压缩空气供气系统节能手册

财团法人中技社节能技术发展中心(以下简称本中心)多年来协助 政府及产业界推动能源节约工作，有鉴于业者对于压缩空气系统的倚 重，但又无法由既有仪表之数据上，得知空气压缩机的日耗电量、产 气量、日负载、能源效率、空气管线的泄漏量等更进一步信息，进而 分析出系统上的各种问题，并寻求解决之道；为此本中心于多年前， 自加拿大引进较为简易之检测技术，经多年来协助业者分析、诊断各 种压缩空气系统，前后共检测过数十个工厂上百部各式空气压缩机， 协助业者发掘出压缩空气系统使用上的各种问题，并提出各项对策， 以供其参考改善。本手册即将过去几年服务所得之经验加以整理，期 望能对业界在压缩空气系统的使用上，有进一步的帮助。
马达带动的转子，转子的中心与外壳内部的中心有一偏心量，此偏心 量决定机台的输出量及压力。而在转子上嵌有滑动的叶片，当转子回 转时，由于离心力的作用使其与机壳内侧紧密接触，造成一密闭空间。 转子回转时，空气由吸入口处之密闭空间逐渐由大变小，而产生吸入 作用；而在排出口处，密闭空间由大变小，而排出压缩空气。
一、前言
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近年来，由于自动化设备在各行各业的普及，而气动设备的安全、 洁净、易于控制、取得容易等有利因素，因此被广泛应用于自动化设 备上。但为提供压力、洁净程度适合之压缩空气，各工厂必须安装、 配置一压缩空气供给系统；然而对此系统的管理上，由于大部份供气 系统除安装压力表外，并无安装其它合适的计量仪表，如流量计、电 力瓦时表、温度计等，对于所使用系统之运转状况，如现场实际需求 量、实际供气量、压缩机供气效率、现场泄漏量等，无法充份掌握， 进而适时的提出各项改善方案，降低压缩空气系统的运转成本。
径流式空气压缩机，由于轮叶与轮壳无接触，无直接之机械磨耗 损失，能源使用效率一般而言较之往复式为高。除此之外，常用之径 流式目前只有较大马力机台，约 300HP 以上，排气量 1200CFM 以上 者；另径流式由于机构上之限制，对于使用端需求变化较大时，无法 利用较有效率之方式进行降载运转，这在选用此类机台时不得不加以 注意。
鼓膜式空气压缩机其压缩空气输出量通常小于 1Nm3/min，但由于 结构简单，且不与润滑油接触，故可得到不含油份之压缩空气，极适 合于需小量无油之制程，较常为食品、制药等工业采用。
图 2.5、鼓膜活塞式空气压缩机
2.2.3、滑动叶片式空气压缩机 此类空气压缩机的结构如图 2.6 所示，在压缩机的外壳内，有一
件有活塞、气缸、进气阀、排气阀、各种连杆等。机台的运作可区分
为进气行程与排气行程。
在进气行程时，进气阀开启，排气阀关闭，阀门的启闭利用压差
致动而非机械致动，此时活塞下移引入外界空气。
在排气行程时，进气阀关闭，排气阀随后开启，阀门开启的时机
随设计方式而有些许不同，但在开启后，受到压缩而压力提升之空气
随即排出。
1
14.2233
0.967839
0.0689476
0.0703069
1
0.068046
1.01325
1.03323
14.6959
1
在压力表示上另有表压力及绝对压力之分，其中代表表压力之附 加符号为 g 或 G，绝对压力之附加符号为 a 或 A。举例来说，10kg/cm2G 之压力等于 11.03323 kg/cm2A，即
图 2.7、螺旋式空气压缩机
2.2.5、鲁式鼓风机 鲁式鼓风机之运作方式如图 2.8 所示。其机壳内有俗称「花生」
的两转子，以相反方向进行运转；此机台由于构造简单，且转子无直 接接触之磨耗，除保养容易外，设备购置成本低，能源效率亦不错。 但此类机台的单段压缩比最高约只达 1.7:1，因此之故较适合于低压、 气量大的场合中使用。
1.正常状态(代表附号 N)：指温度在 0℃，绝对压力 760mm-Hg 状 况下之干燥空气，此时之空气密度为 1.3kg/m3。
2.标准状态(代表附号 S)：指温度在 20℃，绝对压力 760mm-Hg， 相对湿度 75%之空气，此时之空气密度为 1.2kg/m3。
2.1.1、体积单位 压缩空气系统在体积的描述上，常用之单位有 ft3 及 m3，对于压
径流式空气压缩机台的另一特性为无油，即其产生出之压缩空气 可适用于需无油之制程中。
图 2.10、四段径流式空气压缩机
10kg/cm2G = 1.03323 kg/cm2(=1atm) + 10 kg/cm2 2.1.3、温度单位
温度常见之单位有℃及℉，两者间之关系如下两式所示： ℃=(℉－32) ×5 / 9 ℉=℃ ×9 / 5 + 32
3
2.1.4、湿度单位
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一般湿度之表示有两种，相对湿度与绝对湿度，其中又以相对湿
2.1.2、压力单位
压缩空气系统中对于压力数值的描述，常见之使用单位有公制之
kg/cm2，英制之 psi (lb/in2)，另一常用者为 bar，以上各单位间之换算
参见表 2.1。
表 2.1、常用压力单位之换算表
Bar
kg/cm2
psi
Atm
1
1.01972
14.5038
0.986923
0
缩空气此二数值会随其状态而有异，因此在使用此二数值时，必须标
