空壓機之流量與性能試驗 林淑聯

空壓機之流量與性能試驗

1崑山科技大學機械系

楊馬田²、賴清溪²、郭欽弘²、羅瑞文²、蔡鶴彬²

2財團法人工業技術研究院機械系統研究所 摘要

大部分工業均需壓縮空氣作為多種用途，除可做簡單空氣驅動工具外，也可作為複雜的 氣動控制，但是一般都會使用比設備更多的能源，約有 10%以上的電力消耗掉，在工廠中，

壓縮空氣為一個昂貴的能源，因此增加空氣壓縮機效率將可得到明顯的節能。

由建立之實驗室為小型空壓機性能試驗實驗室，以風管及噴嘴進行三部國產10HP 空壓 機之性能試驗，分別比較空氣流率Qs、容積效率 η^v、絕熱總效率ηad、耗能比值(Qs/馬力數），

由試驗結果可知在三部空壓機中，以A 牌空壓機無論在空氣流率、容積效率、絕熱總效率、

耗能比值的表現都是最佳，因此A 牌空壓機在使用時，耗電量會比較少，不同廠牌空壓機，

其效率也有相當大的差異，甚至差到10%以上，因此進行空壓機性能試驗是有必要的。

關鍵字：空壓機、性能試驗、絕熱總效率

Air Flow Rate and Performance tests of Air Compressors ABSTRACT

Most industrial facilities need some form of compressed air, whether for running a simple air tool or for more complicated tasks such as operation of pneumatic controls. Unfortunately, running air compressors often uses more energy than any other equipment. Many air compressors may be running at efficiencies as low as 10 percent. Compressed air is one of the most expensive sources of energy in a plant. Improving air compressors efficiency can yield significant savings to your facility.

The air compressor performances test laboratory was established. Three 10HP air compressors were tested. The air flow rate, volume efficiency, adiabatic thermal efficiency, and energy consumption ratio were compared. The test results showed that the performance for brand A air compressor is best of the three compressors. The variation of efficiency is over 10%, so the test of air compressor is necessary for energy economic.

Key Words: Air Compressor, Performance Test, Adiabatic Thermal Efficiency 一、前言

在諸多被經使用的能源中，每一種能源 都有其特定範圍，在適用性上各有優缺點，

不可否認的，電力是所有能源中最普及也最 具方便性的能源；其次，壓縮空氣可說是僅 次於電力的普及能源之一，雖然壓縮空氣的 使用尚未像電力一樣的深入一般家庭中，但

是工業、礦業、工程業、醫療業甚至農業都 有日趨廣泛的用途，尤其在工業界的使用量 極其可觀，主要是著眼於它具有空氣機械較 輕、空氣取之不盡、能經常保持乾淨、無遭 受火災、在生產過程中，壓縮空氣可以和絕 大部份的產品直接接觸來傳送動力而不會傷 害產品等優點，因此具有幾種其他能源無法

取代的特性[1]。

先進及大型公司內部設備，有部份皆採 空壓驅動，因其有穩定，防漏電.輕便之優 點，因此空壓之了解.實乃目前各經營者.不得 不知之課題，空壓機的分類可有幾種方式 [1,2]：1.空壓機在壓縮空氣的過程中，以空氣 是否與潤滑油的混合來分類，可以區分為有 油式及無油式空壓機兩種；2. 以壓縮的方式 來區分空壓機可以分為容積型及輪機型等兩 種，容積型為定排量式空壓機，其共同特性 是藉助空壓機將密閉於一定容積內的空氣施 以機械功來「壓縮」空氣的體積，同時提升 壓 力 ， 此 類 型 的 空 壓 機 以 往 復 式 (Reciprocating) 及螺旋式 (Rotary Screw) 最 具代表性及普及性，往復式空壓機以工業 用、打氣、塗裝為主；馬力範圍：1/4 ～ 450HP，壓力：7～200kg/cm2G，而排氣量：

0.03 ～ 60m3/min ， 耗 能 比 (CMM/1HP) ： 0.07。螺旋式空壓機適合各行業使用；馬力 範圍：15 ～500HP，壓力：4～15kg/cm2G，

而 排 氣 量 ：1.1 ～ 60m3/min ， 耗 能 比 (CMM/1HP)：0.13。

由研究資料顯示[3~7]，空氣壓縮機的電 力使用最高可達整個工廠電力的 35%，壓縮 機從數匹馬力到一萬匹馬力都有，因此如何 選擇空壓機以達到節能的效果實乃一個重要 課題，目前就購買空壓機的客戶來看，除了 一些有制度化的大公司與工程公司之外，一 般客戶並不會要求效率與容積率等問題，他 們比較會專注在價格上，而如何選用空壓 機，以達較高的能源效率牽涉許多層面，包 括有大/小型空壓機的搭配選擇、如何選擇適 當的空壓機設計壓力及壓縮段數、如何選擇 馬達的大小、如何選擇適當的控制方式、如 何選擇適當的週邊配備等。

