在談及無油式壓縮機之前,需先了解氣體壓縮之原理及其壓縮機構。
根據理想氣體方程式及波以耳定律,密閉容積氣體之壓力與其體積成反比,而與其溫度及單位體積所含有之分子數成正比。在目前氣壓系統之高壓氣體係利用氣體容 積之壓縮使其單位體積所含之分子數增加 ( 正位移壓縮機 ) 或利用增加氣體分子之速率 ( 動能 ) 進入一固定容積之壓縮室,且此進入壓縮室之速率比其離開壓縮室之速率快,使其在單位時間內單位容積之分子數增加 ( 離心式壓縮機 ) 而產生壓力。但是很不幸的,在壓縮過程中會因分子間內能之變化產生放熱現像導致氣體溫度升高,使得壓縮過程中之壓縮效率降低。
對於正位移壓縮機而言,在其壓縮過程中,是將壓縮室內之氣體分子數利用活塞壓縮作用,對氣缸內之氣體分子作功,除使分子之動能 ( 溫度上升 )增加外,並使其壓縮室容積減少而增加其單位體積之分子數以增加其靜壓能,因而提升壓力。
對於離心式壓縮機而言,其壓縮原理為利用葉片之快速運轉,將機械能轉
變為分子之動能,使得氣體分子能迅速進入壓縮室 ( 渦動室 ) 內。氣體分子因進入擴散室後體積膨脹,使得流速減低,並減速流出壓縮室外。
由於壓縮室內之分子數會因其流進與流出之速度差,有一固定之分子數增加速率,此係由氣體膨脹對系統作功轉化為靜壓能,而使得壓力上升。
因為離心式壓縮機之壓縮過程係將機械能完全轉變為分子之動能,故其溫度上升極大,由於其葉片快速旋轉過程中,其內部無冷卻媒介,僅靠外部冷卻,其冷卻效果極差,故其壓縮比不能大,否則其壓縮溫度上升太大,使得容積效率將極低。
舉例說明如下:
有一壓縮過程,其壓力係由表壓 0 atmG 壓縮至 3 atmG ( 進氣溫度 30 ℃ ) ,則其壓縮比為 4 ,亦即壓力增加 4 倍;若此壓縮過程為等溫壓縮 ( 壓縮熱在壓縮過程中全部被帶走 ),則此壓縮室之容積需減少為原來容積之1 /4 ,亦即單位體積之分子數增加為原來之四倍;但若此壓縮過程為絕熱壓縮,壓縮溫度180 ℃ ( 溫度上升 ( 273 180 ) / ( 273 30 ) = 約 1.5 倍 ),則當其壓縮壓力達原來之4倍時,其壓縮室容積僅需減少為原來容積之 1.5 / 4,亦即單位體積之分子數約增加為原來之2.7倍,故當此壓縮過程完成後將此壓縮室溫度降低至原來進氣溫度時,此壓縮室之壓力將降低為原來之 2.7 倍,而非原來之 4倍。
故知,其壓縮過程中之壓力增加除因為單位體積內之分子數增加外,其亦會因為溫度之上升而使壓力增加;但此一溫度上升壓力增加之因素,經後冷卻器冷卻後是無效的,亦即壓縮溫度上升使壓縮之容積效率降低。故知,壓縮室之冷卻是非常重要的。
對於往復式壓縮機而言,在其壓縮過程中,是將壓縮室內之氣體分子數利用活塞壓縮作用,對氣缸內之氣體分子作功,除使分子之動能增加外,並使其壓縮室容積減少而增加其單位體積之分子數以增加其靜壓能,因而提升壓力。
在此壓縮過程中,當壓縮室內氣體之壓力≧排氣閥門之背壓時,始排放其氣體;而其背壓則為氣體經過後冷卻器冷卻後之壓力。
往復式壓縮機在壓縮循環過程中,其壓縮機運轉功率係隨著其背壓 ( 或儲槽壓力 )而增加,直至其達最高設定出口壓力時始達額定運轉功率。
螺旋式壓縮機亦屬正位移壓縮機,其在壓縮過程中直接由入口壓力壓縮至出口最高壓力 ( 即額定壓力 ),然後再定容釋壓進入儲槽 ( 因在壓縮過程中,儲槽之壓力均比壓縮機出口壓力低 ),浪費能源。( 螺旋式壓縮機之壓縮汽缸進出口位置系依據其額定壓縮比設計,是故,螺旋式壓縮機汽缸出口之壓力固定,為其設計之額定壓力,不因其後端出口管線或儲槽壓力而 變化 ) 因此,螺旋式壓縮機在壓縮循環過程中均以額定功率運轉。螺旋式壓縮機之轉速亦非常快,氣缸冷卻效果差,故容積效率亦低。

