了得網工業技術_壓縮空氣節能增壓技術

內容簡介

本書是由作者結合近年來的科研成果編寫而成的，繫統地介紹了壓縮空氣高效、大流量節能增壓技術的實現問題。全書共分為6章。第1章介紹寫作背景及國內外增壓器技術現狀；第2章介紹IPR增壓器基本工作特性及EEU增壓器方案設計；第3章介紹增壓器數學建模、仿真與實驗；第4章介紹EEU增壓器工作特性的無因次化；第5章介紹EEU增壓器的優化及樣機優化設計；第6章介紹局部增壓氣動繫統的優化；後記歸納了全書內容，並對未來的工作提出展望。全書的主要特點在於提出了一套完整的壓縮空氣節能增壓技術研究的方法，開發了一種高效、大流量的壓縮空氣節能增壓技術。本書可供從事氣動繫統領域工作的工程技術人員、研究人員閱讀，也可供高等院校相關專業研究生參考。

作者簡介

前言
序
符號表
第1章緒論1
1.1 寫作背景1
1.2 氣體增壓技術概述3
1.2.1 電動增壓技術3
1.2.2 氣動增壓技術4
1.3 壓縮空氣高效大流量增壓技術概述8

前言

序

符號表

第1章緒論1

1.1 寫作背景1

1.2 氣體增壓技術概述3

1.2.1
電動增壓技術3

1.2.2
氣動增壓技術4

1.3 壓縮空氣高效大流量增壓技術概述8

1.3.1
國外高效大流量增壓技術現狀8

1.3.2
國內高效大流量增壓技術現狀11

1.3.3
目前存在的主要問題13

第2章 IPR增壓器基本工作特性及EEU增壓器方案設計15

2.1 概述15

2.2
IPR增壓器的結構及工作原理16

2.2.1
IPR增壓器的結構組成16

2.2.2
IPR增壓器的工作原理17

2.3
IPR增壓器的輸出流量特性17

2.4
IPR增壓器的功率效率特性19

2.4.1
氣動繫統能量評價體繫19

2.4.2
IPR增壓器的功率效率特性24

2.5
IPR增壓器工作過程中能量損失機理分析26

2.5.1
IPR增壓器工作過程分析26

2.5.2
減壓閥減壓過程分析27

2.5.3
活塞做功壓縮過程分析28

2.5.4
增壓器有效能總損失率分析30

2.5.5
IPR增壓器有效能損失率無因次化32

2.6
EEU增壓器的結構、工作原理及樣機設計制造35

2.6.1 EEU增壓器的結構組成36

2.6.2
EEU增壓器的工作原理36

2.6.3
EEU增壓器的設計及制作37

2.6.4
兩種增壓器的工作性能初步比較38

2.7 小結39

第3章增壓器建模仿真與實驗41

3.1 相關定義41

3.2 增壓器的建模42

3.3 增壓器工作過程仿真46

3.3.1
IPR增壓器仿真47

3.3.2
EEU增壓器仿真49

3.3.3
兩類增壓器工作特性比較52

3.4 實驗儀器及測試軟件53

3.4.1
虛擬儀器簡介54

3.4.2
實驗裝置54

3.4.3
虛擬儀器設計55

3.5 數學模型的實驗驗證及誤差分析56

3.6 增壓器工作特性的實驗58

3.6.1
增壓器設定輸出壓力特性58

3.6.2
增壓器輸出流量特性59

3.6.3
增壓器的功率效率62

3.6.4
增壓器*工作狀態下的性能62

3.7 小結63

第4章 EEU增壓器工作特性的無因次化65

4.1 概述65

4.2 基準量及無因次參數65

4.2.1
基準量66

4.2.2
無因次參數67

4.3 增壓器數學模型的無因次化68

4.4 增壓器輸出流量的無因次化70

4.4.1
增壓器的無因次工作特性70

4.4.2
各無因次參數對增壓器輸出流量的影響72

4.4.3
各無因次參數對增壓器功率效率的影響77

4.5 小結79

第5章 EEU增壓器的優化及樣機優化設計81

5.1 概述81

5.2 主要影響參數對增壓器工作特性的影響81

5.2.1
無因次活塞設定行程對增壓器工作特性的影響規律82

5.2.2
無因次驅動腔活塞面積對增壓器工作特性的影響規律83

5.2.3
無因次輸出壓力對增壓器工作特性的影響規律85

5.3 基於主要影響參數的增壓器優化86

5.3.1
基於無因次活塞設定行程*值的增壓器優化86

5.3.2
基於無因次驅動腔活塞面積*值的增壓器優化88

5.4
EEU增壓器樣機優化及驗證91

5.5 小結93

第6章局部增壓氣動繫統的優化95

6.1 概述95

6.2 氣罐主要參數對繫統壓力脈動的影響96

6.2.1
