比较真空发电机的实际成本

迈克·盖尔克
气动执行机构产品经理
Festo Corp.•纽约州Hauppauge。

真空发生器以广泛的类型，尺寸，设计和效率进行广泛的类型，以满足广泛的测距应用。虽然最大化给定任务的性能很重要，但在指定基本组件之前，使用真空系统的任何人都应该仔细看看整体成本。

考虑到能源是一种宝贵的资源，有时也是昂贵的资源，运行一个合适的真空系统的成本在任何设计中都应该扮演重要的角色。对于基于真空喷射器的电路，使用压缩空气操作气动真空喷射器所需的能量是不容忽视的。永远记住一条金科玉律：空气贵。

另一方面，使用电动真空泵，用户可以更容易地根据现行电价和电力消耗来衡量和评估能源成本。让我们仔细看看这两种基本类型的真空发生器，以及它们在底线上的比较。

图2-ovem-真空发生器

Festo OVEM喷射式发电机有一个集成阀来控制真空。

真空喷射器

真空喷射器基本上使用气动喷嘴产生真空，无需移动部件。它们在相对较低的流速下产生高真空。

经典喷射器由喷嘴（也称为拉瓦尔或文丘里喷嘴），并且根据设计，至少一个接收器喷嘴。压缩空气进入喷射器，喷嘴的缩小将流动的空气加速到最多五倍的声速。喷射器在喷射喷嘴出口和接收器喷嘴之间的进入之间具有短暂间隙。这里，来自喷嘴喷嘴的膨胀压缩空气在间隙处产生抽吸效果，又在输出真空端口处产生真空。

真空喷射器有两种基本形式，单级和多级。单级喷射器包括喷射喷嘴和仅一个接收喷嘴。多级喷射器还包括喷嘴。然而，与第一接收器喷嘴一致的是附加的喷嘴级，每个喷嘴级具有与下降的空气压力成比例的较大直径。因此，从第一个腔室吸入的空气与来自喷嘴的压缩空气相结合，被用作其他腔室的推进射流。在这两种情况下，从接收器喷嘴排出的空气通常通过消音器或直接排放到大气中。

其中的好处，真空喷射器是紧凑，重量轻，相对便宜，他们反应迅速，与快速启动和停止时间。尽管供应商建议使用干燥和过滤的压缩空气操作，但它们耐磨，基本上无需维护。它们可以安装在任何位置，运行中不会产生热量积聚。

另一个优点是真空喷射器只在需要时消耗能量。只有在吸入和工件处理过程中才需要压缩空气来运行喷射器，在排放和返回过程中，当不需要真空时，压缩空气保持关闭状态。

许多喷射器还具有内置的节能功能，可确保仅在真空生成过程中消耗压缩空气。在达到必要的真空水平之后，弹出器被关闭。使用阀门和开关保持和监控真空。典型的节能功能包括2/2路阀，压力开关和不返回阀。

一般来说，多级喷射器可以产生高达约85%真空的压力，并且与单级喷射器相比具有更高的吸入流速。平均而言，多级喷射器的空气消耗水平要低得多，因此比单级喷射器消耗的能量要少。但是，它们的疏散时间较长，这在某些情况下会降低单级机组的节能效益。

另一方面，真空喷射器不会产生极高的吸入率。例如，Festo喷射器产生的吸入率相对有限，约为16 m^3./人力资源部。除此之外，每立方米真空度压缩空气消耗量的增加会大幅增加能源成本，尽管具有节能功能的设计可以在一定程度上弥补这一点。

图3-compact-vn-真空发生器-带消音器

VN喷射器是一种紧凑、低成本的发电机，由外部阀门控制。

真空泵

机械真空泵通常分为两种不同类型：正排量和动态/动力式。容积式真空泵基本上作为压缩机工作，吸入压力低于大气压，输出压力为大气压。它们吸入相当恒定的空气，然后被机械地关闭、膨胀，然后喷出。这类真空泵的主要特点是可以用低流量获得高真空。类型包括往复式活塞、旋转叶片、隔膜和旋转螺杆。它们通常适用于精密工业应用。

在动力真空泵中，气体颗粒通过在排空过程中施加额外的力而被迫向输送方向流动。例如，旋转鼓风机根据脉冲原理工作：旋转的叶轮通过撞击空气分子来传递动能。在运行中，空气被叶轮叶片吸入并在吸入侧压缩。

这些真空泵产生相对较低的真空，但在高流速（高吸引力）下。它们通常适用于处理极多孔的材料，例如夹紧纸板箱，以及每单位时间的大吸入率很重要。

其中的优势，典型的容积式工业泵产生高达约98%的真空超过能力的喷射器(一些特殊的设计可以达到极高的真空度（99%以上），鼓风机可以提供远远超过1000米的高吸入率^3./人力资源部。

然而，机电式真空泵几乎总是在真空要求由阀门调节的情况下连续运行。这意味着电力消耗，因此，能源成本可能相当高。它们的初始成本和日常维护费用也很高。最后，与弹射器相比，它们更大、更重，而且安装方向更受限制。

