3 个过滤器就可以决定空气压缩机中的能源使用效率

Atlas Copco Oil Filter - Genuine Spare Parts for Atlas

空气压缩机中的能源使用受 3 个过滤器效率的影响。空气过滤器、油过滤器和油气分离器作为“生态系统”发挥关键作用。

压缩空气是工业设施中的关键动力源。通常被称为“第四能源”,与水、电和天然气一样,压缩空气可以驱动机械、输送材料、为液压系统加压,并执行无数其他功能。所有这些都需要能量。据美国能源部称,平均而言,生产压缩空气占工厂电力成本的 10% 到 30%。压缩机制造商正在努力设计可提供最高效率的设备。此外,全球各国政府都在为压缩空气设备制定更高的效率要求。

压缩机的过滤系统会对系统效率产生重大影响。以低成本生产压缩空气需要三个不同的过滤器协调工作,过滤微粒并将油雾从气流中分离出来,同时又不会对通过系统的空气产生过多的限制。一个位置的过滤器的效率直接影响其他两个位置的性能。通过在整个系统中应用领先的过滤技术,压缩机制造商可以支持节能,并帮助节省设备所需的润滑剂。

这里介绍了每个压缩机过滤器的作用以及有助于优化系统性能的技术。

过滤器生态系统 

油浸式螺杆空气压缩机是工业中最常用的技术,具有三个主要过滤组件:进气过滤器、油或“润滑油”过滤器和油气分离器,如图 1 所示。

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图 1:油浸式旋转螺杆空气压缩机示意图

The filtration ecosystem depends on all three components for optimal performance.
图 2:过滤生态系统依赖于所有三个组件以获得最佳性能。

入口空气过滤器旨在以最高效率过滤颗粒。机油滤清器旨在尽可能多地捕获机油中的颗粒物。油气分离器设计用于在压缩空气释放到系统之前分离剩余的油雾。这三个组件共同构成了过滤生态系统,如图 2 所示。

什么构成了高质量的进气过滤器?

作为保持压缩机系统中空气清洁的第一道过滤防线,空气过滤器的工作是以最佳效率和最小限制防止空气中的颗粒进入压缩机。这通常是通过安装在盒式磁带中的某种类型的基于光纤的介质来实现的,如图 3 所示。

An inlet air filter is designed to keep air-borne particles out of the compressor
图 3:入口空气过滤器旨在防止空气中的颗粒进入压缩机。

入口空气过滤介质传统上由纤维素纤维或纤维素合成混合物制成。唐纳森的 Ultra-Web® 技术等最新技术使用通过静电纺丝工艺制成的细纤维介质,可生产直径为 0.2 至 0.3 微米的连续、有弹性的合成纤维。 Ultra-Web 形成一个细纤维层,纤维间空间非常小,可将灰尘捕获在介质表面,如图 4 所示。

 

An inlet air filter is designed to keep air-borne particles out of the compressor
图 4:Ultra-Web 技术形成细纤维网,将灰尘捕获在介质表面。

典型的传统纤维素过滤器提供大约 99% 的效率,而细纤维技术可以提供 99.99% 的效率,如图 5 所示。

Figure 5- Ultra-Web technology can provide filtration efficiencies of up to 99.99 percent
图 5:Ultra-Web 技术可提供高达 99.99% 的过滤效率。

虽然纤维素过滤器可以产生超过 99% 的效率,但由于其紧密的纤维结构,它们也可能对压缩机应用产生不可接受的限制。具体而言,细纤维过滤器提供高“初始效率”,这是指空气过滤器元件首次使用时的效率。这可以防止颗粒进入气流并通过将灰尘捕获在介质表面而不是介质深处来延长过滤器的使用寿命。事实证明,这种表面加载技术可在较长时间内提供较低的工作压降,从而有助于实现需要较少能量的长效过滤器。