氣罐充放氣過程的數學模型97

6.2.2
氣罐充放氣過程的無因次化數學模型97

6.2.3
氣罐充放氣過程的模擬仿真98

6.3 管道參數對繫統壓力脈動的影響104

6.3.1
管道氣流動態模型的建立104

6.3.2
管道氣流動態的仿真110

6.4 吸振器對繫統壓力脈動的影響116

6.4.1
吸振器主要參數對下遊管道輸出壓力脈動的影響規律118

6.4.2
吸振器主要參數對下遊管道輸出壓力脈動的影響率119

6.4.3
上遊管道輸入壓力脈動頻率對下遊管道輸出壓力的影響規律121

6.5 件對局部增壓繫統性能的影響123

6.6 小結124

後記126

參考文獻129

前言

隨著能源需求量不斷攀升而自給量日漸降低，我國能源形勢日益嚴峻。空壓機作為重要的工業耗能設備，2007年耗電高達2000億kW?h，約占全國總耗電量的6%。壓縮空氣繫統由於效率低、浪費嚴重，對其進行節能優化勢在必行。采用局部增壓的方法，降低空壓機的輸出壓力是壓縮空氣繫統節能技術體繫重要的組成部分，具有重要的節能效果。目前常見的壓縮空氣增壓技術由於輸出流量小、效率低，限制了其在工業現場的推廣應用。為了提高壓縮空氣局部增壓技術及裝置的輸出流量和效率，滿足工業現場的需要，本書提出一種能夠有效利用驅動腔膨脹能的增壓技術，該技術具有輸出流量大、效率高的特點，具有較好的推廣前景，為氣動繫統節能提供了重要的技術支持。本書從介紹常用的輸入減壓式增壓器（Input Pressure Reduced Booster，簡稱IPR增壓器）工作特性開始，主要介紹如下幾個方面的內容。 1）在介紹IPR增壓器的結構分析及工作原理的基礎之上，引入了氣動功率的概念，IPR增壓器不同工作階段能量損失的無因次化，揭示了IPR增壓器能量損失機理及規律。在此基礎上，提出了膨脹能利用式增壓器（Expansion Energy Used Booster，簡稱EEU增壓器）的設計方案，利用現有的較為成熟器件，組裝制作EEU增壓器樣機。 2）介紹了如何建立增壓器工作過程的數學模型並進行仿真，活塞的作動特性以及各腔室內空氣狀態的變化特性分析，揭示了EEU增壓器的工作性能優於IPR增壓器的工作機理。基於虛擬儀器技術，對兩類增壓器的輸出流量特性進行實驗，驗證了書中所建數學模型的準確性，並得出：EEU增壓器在工作狀態下，其輸出流量與IPR增壓器的輸出流量均隨著增壓器比的增大而減小，EEU增壓器的輸出流量約為IPR增壓器輸出流量的1.4～4倍；在相同的輸入壓力時，為輸出相同壓力、相同流量的壓縮空氣，EEU增壓器的功率效率比IPR增壓器的功率效率大11%。 3）選擇了適當的基準量，對原數學模型進行無因次化，並對無因次化的數學模型進行模擬仿真，分析了各無因次參數對增壓器工作特性的影響程度，得出：增壓器的無因次平均輸出流量、功率效率主要受到無因次活塞設定行程、無因次輸出壓力、無因次驅動腔活塞面積的影響，其他無因次參數的影響可以省略。 4）介紹了無因次活塞設定行程、無因次輸出壓力、無因次驅動腔活塞面積對增壓器的無因次輸出流量、功率效率的影響，以及如何確定各無因次參數的值。以大的輸出流量及高的工作效率為原則，如何確定增壓器的優化方法。後，介紹根據研究確定的優化方案對增壓器樣機如何進行結構參數、工作參數優化，書中介紹的模擬仿真方法及實驗研究結果驗證了優化方案的準確性。 5）對由增壓器、氣罐、管道、吸振器組成局部增壓氣動繫統進行優化的介紹，揭示了氣罐容積、管道長度和內徑、排氣口有效截面積、吸振器容積以及吸振器接入位置等參數對壓縮空氣壓力脈動及壓損的影響，後介紹了該局部增壓氣動繫統的優化原則：在允許的情況下，應盡量增加氣罐的容積、降低氣罐的輸出壓力，適當增大管道內徑、縮短管道長度，盡量增加吸振器的容積以及增加其上遊管道的長度；在保證輸出壓力波幅在一定範圍內時，應適當降低上遊管道的輸入壓力脈動頻率。各章內容如下。第1章緒論本章介紹該書的寫作背景，並對壓縮空氣高效大流量增壓技術的發展以及國內外研究狀況進行綜述。第2章 IPR增壓器基本工作特性及EEU增壓器方案設計本章首先介紹IPR增壓器的結構、工作原理及其工作性能。之後，基於氣動有效能、氣動功率概念，介紹IPR增壓器工作過程中的能量損失及增壓器不同階段及總的能量損失率計算公式。選擇適當基準量，對能量損失計算公式進行無因次化，從而得出IPR增壓器工作過程中的能量損失機理。後，提出EEU增壓器的設計方案，並加工制造樣機。