压缩空气节能增压技术

本书是由作者结合近年来的科研成果编写而成的，系统地介绍了压缩空气高效、大流量节能增压技术的实现问题。全书共分为6章。靠前章介绍写作背景及靠前外增压器技术现状；第2章介绍IPR增压器基本工作特性及EEU增压器方案设计；第3章介绍增压器数学建模、仿真与实验；第4章介绍EEU增压器工作特性的无因次化；第5章介绍EEU增压器的优化及样机优化设计；第6章介绍局部增压气动系统的优化；后记归纳了全书内容，并对未来的工作提出展望。全书的主要特点在于提出了一套完整的压缩空气节能增压技术研究的方法，开发了一种高效、大流量的压缩空气节能增压技术。本书可供从事气动系统领域工作的工程技术人员、研究人员阅读，也可供高等院校相关专业研究生参考。

前言
序
符号表
第1章绪论1
1.1写作背景1
1.2气体增压技术概述3
1.2.1电动增压技术3
1.2.2气动增压技术4
1.3压缩空气高效大流量增压技术概述8
1.3.1国外高效大流量增压技术现状8
1.3.2国内高效大流量增压技术现状11
1.3.3目前存在的主要问题13
第2章IPR增压器基本工作特性及EEU增压器方案设计15
2.1概述15
2.2IPR增压器的结构及工作原理16
2.2.1IPR增压器的结构组成16
2.2.2IPR增压器的工作原理17
2.3IPR增压器的输出流量特性17
2.4IPR增压器的功率效率特性19
2.4.1气动系统能量评价体系19
2.4.2IPR增压器的功率效率特性24
2.5IPR增压器工作过程中能量损失机理分析26
2.5.1IPR增压器工作过程分析26
2.5.2减压阀减压过程分析27
2.5.3活塞做功压缩过程分析28
2.5.4增压器有效能总损失率分析30
2.5.5IPR增压器有效能损失率无因次化32
2.6EEU增压器的结构、工作原理及样机设计制造35
2.6.1EEU增压器的结构组成36
2.6.2EEU增压器的工作原理36
2.6.3EEU增压器的设计及制作37
2.6.4两种增压器的工作性能初步比较38
2.7小结39
第3章增压器建模仿真与实验41
3.1相关定义41
3.2增压器的建模42
3.3增压器工作过程仿真46
3.3.1IPR增压器仿真47
3.3.2EEU增压器仿真49
3.3.3两类增压器工作特性比较52
3.4实验仪器及测试软件53
3.4.1虚拟仪器简介54
3.4.2实验装置54
3.4.3虚拟仪器设计55
3.5数学模型的实验验证及误差分析56
3.6增压器工作特性的实验58
3.6.1增压器设定输出压力特性58
3.6.2增压器输出流量特性59
3.6.3增压器的功率效率62
3.6.4增压器最优工作状态下的性能62
3.7小结63
第4章EEU增压器工作特性的无因次化65
4.1概述65
4.2基准量及无因次参数65
4.2.1基准量66
4.2.2无因次参数67
4.3增压器数学模型的无因次化68
4.4增压器输出流量的无因次化70
4.4.1增压器的无因次工作特性70
4.4.2各无因次参数对增压器输出流量的影响72
4.4.3各无因次参数对增压器功率效率的影响77
4.5小结79
第5章EEU增压器的优化及样机优化设计81
5.1概述81
5.2主要影响参数对增压器工作特性的影响81
5.2.1无因次活塞设定行程对增压器工作特性的影响规律82
5.2.2无因次驱动腔活塞面积对增压器工作特性的影响规律83
5.2.3无因次输出压力对增压器工作特性的影响规律85
5.3基于主要影响参数的增压器优化86
5.3.1基于无因次活塞设定行程最优值的增压器优化86
5.3.2基于无因次驱动腔活塞面积最优值的增压器优化88
5.4EEU增压器样机优化及验证91
5.5小结93
第6章局部增压气动系统的优化95
6.1概述95
6.2气罐主要参数对系统压力脉动的影响96
6.2.1气罐充放气过程的数学模型97
6.2.2气罐充放气过程的无因次化数学模型97
6.2.3气罐充放气过程的模拟仿真98
6.3管道参数对系统压力脉动的影响104
6.3.1管道气流动态模型的建立104
6.3.2管道气流动态的仿真110
6.4吸振器对系统压力脉动的影响116
6.4.1吸振器主要参数对下游管道输出压力脉动的影响规律118
6.4.2吸振器主要参数对下游管道输出压力脉动的影响率119
6.4.3上游管道输入压力脉动频率对下游管道输出压力的影响规律121
6.5各主要元件对局部增压系统性能的影响123
6.6小结124
后记126
参考文献129