本研究將在工研院產學合作計畫支持 下，建立完成空壓機參考檢驗室，並將依所 建立之空壓機流量與性能檢測設備，測試國

產三部10 馬力空壓機，分別比較其耗能與效 率。

二、內容 1.實驗方法

本實驗設備建立，初期風管及噴嘴，

選用適合排氣量：0.97～2.26 m³/min ，其噴 嘴尺度為3/4”（1.905cm）， 風管長度：1.2m，

內徑：3”之風管，主要參考復盛公司依 ISO-1217 標準所設之空氣壓縮機排氣量測試 設備，噴嘴則參考CNS10213B7237 容積型壓 縮機檢驗法噴嘴(a)裝置，如圖 1。

所建立之實驗室為小型空壓機性能試驗 實驗室，空壓機最大功率為10HP，最大壓力 為一般型空壓機的7 kg/mm2，試驗方法參考 CNS-4485-B4021 及 CNS-3038-B7044[8]，空 氣壓縮機試驗法適用範圍為總壓力比約為15 以下之往復，迴轉，離心及軸流等式空氣壓 縮機之性能試驗。試驗項目在量測：(1)輸出 空氣量(換算成吸進狀態之空氣量)、(2)活塞 變位量、(3)輸出空氣壓力、(4)輸出空氣溫 度、(5)大氣壓力、(6)大氣溫度、(7)大氣溼度、

(8)轉速、(9)冷卻水進出口之溫度及水量、(10) 軸承溫度、(11)原動機輸出功率。試驗裝置如 下圖2：

2..檢測試驗步驟:

(1)根據待測之空氣壓縮機實際排氣量，選 擇適用的測定管路（風管）及噴嘴規 格。

(2)根據壓縮空氣出口的管徑大小選擇對 應的漸縮管，方能有效的以「連接管」

連接風管與待測之壓縮空氣出口。

(3)依照測試裝置方式，將測試源、連接管 及測定管路（風管）進行串聯。

(4)再將溫度計置放於測定管路（風管）之 噴嘴溫度量測點的位置。

(5)將大氣壓力錶、溫度計及溼度計開啟，

並置放於測試源附近，以量測相關數 據。

(6)將水柱表與測定管路（風管）連結(於 噴嘴壓力量測點的位置)，並暫時關 閉此通路，以避免測試源啟動時的瞬 間壓差將水柱表內的水噴出。

(7)開啟測試源，並透過節流閥的調整，以 確保排氣壓力的穩定。排氣壓力的穩 定後，即可將水柱表的連結開闢打 開。

(8)排氣壓力調整至規定壓力後，至少保持 15 分鐘。此階段須將測定管路（風 管）前端的洩水閥打開，將風管內的 冷凝水確實排除，前於排氣量測試前 將風管前端的洩水閥關閉。

(9)測定管路（風管）前端的洩水閥關閉 後，立即開始量測並記錄下列數據：

(a)大氣壓力(HPa) (b)環境溫度(℃) (c)環境濕度 φa(%) (d)水柱壓差(cmH2O)

(e)測定管路（風管）內溫度(℃) (10)排氣量之計算方法:

實際排氣量計算公式如下：

Qs＝W/γ1；

式中Qs：實際排氣量（m³/min）

W：排氣重量（kg/min）

γ1：進氣口空氣比重（kg/ m³） 其中γ1＝341.6P1/T1；式中P1：進氣 絕對壓力（kg/ m²）

P1＝1.033×實際之大氣壓力 /1013HPa

T1：吸氣絕對溫度（∘K）

T1＝273∘＋吸氣口之環境溫度 又W=0.066C(Dn)²（γ2×Δp）^1/2 ；其中 γ2＝341.6P2/T2

式中表示符號及使單位：

C：噴嘴排氣係數（依風管溫度、水 柱高及噴嘴查表6-5）

Dn：噴嘴規格(cm)

Δp：水柱高(cmH2O)壓力差 P2：風管內壓力(kg/cm²) P2＝P1+(Δp /1000)

T2：風管內絕對溫度（∘K）

T2＝273∘＋風管內溫度

2.1 理論絕熱空氣動力(Lad)之計算：假設壓縮 機之壓縮過程係絕熱變化，則其理論絕 熱空氣動力，Lad可用下列求得。

) ( 1 )

4500 ( 1

) 1 (

) ( 1 )

6120 ( 1

- k

1)k Lad (n

) 1 (

1 ) 1 (

1

Ps PS Pd PsQs k

k n

Ps KW Pd PsQs

k n

k

k n

k

⎪⎭

⎪⎬

⎫

⎪⎩

⎪⎨

⎧ −

− •

= +

⎪⎭

⎪⎬

⎫

⎪⎩

⎪⎨

⎧ −

+ •

=

+

− +

−

式內，Ps=進氣之絕對壓力(kg/m²) Qs=換算成進氣狀態之空氣量 (m³/min)

k=空氣之絕熱指數

Pd=輸出之絕對壓力(kg/m²) n=中間冷卻氣之數量 2.2 絕熱總效率(ηad)：

Ls L_ad

ad =

η

式內，Ls=壓縮機傳動功率(KW 或 PS)