如图 6 所示,在 200 立方英尺/分钟 (CFM) 的气流下,Ultra-Web 过滤器产生的限制相当于不到 7 英寸水柱,而竞争过滤器则为 10 英寸。

Figure6- Ultra-Web can reduce restrictions versus competing filters
图 6

改进的进气过滤也延长了下游过滤器组件——润滑油过滤器和油气分离器的寿命。灰尘和其他颗粒的污染是限制润滑油过滤器和油气分离器使用寿命的主要因素。通过将微粒排除在气流之外,这些其他过滤器可以更长时间、更有效地发挥作用。通过减少下游污染以及由此导致的 AOS 和润滑油过滤器的阻力增加,压缩机将需要更少的电力来输送给定体积的压缩空气,从而有助于支持总体运营成本。

 

图 7 的放大图像中显示了堵塞 AOS 介质的示例。使用干净的 AOS 介质,100% 的表面积可用于聚结。对于载有颗粒的介质,可用于聚结的表面积较小,并且 AOS 的效率降低。

 

 

 

过滤生态系统中的下一个是油过滤器,或“润滑油”过滤器,它可以保持油的清洁。

Lube filters are designed to capture particulates in oil
图 8:润滑油过滤器旨在捕获油中的微粒。

当空气被压缩时油与空气混合,会引入新的污染物,因此油过滤器的任务是从油中过滤这些颗粒。这有助于保护主机中的轴承,并防止颗粒向下游迁移,从而堵塞油气分离器。

油过滤器的设计应具有足够的容尘量和效率。它们通常装在外观与汽车机油滤清器有些相似的罐中,如图 8 所示。

润滑油过滤器的容量可以通过增加尺寸或改进介质来扩大。由于增加过滤器尺寸通常会占用宝贵的空间并导致额外成本,因此改进介质提供了一种更有效的方法。

图 9:唐纳森 Synteq™ XP 介质采用双组分纤维来提供牢固的粘合。
唐纳森 Synteq™ XP 介质已被证明在压缩机润滑油过滤器中非常有效。它提供了均匀的介质,比纤维素介质具有更多的孔隙开口,从而提高了效率和容量。其专有的双组分纤维提供了牢固的粘合,如图 9 所示。

Figure 9- Donaldson Synteq™ XP media employs bi-component fibers to provide a strong bond.
图 9:唐纳森 Synteq™ XP 介质采用双组分纤维来提供牢固的粘合。

Synteq 是一种不含树脂的介质,与标准纤维素介质相比,它的流量限制更低,如图 10 所示。它还提供比传统树脂粘合的纤维素介质更长的使用寿命,同时最大限度地提高载污能力和保留能力。

Figure 10- Synteq provides lower pressure drop than cellulose media.
图 10:Synteq 提供比纤维素介质更低的压降。

油气分离器:最后一站

Figure 11- Air-oil separators represent the last filtration step before air leaves the compressor
图 11:油气分离器代表空气离开压缩机前的最后一个过滤步骤。

作为空气离开压缩机之前的最后一步,油气分离器通常是优化压缩机生态系统中的首要考虑因素。虽然空气过滤器或油过滤器的不良功能可能不会立即被发现,但当油气分离器的性能受到影响时,影响就会更加明显。离开压缩机的空气可能含有过多的油雾。

由于油气分离器旨在在空气离开压缩机之前从油气混合物中分离剩余的油雾,因此其性能对压缩机生态系统至关重要。与其他过滤器组件一样,介质效率是获得适当性能的关键。如图 11 所示,唐纳森包裹式油气分离器是大多数压缩机类型的理想选择,并且标配唐纳森专有的 Synteq™ 介质。唐纳森还提供折叠式油气分离器,通过增加表面积提供额外的设计灵活性,允许更多的气流。

唐纳森的优质油气分离器使用专有的 Synteq XP™ 聚结介质,可提供比传统介质更长的使用寿命,同时最大限度地提高性能。 Synteq 介质有助于满足油携带要求,同时保持尽可能低的压降,如图 12 所示。这种“无树脂”介质可提供高效的排水和自由气流,从而减少限制,进而节省能源。除了节能之外,提供低的油夹带量可以将高度设计且昂贵的润滑剂保留在它所属的压缩机中。这减少了所需的补充油量,并进一步减少了压缩空气系统下游的油量,在这些地方油可能会导致过程问题和客户投诉。