随着能源需求量不断攀升而自给量日渐降低，我国能源形势日益严峻。空压机作为重要的工业耗能设备，2007年耗电高达2000亿kW?h，约占全国总耗电量的6%。压缩空气系统由于效率低、浪费严重，对其进行节能优化势在必行。采用局部增压的方法，降低空压机的输出压力是压缩空气系统节能技术体系重要的组成部分，具有重要的节能效果。    目前常见的压缩空气增压技术由于输出流量小、效率低，限制了其在工业现场的推广应用。为了提高压缩空气局部增压技术及装置的输出流量和效率，满足工业现场的需要，本书提出一种能够有效利用驱动腔膨胀能的增压技术，该技术具有输出流量大、效率高的特点，具有较好的推广前景，为气动系统节能提供了重要的技术支持。    本书从介绍常用的输入减压式增压器（Input Pressure Reduced Booster，简称IPR增压器）工作特性开始，主要介绍如下几个方面的内容。    1）在介绍IPR增压器的结构分析及工作原理的基础之上，引入了气动功率的概念，IPR增压器不同工作阶段能量损失的无因次化，揭示了IPR增压器能量损失机理及规律。在此基础上，提出了膨胀能利用式增压器（Expansion Energy Used Booster，简称EEU增压器）的设计方案，利用现有的较为成熟的气动元器件，组装制作EEU增压器样机。    2）介绍了如何建立增压器工作过程的数学模型并进行仿真，活塞的作动特性以及各腔室内空气状态的变化特性分析，揭示了EEU增压器的工作性能优于IPR增压器的工作机理。基于虚拟仪器技术，对两类增压器的输出流量特性进行实验，验证了书中所建数学模型的准确性，并得出：EEU增压器在最佳工作状态下，其输出流量与IPR增压器的输出流量均随着增压器比的增大而减小，EEU增压器的输出流量约为IPR增压器输出流量的1.4～4倍；在相同的输入压力时，为输出相同压力、相同流量的压缩空气，EEU增压器的功率效率比IPR增压器的功率效率大11%。    3）选择了适当的基准量，对原数学模型进行无因次化，并对无因次化的数学模型进行模拟仿真，分析了各无因次参数对增压器工作特性的影响程度，得出：增压器的无因次平均输出流量、功率效率主要受到无因次活塞设定行程、无因次输出压力、无因次驱动腔活塞面积的影响，其他无因次参数的影响可以省略。    4）介绍了无因次活塞设定行程、无因次输出压力、无因次驱动腔活塞面积对增压器的无因次输出流量、功率效率的影响，以及如何确定各无因次参数的最优值。以大的输出流量及高的工作效率为原则，如何确定增压器的优化方法。最后，介绍根据研究确定的优化方案对增压器样机如何进行结构参数、工作参数优化，书中介绍的模拟仿真方法及实验研究结果验证了优化方案的准确性。    5）对由增压器、气罐、管道、吸振器组成局部增压气动系统进行优化的介绍，揭示了气罐容积、管道长度和内径、排气口有效截面积、吸振器容积以及吸振器接入位置等参数对压缩空气压力脉动及压损的影响，最后介绍了该局部增压气动系统的优化原则：在允许的情况下，应尽量增加气罐的容积、降低气罐的输出压力，适当增大管道内径、缩短管道长度，尽量增加吸振器的容积以及增加其上游管道的长度；在保证输出压力波幅在一定范围内时，应适当降低上游管道的输入压力脉动频率。    各章内容如下。    第1章  绪论    本章介绍该书的写作背景，并对压缩空气高效大流量增压技术的发展以及国内外研究状况进行综述。    第2章  IPR增压器基本工作特性及EEU增压器方案设计    本章首先介绍IPR增压器的结构、工作原理及其工作性能。之后，基于气动有效能、气动功率概念，介绍IPR增压器工作过程中的能量损失及增压器不同阶段及总的能量损失率计算公式。选择适当基准量，对能量损失计算公式进行无因次化，从而得出IPR增压器工作过程中的能量损失机理。最后，提出EEU增压器的设计方案，并加工制造样机。    第3章  增压器建模仿真与实验    本章首先对两类增压器的相关参数进行定义，基于其工作原理分析，建立增压器工作过程的数学模型。利用MATLAB/simulink仿真环境进行仿真运算。通过对所建数学模型的理论分析、仿真，分析活塞的作动特性以及各腔室内空气的压力、流量、温度变化特性，指出EEU增压器输出流量大于IPR增压器的原因。之后，基于虚拟仪器技术，搭建试验台，对两类增压器的输出流量特性进行实验，验证所建数学模型的可靠性。最后，本章对两类增压器的工作特性进行介绍，证明EEU增压器的工作性能优于IPR增压器。    第4章  EEU增压器工作特性的无因次化    本章首先选择适当的基准量，对第3章建立的增压器工作过程的数学模型进行无因次化，并理论分析影响增压器工作特性的主要因素。经过对无因次化的数学模型的仿真，介绍各无因次参数对增压器的无因次输出流量及功率效率的影响特性，确定影响增压器的无因次输出流量及功率效率的主要因素，为第5章EEU增压器工作性能的优化奠定基础。    第5章  EEU增压器的优化及样机优化设计    本章首先介绍无因次活塞设定行程、无因次输出压力、无因次驱动腔活塞面积对增压器的无因次平均输出流量及增压器的功率效率的影响特性