2.3 體積效率(ηv)：

th

v Q

= Qs

η

式內 Qth=氣缸有效體積(m³/min) 3.試驗結果

本試驗以國產之三部10HP 空壓機進行 試驗試驗，試驗時固定空壓機儲氣桶末級壓 力為7kg/cm2，在 30 分鐘內分別進行五次試 驗，試驗結果如圖3~圖 6 所示，圖 3 為試驗 之三部10HP 空壓機之空氣流率，試驗結果，

空氣流率Qs 平均值，分別為 A 牌 1.18m³/min、B 牌 0.933m³/min、C 牌

0.985m³/min，在相同馬達及相同末級壓力 下，A 牌有較高之排氣空氣流率，而 B 牌最 低，A 牌空壓機比 B 牌空壓機多了 16%空氣 流率。

圖4 為試驗之三部 10HP 空壓機之容積 效率ηv，試驗結果，容積效率ηv平均值，分 別為A 牌 72.79%、B 牌 62.88%、C 牌 66.08%，

在相同馬達及相同末級壓力下，A 牌有較高 之容積效率，而B 牌最低，A 牌空壓機比 B 牌空壓機多了約10%容積效率。

圖5 為試驗之三部 10HP 空壓機之絕熱 總效率ηad，試驗結果，絕熱總效率ηad平均 值，分別為A 牌 90.01%、B 牌 75.76%、C 牌87.36%，在相同馬達及相同末級壓力下，

A 牌有較高之絕熱總效率，而 B 牌最低，A 牌空壓機比B 牌空壓機多了約 13%絕熱總效 率，顯示A 牌空壓機的熱效率會較佳，而且 使用時會較省電量。

圖6 為試驗之三部 10HP 空壓機之耗能 比值(Qs/馬力數），代表在單位馬力耗電量 下，所能排出之空氣流率，試驗結果，耗能 比值平均值，分別為A 牌 0.127、B 牌 0.108、

C 牌 0.127，在相同馬達及相同末級壓力下，

A 牌有較高之耗能比值，而 B 牌最低，顯示 A 牌空壓機在使用時，單位馬力會有較大排 氣量，相對在使用時會較B 牌空壓機省電量。

三、結論

由建立之實驗室為小型空壓機性能試 驗實驗室，以風管及噴嘴進行三部國產10HP 空壓機之性能試驗，分別比較空氣流率Qs、

容積效率η^v、絕熱總效率ηad、耗能比值(Qs/

馬力數），由試驗結果可知：

1.在三部空壓機中，以 A 牌空壓機無論在空 氣流率、容積效率、絕熱總效率、耗能比 值的表現都是最佳，因此A 牌空壓機在使 用時，耗電量會比較少。

2.B 牌空壓機的空氣流率最小，效率也最 差，因此使用B 牌空壓機會較耗電量。

3.不同廠牌空壓機，其效率也有相當大的差 異，甚至差到 10%以上，因此進行空壓機 性能試驗是有必要的。

四、感謝詞

本研究感謝財團法人工業技術研究院- 能源局高效率馬達應用技術開發與推廣計畫 -空壓機能源效率測試調查與參考實驗室建 立-之計畫的支持，並特別感謝相關業界前輩 之指導協助，特此一併致謝！！

五、參考文獻

1. 空氣壓縮機節能探討，生立生技公司，

www.e-compressor.net/1-1.doc

2. 呂台源，空壓機控制技術介紹，中技社，

www.e-compressor.net/1-2.doc。

3. What is the Compressed Air Challenge?, www.compressedairchallenge.org.

4. Assessing Compressed Air Needs, www.compressedairchallenge.org.

5. Energy Efficiency in Air Compressors, N.C.

Division of Pollution Prevention and Environmental Assistance.

6. Determine the Cost of Compressed Air for Your Plant, OFFICE OF INDUSTRIAL TECHNOLOGIESENERGY EFFICIENCY AND RENEWABLE ENERGY • U.S.

DEPARTMENT OF ENERGY 7. Evaluation of the Compressed Air

Challenge Training Program, U.S.

Department of Energy, Energy Efficiency and Renewable Energy.

8. CNS-3038-B7044，空氣壓縮機試驗法。

六、圖表彙整

圖1. CNS10213B7237 容積型壓縮機檢驗法 噴嘴裝置圖

圖2：空壓機試驗設備示意圖

0.6 0.8 1.0 1.2

1 2 3 4 5

試 驗 次 數(末級壓力7kg/cm2) 空氣流率Qs(m3/min)

A牌 B牌 C牌

圖3：不同空壓機之空氣流率比較

50 60 70 80

1 2 3 4 5

試 驗 次 數(末級壓力7kg/cm2) 容積效率ηv（％）

A牌 B牌 C牌

圖4：不同空壓機之容積效率比較

60 70 80 90 100

1 2 3 4 5

試 驗 次 數(末級壓力7kg/cm2) 絕熱總效率ηad（％）

A牌 B牌 C牌

圖5：不同空壓機之絕熱總效率比較

0.06 0.09 0.12 0.15

1 2 3 4 5

試 驗 次 數(末級壓力7kg/cm2)

耗能比值

( Q

s/馬力數）

A牌 B牌 C牌

圖6：不同空壓機之號能比值比較