* 上圖中所示,螺旋式壓縮機之壓縮過程及排氣過程中,如果其實際排氣壓力與設計排氣壓力相等時 ( 同樣是 8 ata ) ,則其將沿著絕熱壓縮線壓縮至 8 ata 而無功之損失。
* 若系統使用氣量不穩定,當系統大量用氣使得系統壓力不足導致螺旋式壓縮機實際排氣壓力僅為 7.5 ata 時,壓縮機轉子本身在氣缸內會壓縮至設計壓力點 8 ata ,當其公、母轉子之嚙合面與其氣缸之排放口接通而開始排氣時, 因此時還在壓縮階段但壓力忽然降至 7.5 ata ,使得壓縮室內氣體產生瞬間膨脹現象( sudden xpansion ) , 壓力降至 7.5 ata ,導致原先由 7.5 壓縮至 8 ata 之功變成了氣體膨脹時對系統作功而浪費了能量。
* 當壓縮機壓縮至設計壓力欲開始排氣時,如果系統用氣量減少,使得排氣口受到背壓之作用,無法排氣,此得氣體在壓縮室內以近乎定容之方式被壓縮,直到其壓力大於背壓時 ( 在此假設為 8.5 ata ),始開始排放,此時亦多消耗了一些能量。
* 如上述,正位移壓縮機氣缸內之壓力上升一部份為分子密度之增加,一部份為動能增加所造成;而離心式壓縮機之葉片室內完全由機械能轉變成動能經些微膨脹而增 加壓力。在上述之三種壓縮機當中,往復式壓縮之轉速最低 ( 約 1000 rpm 以下 ),螺旋式壓縮機轉速次之 ( 油潤滑式壓縮機轉速約 4000 ~ 6000 rpm , 無油螺旋式壓縮機轉速則高達 1 萬轉以上),離心式壓縮機轉速最高。
* 壓縮過程中轉速越高,則其冷卻效果越差,壓縮溫度則越高。因為離心式壓縮機之壓縮過程係將機械能完全轉變為分子之動能,故其溫度上升極大,由於其葉片快速旋轉過程中,其冷卻效果極差,故其壓縮比不能大,否則其溫度上升太大,使得容積效率將極低。

由上知,離心式壓縮機之排氣量需非常穩定,否則若排氣量降低,將引起壓縮室內之備壓上升,使得葉片承受太大之背壓而損傷,且會造成 surge 而振動。
* 螺旋式壓縮機之轉速亦非常快,氣缸冷卻效果差,故容積效率亦低。

故以同一壓縮比而言,在氣缸內之壓縮溫度離心式壓縮機將比往復式壓縮機高很多。
由上述知,在各類壓縮機中,屬往復式壓縮機之壓縮效率最高。
往 復式壓縮機其活塞於汽缸中往復壓縮之動作:係由馬達或其他驅動器驅動曲軸轉動,此曲軸會將此轉動模式經由連桿及十字頭組轉變為活塞桿之往復直線運動。由於 曲軸之圓周運動、活塞及活塞桿等之往復加減速運動、汽缸內流體對活塞之作用力等,會經由連桿及曲軸將這些作用力傳導至整個機器骨架結構及機座鋼架上;而造 成機器之不平衡及震動,影響機器之穩定度及使用壽命。
* 故知,往復式壓縮機之製作技術層面極高,若其製作過程精密度不夠,將使得其壓縮過程中,力量之不平衡而導致機器之震動,使用壽命縮短。往復式壓縮機之設計瓶頸極多,要將往復式壓縮機做好、其設計及製造的精密度及艱難度亦是所有各型壓縮機中最難的。

