空気圧縮機の効率はどのように計算しますか？

一、まず効率計算の対象を明確にする

空気圧縮機の効率は単一の数値ではなく、一般的には等エントロピー効率、容積効率、比出力などが用いられます。計算に際しては、理論的な圧縮仕事と実際の軸動力、あるいは機械全体の入力電力を比較しているのかをまず確認しなければ、結果に大きな差が生じます。

二、等エントロピー効率：圧縮過程が理想的な状態にどれほど近いかを示す指標

等エントロピー効率は、圧縮過程そのもののエネルギー利用の水準を評価するために用いられ、同一の排気圧力および流量を達成するのに必要な理想の等エントロピー圧縮に要する出力と、実際の消費出力との比として理解される。

よく使われる表現：等エントロピー効率＝理論的等エントロピー圧縮出力÷実際の入力出力× 100%。

工事の概算において、理論的出力は吸気圧力、排気圧力、吸気状態、ガスの性質および質量流量を用いて算出できます。空気については、簡略化したモデルに基づき、次のように参照できます。W_s ≈ k/(k-1) × p1 × Q1 × [(p2/p1)^((k-1)/k) – 1]ここで、kは断熱指数、p1は吸気圧、p2は排気圧、Q1は吸気状態における体積流量である。実際の計算に際しては単位を統一し、標準状態と運転状態を明確に区別する必要がある。

三、容積効率：実際の吐出量と理論上の吐出量との差を評価する指標

容積効率は、空気圧縮機の運転中に内部漏れ、余隙容積、吸気抵抗、あるいは弁類のヒステリシスなどの問題が生じているかどうかを示す指標である。

• 体積効率＝実際の排気量÷理論的排気量× 100%
• 実際の排気量は、流量計、貯気タンクの充圧時間、またはシステムの用気バランス法によって求めることができる。
• 理論排気量は、通常、シリンダーの作動容積、回転数、段数および構造パラメータから推算される。

容積効率が低下すると、装置は依然として圧力を維持できる場合があるものの、単位体積のガス生産に要する電力消費量は増加する。

四、比出力：現場における省エネルギー評価に一層密接な指標

多くのユーザーは、「同じ量の圧縮空気を生産するのにどれだけの電力を消費するか」に注目しており、その際には通常、比電力が用いられます。

比出力＝機組の入力出力÷実際の排気量、一般的な単位は kW /（m³/min)。同じ排気圧力、乾燥方式および試験条件下では、比出力が低いほど、一般にエネルギー効率が良好であることを示します。

比出力を利用する際には、次の三点に留意してください。

• 排気量は、統一された吸気状態または標準状態に換算しなければならない。
• 入力電力には、モーター、伝動損失、制御システムなど、機器全体の消費エネルギーが含まれるべきである。
• 圧力、温度、湿度およびフィルターの差圧はいずれも結果に影響を及ぼすため、銘板だけでは判断できません。

五、効率計算結果に影響を及ぼす主要な要因

• 排気圧力：圧力設定が高くなるほど、圧縮功は大きくなり、効率および消費電力にも影響が及ぶ。
• 吸気温度：吸気温度の上昇は気体密度を低下させ、実際のガス生産量に影響を及ぼす。
• 漏れと圧力降下：配管の漏れ、フィルターの目詰まり、および冷却器の圧力損失は、いずれも無駄なエネルギー消費を増加させます。
• 負荷率：長期間の低負荷運転は、無負荷損失の割合を増大させ、総合効率に影響を及ぼす。
• メンテナンス状態：弁板、シール部品、冷却効果および潤滑状態の変化は、いずれも実測効率に影響を及ぼします。

六、現場計算に関する提案

省エネルギー評価のみを行う場合は、まず機組の入力電力、実際の吐出量および吐出圧力を測定し、比パワーを算出したうえで、同運転条件下の過去データや業界で一般的に用いられる基準範囲と比較します。圧縮機本体の性能を分析する必要がある場合には、さらに等エントロピー効率および容積効率を算出します。計算に際しては、環境温度、相対湿度、吸気圧、吐気圧および運転時間を記録し、単回の測定値が変動の影響を受けないよう留意してください。