第3章增壓器建模仿真與實驗本章首先對兩類增壓器的相關參數進行定義，基於其工作原理分析，建立增壓器工作過程的數學模型。利用MATLAB/simulink仿真環境進行仿真運算。通過對所建數學模型的理論分析、仿真，分析活塞的作動特性以及各腔室內空氣的壓力、流量、溫度變化特性，指出EEU增壓器輸出流量大於IPR增壓器的原因。之後，基於虛擬儀器技術，搭建試驗臺，對兩類增壓器的輸出流量特性進行實驗，驗證所建數學模型的可靠性。後，本章對兩類增壓器的工作特性進行介紹，證明EEU增壓器的工作性能優於IPR增壓器。第4章 EEU增壓器工作特性的無因次化本章首先選擇適當的基準量，對第3章建立的增壓器工作過程的數學模型進行無因次化，並理論分析影響增壓器工作特性的主要因素。經過對無因次化的數學模型的仿真，介紹各無因次參數對增壓器的無因次輸出流量及功率效率的影響特性，確定影響增壓器的無因次輸出流量及功率效率的主要因素，為第5章EEU增壓器工作性能的優化奠定基礎。第5章 EEU增壓器的優化及樣機優化設計本章首先介紹無因次活塞設定行程、無因次輸出壓力、無因次驅動腔活塞面積對增壓器的無因次平均輸出流量及增壓器的功率效率的影響特性，並確定無因次活塞設定行程、無因次驅動腔活塞面積的值。以大的輸出流量及高的工作效率為原則，得出有效提高增壓器工作性能的方法。後，以前期設計的實驗樣機為對像，根據確定的優化方案對其進行優化，通過模擬仿真及實驗驗證優化方案的準確性。第6章局部增壓氣動繫統的優化本章首先建立氣罐的數學模型，選擇增壓器的基準量作為其基準量，對該數學模型進行無因次化，並對無因次化後數學模型進行仿真。另外，建立管道氣流動態模型，采用逆風差分格式對其進行離散化，並對由增壓器、氣罐、吸振器及管道組成的繫統進行模擬仿真，得到氣罐、管道、吸振器的主要參數對壓縮空氣壓力脈動波幅及壓力損失的影響特性，並總結得出該局部增壓氣動繫統的優化方法。後記本書後一部分對本書的內容進行了繫統的總結並對本書內容的創新之處進行闡述和歸納。此外，對將來的研究工作進行探討和展望，指出壓縮空氣增壓技術未來的研究方向和重點。本書的主要內容為作者近幾年來的研究成果，內容新穎，屬於當前氣動增壓技術領域的前沿問題，具有理論與應用價值。本書的撰寫得到了北京航空航天大學焦宗夏教授、王少萍教授，清華大學何楓教授、徐文燦教授，北京理工大學張百海教授的指導，在此表示由衷的感激。本書的出版得到了國家自然科學基金（項目編號51205008）和中央高校基本科研業務費的資助，在此一並表示感謝。由於作者水平有限，書中不足之處在所難免，熱誠歡迎讀者與同行批評指正。隨著能源需求量不斷攀升而自給量日漸降低，我國能源形勢日益嚴峻。空壓機作為重要的工業耗能設備，2007年耗電高達2000億kW?h，約占全國總耗電量的6%。壓縮空氣繫統由於效率低、浪費嚴重，對其進行節能優化勢在必行。采用局部增壓的方法，降低空壓機的輸出壓力是壓縮空氣繫統節能技術體繫重要的組成部分，具有重要的節能效果。目前常見的壓縮空氣增壓技術由於輸出流量小、效率低，限制了其在工業現場的推廣應用。為了提高壓縮空氣局部增壓技術及裝置的輸出流量和效率，滿足工業現場的需要，本書提出一種能夠有效利用驅動腔膨脹能的增壓技術，該技術具有輸出流量大、效率高的特點，具有較好的推廣前景，為氣動繫統節能提供了重要的技術支持。本書從介紹常用的輸入減壓式增壓器（Input Pressure Reduced Booster，簡稱IPR增壓器）工作特性開始，主要介紹如下幾個方面的內容。 1）在介紹IPR增壓器的結構分析及工作原理的基礎之上，引入了氣動功率的概念，IPR增壓器不同工作階段能量損失的無因次化，揭示了IPR增壓器能量損失機理及規律。在此基礎上，提出了膨脹能利用式增壓器（Expansion Energy Used Booster，簡稱EEU增壓器）的設計方案，利用現有的較為成熟器件，組裝制作EEU增壓器樣機。 2）介紹了如何建立增壓器工作過程的數學模型並進行仿真，活塞的作動特性以及各腔室內空氣狀態的變化特性分析，揭示了EEU增壓器的工作性能優於IPR增壓器的工作機理。基於虛擬儀器技術，對兩類增壓器的輸出流量特性進行實驗，驗證了書中所建數學模型的準確性，並得出：EEU增壓器在工作狀態下，其輸出流量與IPR增壓器的輸出流量均隨著增壓器比的增大而減小，EEU增壓器的輸出流量約為IPR增壓器輸出流量的1.4～4倍；在相同的輸入壓力時，為輸出相同壓力、相同流量的壓縮空氣，EEU增壓器的功率效率比IPR增壓器的功率效率大11%。 