明其状态，即其为正常状态下之体积(Nft3 及 Nm3)或标准状态下之体
积(Sft3 及 Sm3)。当其在相同状态下，即可使用以下二换算式进行换
算：
1 ft3 = 0.0283 m3
1 m3 = 35.31 ft3
1
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二、压缩空气供给系统概论
压缩空气供给系统所包括之设备有空气压缩机、干燥设备、过滤 设备、输送管线等主要组件。而其中更以空气压缩机为最大能源耗用 者，也因此在压缩空气系统的能源节约上，必须要求空气压缩机的高 效率运转。为达此一目的，除对空气压缩机制造销售商所提供之各项 描述机台特性之数值有所认识外，另对可供选用之各类型空气压缩机 及其特性亦必须有基本的认识。
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滑 动 叶 片 式 空 气 压 缩 机 的 每 一 机 台 的 输 出 量 可 高 达 1000 Nm3/min 以上，输出压力亦可高达7 8kg/cm2G，运转时振动也小，因 此不需安装于坚固的基础上；但一般而言能源效率较低，因此较少为 国内厂商采用。
图 2.6、滑动叶片式空气压缩机
度最为常见，其定义如下：
相对湿度＝实际水蒸汽量／该温度下之饱和水蒸汽量 ×100%
而绝对湿度之定义则为一单位体积之空气中，水蒸汽重量与干燥空气
重量之比例，其如下所示：
绝对湿度＝水蒸汽重量／干燥空气重量 ×100%
2.1.5、功率单位
在一以马达趋动之空气压缩机，其所用能源为电能，常用之功率
单位为马力(hp)及千瓦(kw)，每 1hp=0.746kw。至于空气压缩机(使用
2.2.4、螺旋式空气压缩机 螺旋式空气压缩机之结构如图 2.7 所示，主要是藉由一对雌雄转
子间的密封间隙缩小而达压缩的效果，机台由于高速运转，且无冲程， 因此噪音小，运转平稳，一般不需坚固的基础。
此类空气压缩机又可分为有油及无油两种；其中无油式的干式压 缩，为避免其转子直接接触，因此两转子的转动，藉由同步齿轮来达 成，而其单段压缩比也无法太高，输出压力约只达数 kg/cm2，为此在 较高压力需求的场合中，此类机台必须藉由两组压缩机的串联，方可 达成所需之输出压力。另无油式，目前已开发出水润滑方式，藉此方 式不仅可简化压缩机台的机构，亦可提高单段压缩比值。
高速旋转的叶轮，空气由其叶片带动，高速抛离叶片而进入升压环。 升压环由于断面积的逐渐扩大，导致压缩空气流速降低，而压力得以 升高。在叶轮转动时，由于其中心附近将形成真空，因此而产生吸气 的功能。
图 2.9、径流式空气压缩机
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一般径流式空气压缩机单段所能10产生的压力上升较之往复式及 螺旋式机种为小，因此为得到较高的压力输出，必须加以多段串联， 其如图 2.10 所示。
图 2.3、双段往复式活塞空气压缩机(一)
图 2.4、双段往复式活塞空气压缩机(二)
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2.2.2、鼓膜活塞式空气压缩机 此类空气压缩机的工作原理和往复活塞式相同，但此类机台是靠
鼓膜而达到密封作用，但也由于鼓膜的存在而使活塞的行程较短，因 此压缩比也较小，其结构如图 2.5 所示。
除单段式鲁式鼓风机外，目前已有串联两组鲁式压缩转子的机 台，藉由此机构设计，可使机台之输出压力高达 2.0 kg/cm2G 以上， 大幅扩大其适用范围。
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图 2.8、鲁式鼓风机
2.2.6、径流式(离心式)空气压缩机 径流式亦俗称离心式，其作动原理如图 2.9 所示，其机体内有一
三相马达)的实际电能耗用功率可以下式计算出。
功率(kw) = 1.732 ×电流(I) ×电压(V) ×功率因子/1000
注：电流(I)之单位为安培
电压(V)之单位为伏特
2.2、空气压缩机类型
空气压缩机依其作动原理可区分为两大类，分别为定排量式压缩 机及动力式压缩机。定排量式机台之基本原理是将空气引导到一封闭 空间中，再利用机件的移动，使封闭空间由大变小，直接使得其中之 空气的压力上升。动力式机台则是藉由轮叶的高速运动使空气快速流
图 2.2、单段往复式活塞空气压缩机
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活塞式空气压缩机的输出压力由其压缩比决定，一般单段式压缩 比最高可达 12:1，即排气压力为进气压力的 12 倍。在需要更高压力 的场合时，可利用串联之方式达成，即将经第一段压缩出之气体再送 入另一气缸中再行压缩，其机械结构如图 2.3 及图 2.4 所示，如此而 得到更高的压力。但为提高压缩机效率起见，在进第二段压缩之前的 压缩空气，需经过一中间冷却器，其所使用之中间冷却器亦区分成气 冷及水冷两种。
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撰写人：庄朝焮
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