對於一台製作精良之往復式壓縮機而言,其在運轉中可達不震動之境界,且由於其結構之簡單及低轉速運轉等特性,在所有各型壓縮機中,往復式壓縮機之使用壽命最長,且其維修保養最簡易費用最低。
* 壓縮機運轉之噪音來自於壓縮氣體之流動所引起,由於往複式壓縮機轉速慢及低速往復運動,往復式壓縮機之噪音為低頻且聲音小,故除非有特別要求低於 70 分貝以下之噪音值,往復式壓縮機一般不裝設防音箱。至於螺旋式及離心式壓縮機其在高轉速壓縮過程中,由於其壓縮氣體之高速率流動,產生尖銳高頻且極大聲之 噪音,如果其不裝設防音箱,在其周圍根本無法忍受。

依據壓縮機汽缸設計之潤滑特性,壓縮機區分為油潤滑式壓縮機 ( 亦稱有油式壓縮機 ) 及乾式氣缸無油式壓縮機二種。市面上所號稱之微油式壓縮機,事實上就是有油式壓縮機。
* 有油式壓縮機 ( 油潤滑式壓縮機 )


潤滑油在有油式壓縮機所扮演的角色非常重要,其除了潤滑及氣密之功能,在轉子之間及轉子與汽缸之間形成一潤滑油膜防止金屬面的摩擦磨損及防止壓縮氣體洩漏 之外,其另一重要功能為冷卻壓縮過程中所產生之壓縮熱,使壓縮機之壓縮溫度有效降低,提高壓縮效率。然而,潤滑油在氣體壓縮過程中,並非全程均有冷卻效 果;潤滑油之冷卻機構說明如後:
* 在壓縮機汽缸之進氣室,其為常溫常壓,在壓縮機運轉過程中這些氣室之進氣口處呈現負壓狀況, 密封用之潤滑油經由輸油導管以離心方式被虹吸進入汽缸內。當氣體進入壓縮氣室開始,其為密閉空間,於此氣室中由於氣體初步開始進行壓縮,且在葉片、轉子及 汽缸之間隙的油霧將其磨擦產生之熱量帶出。隨著壓縮過程之進行,氣體開始壓縮,由於潤滑油於前一階段噴射已完全附著於葉片、轉子及汽缸壁上作為氣密潤滑 用。因此在此壓縮階段中,潤滑油已無冷卻效果,導致壓縮溫度急速上升降低壓縮效率。
* 當氣體被壓縮至壓縮機出口時,壓縮之氣體將被排出,當在排氣過程中氣室內之潤滑油將由於壓縮空氣之擴散被霧化而均勻的與壓縮氣體充分混合,帶走氣體的熱量,而使氣體溫度急速下降,提高壓縮效率。

有油式壓縮機,小型馬力者 ( 低於 20 Hp 以下 ) 一般均使用往復士壓縮機,大型馬力一般最長使用者為滑動輪葉式壓縮機及螺旋式壓縮機二種。
滑動輪葉式壓縮機由於螺旋式壓縮機之處在於其轉速低 ( 滑動輪葉式轉速約 1800 rpm ,螺旋式轉速約 4000 rpm 以上 ) ,轉動機件少,故障率及維修保養費用低,維修保養容易。
* 壓縮溫度效應對滑動輪葉式及螺旋式壓縮機影響之最大差異,在於螺旋式壓縮機之氣流方向與螺桿之軸向平行。因此其整支螺桿自入口到出口其溫度均不同,因之其汽缸及螺桿會產生熱漲冷縮之應變,若公差值產生偏離則於停開車時容易發生卡死現象。且當轉子越大時此現象越明顯。

滑動輪葉式壓縮機其氣流方向與軸向垂直,故對於其汽缸及轉子而言,其整個軸向之溫度均相同;至於其徑向之溫差由於其葉片與汽缸等有一彈性公差,故無卡死之疑慮。
* 攸關安全,非常重要,在此必須強調說明:

