空気圧縮機の効率はどのように計算するのか

空気圧縮機の効率計算の考え方

空気圧縮機の効率は通常、単一の数値ではなく、用途に応じて適切な指標を選定します。一般的な評価方法としては、理論上の圧縮出力と実際の入力出力を比較する、単位排気量あたりの消費電力を測定する、さらには排気量と理論排気量との偏差を評価するといったものがあります。計算を行う前に、圧力、排気量、出力、温度および運転条件を明確にしておく必要があります。そうでなければ、結果が歪んでしまうおそれがあります。

常用効率指標

• 等エントロピー効率：圧縮過程が理想的な断熱圧縮にどれほど近いかを比較するのに用いられる。
• 容積効率：実際の排気量と理論上の排気量との差を評価するために用いられる。
• 比出力：単位排気量あたりの消費電力を示す指標で、空気圧縮機のエネルギー効率評価において広く用いられる。
• 熱回収効率：圧縮熱が有効に利用されている割合を評価するために用いられる。

等エントロピー効率はどのように計算するのか

等エントロピー効率とは、理論的な等エントロピー圧縮出力と実際の軸出力または入力出力との比として理解される。基本的な表現は次のとおりである：等エントロピー効率＝理論的等エントロピー出力÷実際の消費電力理論上の等エントロピー出力は、吸気圧、排気圧、吸気温度およびガスの性質に基づいて算出できる。実際の消費電力は通常、シャフト出力またはモーター入力電力から求められる。モーター入力電力を用いる場合、その結果にはモーターおよび駆動系の損失が含まれるが、シャフト出力を用いる場合は、圧縮機本体の性能により近い値となる。

容積効率はどのように計算しますか？

容積効率は、空気圧縮機が単位時間当たりに実際に排出する気体量と理論気体量との関係を示すものである。基本的な表現は次のとおりである。体積効率＝実際の排気量÷理論的排気量理論排気量は、シリンダー容積、回転数、圧縮室の数などの諸パラメータから推算できる。実際の排気量は、安定した圧力および温度の条件下で測定すべきである。漏れ、余隙容積、吸気抵抗、温度上昇などはいずれも体積効率を低下させる要因となる。

比出力はどのように計算するのか

比出力は、機器全体のエネルギー消費性能を評価する際によく用いられ、おおむね次のように表されます：比出力＝入力功率÷排気量一般的な単位は、1立方メートル当たりの毎分排気量に対して消費されるキロワット数で表すことができる。比出力が低いほど、同じ排気量において消費する電力が少ないことを示す。計算に際しては、排気量と出力が同一の運転条件下で対応していることを確保する必要がある。たとえば、同じ排気圧力、環境温度、冷却条件および負荷状態であることが求められる。

熱回収効率はどのように計算しますか

空気圧縮機が運転中には、多量の電力が熱に変換されます。熱回収システムを導入すれば、その熱の利用状況を評価することが可能です。基本的な表現は次のとおりです：熱回収効率＝有効に回収された熱量÷投入エネルギー有効な熱回収量は、媒体の流量、温度差および比熱容量を用いて推定できる。入力エネルギーとしては、通常、空圧機の運転中に消費される電力量または軸動力が採用される。計算に際しては、回収対象となる時間帯と系の境界を明確にし、未利用の熱を有効な回収分に含めないようにする必要がある。

計算手順と留意事項

• まず、計算対象を明確にします。ホスト、機器全体、あるいは熱回収システムのいずれかです。
• 排気圧力、吸気温度、環境温度、冷却水または空冷の状態を記録する。
• 実際の排気量を測定する際は、できるだけ安定運転状態におけるデータを用いること。
• 入力電力または軸動力の値を読み取り、計器の精度およびサンプリング周期に留意してください。
• 同一の機器は、異なる圧力、負荷率および環境温度条件下で効率が変化するため、比較条件を統一すべきである。

効率に影響を与える主な要因

空気圧縮機の効率に影響を与える要因には、排気圧力の設定値、吸気フィルターの圧力損失、冷却性能、内部漏れ、機械的摩擦、負荷率、および配管内の圧力損失が含まれます。圧力設定が高すぎる、フィルターエレメントの目詰まり、冷却不良、あるいは頻繁な負荷・無負荷の切り替えは、いずれも実際の消費エネルギーを増加させるおそれがあります。省エネの余地を評価する場合は、運転時間、負荷運転時間、無負荷運転時間、ならびに圧力変動範囲を併せて記録することをおすすめします。

簡単な判断方法

十分な試験条件が整っていない場合は、まず比出力で横方向の評価を行います。同一の圧力および吐出量の条件下で、入力電力と吐出量が適切に一致しているかを比較します。吐出量が低下しているにもかかわらず電力がそれに応じて低下せず、あるいは圧力の上昇により電力が著しく増加する場合には、漏れ、圧力損失、保守状態および運転パラメータの点検が必要です。長期にわたるデータの記録を通じて、効率の変化傾向をより正確に把握することが可能です。