Figure 12- Synteq media helps air-oil separators meet oil carryover requirements, while maintaining a low pressure drop
图 12:Synteq 介质帮助油气分离器满足油携带要求,同时保持低压降。

生态系统组件如何协同工作

通过观察空气过滤器对油气分离器寿命的影响,可以看出过滤组件之间的影响。如图 13 所示,与使用纤维素介质的空气过滤器相比,Ultra-Web 空气过滤器使油气分离器的阻力增加较慢,在一个案例中,油气分离器的寿命增加了一倍以上,增加了约 65%在另一种情况下。这些结果来自北卡罗来纳州一家纺织厂的两台独立的 600-HP 压缩机。唐纳森使用原始设备纤维素元件(红线)对刚维修过的机器进行基线测试,然后用新鲜油和 AOS 再次维修压缩机,并用 Ultra-Web 版本更换空气元件并再次测试。结果是这些压缩机的 AOS 寿命更长(蓝线)。

图 13:在两个案例研究中,Ultra-Web 空气过滤器延长了油气分离器的使用寿命。

Figure 13- Ultra-Web air filters increased the life of air-oil separators in two case studiescase2

最终,压降会降低压缩机的效率。当引入压降时,相同数量的电力产生更少的压缩空气。基本的经验法则是 1 psi 的压降基本上会使压缩机失去 0.5% 的制动马力,如图 14 所示。在某些情况下,200-HP 装置每年可增加高达 1,460 美元的成本。

油气分离经验法则:

1 PSI ΔP = 0.5% HP

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$/Yr = 每年成本 $97,329
BHP = 刹车马力 200
$/kwhr = 每千瓦时的电力成本 0.07
我。 = 电机效率 0.94
hrs/yr = 压缩机 8760 的运行小时数
整个 AOS 压降增加 3 PSI – 1,460 美元/年

结论

将生态系统方法应用于压缩机,很明显,系统的好坏取决于其“最薄弱的环节”。如果在一个过滤组件中做出妥协,它可能会对其他组件以及最终整个系统产生不利影响。由于压缩机油是高度工程化的油,并且比标准润滑油更昂贵,因此压缩机系统所有者有充分的理由将损失降至最低并最大限度地提高效率。提高效率有助于节省成本并减少工厂运营商/所有者的烦恼。借助唐纳森的技术和工程支持,压缩机所有者可以找到基于生态系统的产品解决方案,与过滤组件正确匹配,帮助他们优化效率。

压缩机效率法规

由于最近法规的变化,压缩机效率的提高对工厂所有者变得越来越重要。 2016年12月,美国能源部(DOE)发布了回转式空气压缩机能效标准。美国能源部估计,满足新标准的压缩机将通过 30 年销售的压缩机节省 0.16 万亿 BTU,即约 156 亿千瓦时,从而为在此期间购买的压缩机净节省 200 至 4 亿美元。能源消耗的减少还将在同一时期防止排放约 820 万公吨的二氧化碳。

加拿大标准协会还发布了一份旨在改进压缩机性能测量的文件(C837-16“压缩空气系统的监测和能源性能”,可在 https://store.csagroup.org/ 获得)。该标准规定了要收集的信息,以及如何使用统一、经过验证和可重复的测量方法测量或计算系统参数,如功率、能量、流量、压力和产量。它提供了定义用于建立能源绩效指标和能源基线的方法的指导,这些方法用作整体能源管理系统的一部分。对于压缩空气系统,提供了概述用于测量、估计和报告能源性能的一致方法的具体要求。

欧盟已发布生态设计指令,但尚有待定要求。该指令指出:“应该在能源相关产品的设计阶段采取行动,因为产品生命周期中造成的污染似乎是在那个阶段确定的,并且所涉及的大部分成本都在那时……温室气体在通过工作计划之前,应将通过提高能源效率来缓解气候变化视为优先环境目标。” 综合产品政策:以环境生命周期思维为基础(欧盟杂志)。注:原文作者系唐纳森公司全球销售经理,此文来自其英文翻译整理,希望对读者有一定参考价值。关于更多空压机及零配件产品信息,请继续关注我司网站(www.aircompressorstrade.com)。

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