若說空氣壓縮機尤其使油潤滑式壓縮機是所有各種氣體壓縮機中最有危險性者,可能很少人相信。油潤滑式空氣壓縮機越高壓越危險。我們時有耳聞空氣壓縮機爆炸,但沒有聽過危險氣體壓縮機爆炸的事件。
* 空氣中氧氣含量約佔 21 % ,但經過壓縮後, O2 之濃杜比例雖未變,但其單位體積壓縮空氣中所含有.之 O2 數隨壓力增加比例而倍數增加。當壓縮機在壓縮過程或在油氣分離器將油與壓縮空氣分離過程中,潤滑油產生太密之油霧時,其將為大量之 O2 分子所包圍,若系統中有瞬間高溫等,就可能引起氧化反應,燃燒爆炸,不可不慎。在空氣壓縮機系統中,油氣分離器為系統中最可能發生危險性的單元;
* 油氣分離器在油潤滑式壓縮機中其所扮演角色之主要功能係將潤滑油與壓縮空氣與以分離,其分離效果無法達到百分之百,目前市面上之油氣分離器均號稱其可分離 至每 1 Nm3 空氣中少於3豪克之潤滑油,其重點在於通過油氣分離器之潤滑油不能有太細之油霧,否則此一油霧被大量之氧 O2 分子所包圍而容易引起氧化反應。而發生這些氧化反應的主要原因是機械運轉中,空壓機之壓縮溫度可高達150℃ ( 甚至達 200 ℃ ) 以上。因熱而汽化之油附著於管線系統中,因壓縮空氣之熱而碳化的殘碳會產生局部過熱之熱量,而被 O2 分子所包圍之油分子因此熱量之催化而氧化反應產生爆炸。
* 而不良之油氣分離器及壓縮機系統不良之管路設計,導致氣體流動時,擾流過大,氣體在流動之間大量摩擦,摩擦熱為為過熱的最大原因。市面上油氣分離器品質參 差不齊,使用者最好使用有品牌之產品,在品管上最少有保障,若貪小便宜使用品質不良之產品,其可能發生之損失將無法計量。
* 無油式乾式氣缸壓縮機

所謂無油式壓縮機,是指壓縮機之氣缸是乾式的,其整個氣缸系統在壓縮過程中不需任何物質之潤滑。而壓縮機需要潤滑之元件 ( 如離心式壓縮機之變速齒輪箱、螺旋式壓縮機之正時齒輪箱、往復式壓縮機之曲軸箱 ) 係利用機械軸封方式將潤滑油與乾式氣缸隔離。目前最廣泛使用者有離心式、螺旋式、往復式無油壓縮機;其中除了離心式壓縮機外,往復式及螺旋式縮機,由於其 為乾式氣缸,無任何物質之潤滑,故在其轉子之間 ( 螺旋式壓縮機之公母轉子 )、轉子與氣缸之間 ( 螺旋式之轉子與氣缸、往復式壓縮機之活塞環與氣缸之間 ) 均不可接觸,否則將因接觸而磨損,使用壽命縮短。
* 故知,無油式壓縮機之製作極為精密。目前僅有少數幾家專門製作特殊氣體無油式壓縮機之廠家,其製作之無油壓縮機非常精良,其使用壽命及穩定性均極高,其故障率甚至比有油式空氣壓縮機還低。

在各種類型無論是正排量或動力式之壓縮機,不考慮壓縮容積效率等因素,在其壓縮過程中若能維持等溫狀態,即其為等溫壓縮過程,則其壓縮效率為最高。但實際 上,由於壓縮過程中有極高之壓縮熱及機器元件之摩擦熱;因為每一類型壓縮機之設計特性,其氣缸之冷卻效果均不同。
* 市面上所有之壓縮機既非等溫壓縮亦非絕熱壓縮過程,而為所謂多變壓縮過程。如附圖所示。

如圖示,若為單段壓縮,壓力由P1壓縮至P2
AFC線 : 等溫壓縮過程 ( n = 1 )
AEB線 : 絕熱壓縮過程 ( n = k ) 空氣之 k = 1.4
AGD線 : 多變壓縮過程 ( n > k )
* ( 1 )、無油往復式壓縮機活塞速度慢,氣缸冷卻效果良好,壓縮過程介於等溫與絕熱之間,即 k > n >1 。