3）選擇了適當的基準量，對原數學模型進行無因次化，並對無因次化的數學模型進行模擬仿真，分析了各無因次參數對增壓器工作特性的影響程度，得出：增壓器的無因次平均輸出流量、功率效率主要受到無因次活塞設定行程、無因次輸出壓力、無因次驅動腔活塞面積的影響，其他無因次參數的影響可以省略。 4）介紹了無因次活塞設定行程、無因次輸出壓力、無因次驅動腔活塞面積對增壓器的無因次輸出流量、功率效率的影響，以及如何確定各無因次參數的值。以大的輸出流量及高的工作效率為原則，如何確定增壓器的優化方法。後，介紹根據研究確定的優化方案對增壓器樣機如何進行結構參數、工作參數優化，書中介紹的模擬仿真方法及實驗研究結果驗證了優化方案的準確性。 5）對由增壓器、氣罐、管道、吸振器組成局部增壓氣動繫統進行優化的介紹，揭示了氣罐容積、管道長度和內徑、排氣口有效截面積、吸振器容積以及吸振器接入位置等參數對壓縮空氣壓力脈動及壓損的影響，後介紹了該局部增壓氣動繫統的優化原則：在允許的情況下，應盡量增加氣罐的容積、降低氣罐的輸出壓力，適當增大管道內徑、縮短管道長度，盡量增加吸振器的容積以及增加其上遊管道的長度；在保證輸出壓力波幅在一定範圍內時，應適當降低上遊管道的輸入壓力脈動頻率。各章內容如下。第1章緒論本章介紹該書的寫作背景，並對壓縮空氣高效大流量增壓技術的發展以及國內外研究狀況進行綜述。第2章 IPR增壓器基本工作特性及EEU增壓器方案設計本章首先介紹IPR增壓器的結構、工作原理及其工作性能。之後，基於氣動有效能、氣動功率概念，介紹IPR增壓器工作過程中的能量損失及增壓器不同階段及總的能量損失率計算公式。選擇適當基準量，對能量損失計算公式進行無因次化，從而得出IPR增壓器工作過程中的能量損失機理。後，提出EEU增壓器的設計方案，並加工制造樣機。第3章增壓器建模仿真與實驗本章首先對兩類增壓器的相關參數進行定義，基於其工作原理分析，建立增壓器工作過程的數學模型。利用MATLAB/simulink仿真環境進行仿真運算。通過對所建數學模型的理論分析、仿真，分析活塞的作動特性以及各腔室內空氣的壓力、流量、溫度變化特性，指出EEU增壓器輸出流量大於IPR增壓器的原因。之後，基於虛擬儀器技術，搭建試驗臺，對兩類增壓器的輸出流量特性進行實驗，驗證所建數學模型的可靠性。後，本章對兩類增壓器的工作特性進行介紹，證明EEU增壓器的工作性能優於IPR增壓器。第4章 EEU增壓器工作特性的無因次化本章首先選擇適當的基準量，對第3章建立的增壓器工作過程的數學模型進行無因次化，並理論分析影響增壓器工作特性的主要因素。經過對無因次化的數學模型的仿真，介紹各無因次參數對增壓器的無因次輸出流量及功率效率的影響特性，確定影響增壓器的無因次輸出流量及功率效率的主要因素，為第5章EEU增壓器工作性能的優化奠定基礎。第5章 EEU增壓器的優化及樣機優化設計本章首先介紹無因次活塞設定行程、無因次輸出壓力、無因次驅動腔活塞面積對增壓器的無因次平均輸出流量及增壓器的功率效率的影響特性，並確定無因次活塞設定行程、無因次驅動腔活塞面積的值。以大的輸出流量及高的工作效率為原則，得出有效提高增壓器工作性能的方法。後，以前期設計的實驗樣機為對像，根據確定的優化方案對其進行優化，通過模擬仿真及實驗驗證優化方案的準確性。第6章局部增壓氣動繫統的優化本章首先建立氣罐的數學模型，選擇增壓器的基準量作為其基準量，對該數學模型進行無因次化，並對無因次化後數學模型進行仿真。另外，建立管道氣流動態模型，采用逆風差分格式對其進行離散化，並對由增壓器、氣罐、吸振器及管道組成的繫統進行模擬仿真，得到氣罐、管道、吸振器的主要參數對壓縮空氣壓力脈動波幅及壓力損失的影響特性，並總結得出該局部增壓氣動繫統的優化方法。後記本書後一部分對本書的內容進行了繫統的總結並對本書內容的創新之處進行闡述和歸納。此外，對將來的研究工作進行探討和展望，指出壓縮空氣增壓技術未來的研究方向和重點。本書的主要內容為作者近幾年來的研究成果，內容新穎，屬於當前氣動增壓技術領域的前沿問題，具有理論與應用價值。本書的撰寫得到了北京航空航天大學焦宗夏教授、王少萍教授，清華大學何楓教授、徐文燦教授，北京理工大學張百海教授的指導，在此表示由衷的感激。本書的出版得到了國家自然科學基金（項目編號51205008）和中央高校基本科研業務費的資助，在此一並表示感謝。由於作者水平有限，書中不足之處在所難免，熱誠歡迎讀者與同行批評指正。
石岩

