压缩空气专业人员了解所有这些变量如何发挥最经济、有效和可靠的压缩空气解决方案。
关于作者
Scott Folsom是FS-Curtis的渠道开发总监，已经在公司工作了9年。他负责内外部渠道合作伙伴的培训、教育和支持，以及系统评估。他于1993年加入压缩空气行业，他过去的经验包括在该行业的压缩空气制造和分销领域工作。联系Scott，电话:314-383-1300 x 210，电邮:sfolsom@curtistoledo.com．
关于FS-Curtis
自1854年以来，FS-Curtis一直致力于制造高质量的设备，并提供无与伦比的服务。几十年来，公司及其产品通过创新和新技术不断发展，但对质量和服务的承诺始终如一。FS-Curtis生产一系列三至125马力的单级和两级往复式空气压缩机，以及五至350马力的单级和两级旋转螺杆空气压缩机。此外，FS-Curtis还提供全系列的空气处理和辅助设备。欲了解更多信息，请访问us.fscurtis.com．
所有照片均由FS-Curtis提供。
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