( 2 )、離心式、無油螺旋式壓縮機,因其氣體被急速壓縮,冷卻不容易進行,同時因壓縮機內所有損耗都會變成熱量,因此氣體溫
度上升,則 n > k 。
無油往復式空氣壓縮機之 n 值約為 1.3 。
無油螺旋式、離心式空氣壓縮機之 n 值約為 1.5
* 在多變壓縮過程中其理論壓縮動力為

Lpol = (n/(n-1)) * (P1Q/102*60) * ( (P2/P1)^((n-1)/n) – 1)
以壓縮機出口壓力 7 kg/cm²G ( 壓縮比 8 )為例,
Mehrer 往復式空氣壓縮機之理論壓縮動力 = 2.66 * (P1Q/102*60)
螺旋式、離心式空氣壓縮機之理論壓縮動力 = 2.96 * (P1Q/102*60)
* 無油往復式空氣壓縮機之理論壓縮動力約為螺旋式、離心式空氣壓縮機之 90% 。且在容積效率、機械效率等方面,往復式均較螺旋式為佳。


螺旋式與離心式壓縮機之油潤滑元件與氣缸元件隔離結構,在其運轉一段時間機械軸封磨損後,則會導致機械軸封漏油而進入氣缸中,嚴重造成壓縮空氣之油污染。以螺旋式壓縮機說明如下:
* 迷路封環提供一個無接觸面之密封。在封環之間有非常多之節流孔,其作用有如一小的流孔板其可將壓力能轉變成動能。當氣流由一節流孔至另一節流孔時其氣流速 度將減低,而且其動能將轉換為熱能及旋渦能。此設計方式將使得高壓端經迷路封環洩氣之壓力逐路減低而達到對氣體密封之作用。

迷路封環對氣體有極佳之密封作用,但其對液體之滲漏卻毫無密封功能。
* 在氣封環及油封環之間隔區段有一排氣孔至大氣以平衡壓力,若機械軸封漏油時,可將油氣自此排氣孔排出,防止油氣漏至壓縮室內。然此間格區段非常短,當機械 軸封 ( 迷路油封環及油填料封環 ) 磨損時 ( 良好之管線系統設計條件下,壽命約 3 - 5 年 ), 潤滑油 ( 油壓約 4 barG 以上 ) 會產生大量洩漏,上述之排氣孔無法及時平衡壓力,因而潤滑油會藉由滲漏現象進入壓縮氣缸中。
* 影響機械軸封運轉壽命之最大因素為轉子螺桿之振動或轉動軸與軸承及軸與機械軸封偏心運轉之變化頻率。詳述如下:

轉動軸從靜止狀態徐徐提高轉速時,原本沉於軸承間隙底部的軸逐漸上浮,最後,軸承中心與軸中心一致,畫同心圓,偏心率成為零;當減速時,轉動軸與軸承之偏 心率增加 ( 此種現象對於變頻式無油壓縮機是非常不利的,因其變頻時轉速隨之變化,導致轉動軸與軸承及軸封之偏心率變化頻率太大,引起軸承及軸封之磨損,縮短其使用壽 命 )。
* 更甚者,人們往往忽略一重要之操作因素:當轉動機械在輕載與重載間變化時,其轉動軸與軸承間之偏心率會有很大之差異,而產生不知覺之振動降低軸承與機械軸封之壽命;一般我們會堅持建議在無油螺旋式壓縮機之系統在設計時,壓縮機輕載與重載之變動頻率每小時不可超過 6 次。

無油螺旋式壓縮機之運轉雖不至於當機損壞,但當潤滑油滲入而污染系統且壓縮效率降低時,其雖仍能運轉,但以無油要求之條件而言,其與壓縮機損壞有何不同。
* 相反的,無油往復式壓縮機之設計結構中,其油潤滑單元與乾式壓縮氣缸單元間,有一很長之區隔間段,且此一區隔間段壓力維持在大氣壓力下,是故,其可完全防止潤滑油進入壓縮氣缸中,而保證絕對無油,亦即其進氣與出口排氣品質相同。

乾式汽缸無油往復式壓縮機高壓縮效率、絕對無油、維修保養容易、使用壽命長等特點是其他各型壓縮機無法與之比擬的。
往復式壓縮機之設計瓶頸極多,要將往復式壓縮機做好、其設計及製造的精密度及艱難度亦是所有各型壓縮機中最難的。
* 一製作精良之無油乾式氣缸往復式壓縮機可適用於各行各業:可壓縮各種製程氣體:

各種特殊氣體工廠 ---N2、CO2、CO、he、Ar、NH3、丙酮、烯類等氣体
污水場及廢棄物場之廢氣處理
核能發電廠及其他各種發電廠
LPG卸載及分裝工場
半導體及電子工業
紡織工業
其他行業之用氣

一製作精良之無油乾式氣缸往復式壓縮機,可達下列之要求:
1、 最小之空間需求
2、 可置於樓層上
3、 低壓縮溫度、高效率、最低電費
4、 無震動、低噪音 ( 不需防音箱 )
5、 不需基礎
6、 最低維修費用
7、 所有之費用均實質減少
* 在此順便提出一些有關壓縮機榮調控制級變頻控制之節能效應的見解,若有先進對此更瞭解者請提供意見。


容量調節(穩壓)機台之效率

為求空氣壓縮機的供氣壓力穩定,目前大多數空氣壓縮機製造商皆提供有穩壓機台,其控制方式常見者有進氣閥門節流方式及較為先進之變頻控制兩種,無論那一種控制方式皆能達到穩壓的需求,但在機台的能源使用效率上則有相當 的差距 ;
* 在此順便提出一些有關壓縮機榮調控制級變頻控制之節能效應的見解,若有先進對此更瞭解者請提供意見。


下圖所示為一 30HP 單段有油螺旋式空氣壓縮機在不同輸出壓力 下之性能曲線圖 ,此空氣壓縮機之容調設定壓力約為 97PSIG ,即排氣量呈明 顯下降之住置,而在此時用電量仍呈微幅上昇;因此之故,此空氣壓縮機台的產氣能源效率也開始急速下降。這也說明了操作此類穩壓機台時,為何必須儘可能操作 在高負載之下 ,即進氣閥門全開之狀態。
* 變頻(穩壓)機台之效率

除以上藉由進氣閥門節流方式進行穩壓控制之空氣壓縮機台外,目前已有製造廠商利用變頻器開發出壓力更加穩定,且不犧牲空氣 壓縮機運轉效率之機台,以下為檢測過之兩變頻機台,下圖所示為一在傳統20HP有油螺旋式機台上直接加上變頻器 (壓縮機額定轉速為3000RPM)以控制馬達轉速,在各個不同轉速下所計算出之產氣能源效率,由其上明顯得知當轉速低至額定轉速的 70% (即 2100RPM)以下時,能源效率急速下降,此現象主要由於空氣壓縮機的產氣量急速減少所致。由此試驗機台之效率資料,說明了變頻器在螺旋式空氣壓縮機的 運用上並不單純,且其變頻有一定之範圍。
* 一般而言,當壓縮機減速至某一範圍以下時,將使其壓縮效率極速降低,反而浪費更多能源,且對無油螺旋式壓縮機而言,會縮短其軸承及軸封之使用壽命。。


一般較理想之操作方式為:配合適當容積之儲槽以 重載、輕載之控制方式來操作對系統之穩定性較佳。
* 結論:


現代化的精密電子、飲料或食品、醫藥等工業,均利用氣壓之特性做為生產設備之動力或控制或製程之需,以穩定生產之可靠性和良率做為訴求。使用氣動控制、氣動設備或工具者,鮮有人了解氣壓動力設備之耗能源特性,只知享受氣壓動力帶來的方便、安全之效益。
很明顯的現代化氣壓系統與傳統氣壓之內容有極大的差異,若氣壓使用者的知識和觀念錯誤,除了耗能源增加運轉費用外,對於氣壓工作站製程之不良率及維修成本 亦會隨之增加,相對的其運轉管理費也跟著增加。能源節約及運轉管理費之節省是企業或公司或工廠獲利的不二法門。
* 哇!過癮。此篇作業終於有機會發表了,寫的太專業覺得有些心虛;在此須感謝我一些專業的朋友、老師及台灣流力機械有限公司之耐心指導及不吝提供詳細資料,讓我得到不少專業知識。謝謝啦!

若需更詳細之壓縮機資料,請參考台灣流力機械有限公司之網站:
http://www.pneumtech.com.tw

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