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采用增壓技術對氣動繫統進行局部增壓，以降低空壓機供給壓力，是氣動繫統節能的一項重要措施。與電動增壓技術相比，氣動增壓技術以壓縮空氣為動力，無須電源，避免了由於頻繁啟停對工廠的電網、氣動管道的衝擊。另外，氣動增壓裝置結構簡單、體積小、價格低，易於使用，在一些需要少量高壓氣體的場合得到了廣泛的推廣。《壓縮空氣節能增壓技術》一書針對氣動增壓技術能量轉換效率低、輸出空氣流量小的問題，建立了一套氣動增壓技術能效評價與優化設計理論，提出了多種提高氣動增壓技術能效和流量的方法，是我國本專門繫統論述氣動增壓技術的專著。該書深入地研究了影響氣動增壓技術能效與輸出流量的各種因素，建立了氣動增壓裝置工作過程的數學模型，並進行無因次化研究，揭示了增壓過程中壓縮空氣能量轉換與能量損失的機理，明確了關鍵參數對增壓裝置能效及輸出流量的影響規律，並提出了氣動增壓裝置優化設計的方法。本書所呈現的研究成果不僅具有重要的理論價值，而且具有重要的工程實際意義，特別是在工程實踐中的成功應用與實施，體現了我國在氣動增壓領域的理論水平與技術實力。本書大量引用相關領域的國際前沿文獻，結合作者的研究成果，經繫統分析、整理而著成，對於從事氣動繫統領域工作的工程技術人員、研究人員以及高等院校相關專業研究生具有很高的參考價值。

博導/教授長江學者/傑出青年基金獲得者/973首席科學家

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