比较能源成本

在某些情况下，当任务需要低真空和高流量时，应用的优选类型的真空发生器是相当明显的 - 如真空鼓风机。但在许多设置中，选择并不清晰。在这里，可以比较可能的候选人的能源和运营成本。

如上所述，各个真空发生器的实际性能和效率因类型和制造商而异。工程师可以通过做一点数学来缩小选择范围。这里有一些简单的计算来帮助比较类似性能的真空发生器的经济性。

在这个例子中，我们比较了真空喷射器的年度能源成本，有无空气节省功能，以及类似性能的电动真空泵。假设：

•电价为0.11美元/千瓦时。

•从大气中产生压缩空气，考虑到电价和所有成本，如材料、折旧和劳动力，计划成本约为每1米0.022美元^3.（35.3英尺^3.）7巴（100psi）供应压力的体积。这些成本在高达约10巴的压力范围内适用。在高达20巴的较高压力下，压缩空气的成本很容易加倍。

•喷射器的供应压力为6巴。

•用于压缩空气的能量（1米^3.在7 bar）是0.095 kWh / m^3..

另外，假设购买和维护成本的标准如下。

•真空泵的初始成本为786美元。

•弹射器的初始成本为371美元。

•真空泵的年维护成本为337美元。

（请注意，在本示例中，参考喷射器的初始成本适用于Festo OVEM等真空发生器，该真空发生器有一个集成控制阀，用于打开/关闭喷射器和真空。它还有一个真空压力传感器，可能有也可能没有“空气节省”功能。Festo还提供非常紧凑、低成本的发电机（VN系列），由外部阀门控制。VN的成本约为35美元（加上一个控制阀，可能还有一个传感器）。因此，独立发电机和带有集成阀/传感器的发电机的成本会有所不同。）

Image-4-Single-Stage-VENTURI-VACCUM发电机

单级喷射器包括喷射喷嘴和接收喷嘴。压缩空气进入喷射器，喷嘴变窄加速空气流动。在喷嘴出口和接收器入口之间的短间隙中，压缩空气膨胀，产生吸力，并在输出真空端口处产生真空。

考虑一个典型的操作操作，设备运行250天/年和16小时/天。每个工作循环需要5秒，每个工作步骤包括排空、工件拾取、运输、真空排放、卸载和返回开始位置以开始下一个循环。每个步骤所需的时间取决于真空发生器。

具有空气节省功能的喷射器仅在拾取工件时消耗空气（能量），这需要0.5秒。

没有空气节省功能的喷射器在工件的拾取和运输过程中消耗压缩空气。这需要2秒钟。

真空泵在整个操作循环中消耗能量，因为泵通常不会关闭。每个循环的运行时间为5秒。

比较这些真空发生器的能源成本如下：

根据总运行时间（秒）/每个运行周期的时间（秒）=250 x 16 x 3600/5=2880000台，计算每年的产品（单位）数量。

Image-5-Multi-Stage-Venturi-Vaccum发生器

多级喷射器有几个喷嘴级，每个喷嘴级的直径与下降的空气压力成比例。从第一个腔室吸入的空气，与来自喷嘴的压缩空气相结合，被用作其他腔室的推进射流。从接收器排出的空气通过消音器或直接排放到大气中。

根据机组数量×每台机组喷射器的运行时间确定每年的运行时间。对于没有空气节省功能的喷射器，其运行时间为2880000单位x 2秒=5760000秒或96000分钟。对于具有空气节省功能的喷射器，其运行时间为1440000秒或24000分钟。

假设P = 6巴的空气消耗为505升/分钟。每年运行时间计算空气消耗/空气消耗= 96,000 min / 505 L / min = 48,480米^3.对于没有节省空气功能的喷射器。随着空气节能功能，它是12,120米^3..

根据这些信息，根据空气消耗量（不节省空气）x每立方米压缩空气的价格计算每年的能源成本=48480m^3.x 0.022美元/米^3.= $ 1,066.56。同样，对于节能函数的喷射器，年费为266.64美元。

这表明，具有空气节省功能的喷射器每年可以减少75%的空气消耗，或者在本例中，减少36000立方米以上的压缩空气消耗。这相当于每年节省800美元。

由电动机驱动的真空泵需要类似的关注。每年运行时间=每天运行小时x每年运行日= 16 x 250 = 4,000小时。假设1-HP电动机消耗0.55千瓦/小时。每年能源消耗=每年运行时间X能耗每小时= 4,000小时×0.55千瓦= 2,200千瓦时。能源成本每年=每年能源消耗x每千瓦时的成本= 2,200 kWh x $ 0.11 = 242美元。

最后，让我们比较一下真空喷射器和真空泵的总体成本。记住，真空系统包括投资、维护和能源成本。投资成本是初始的一次性成本，而维护和能源是年度成本。

一台典型的真空泵的投资成本为786美元，年维护成本为337美元（运行4000至6000小时后），能源成本为242美元。相比之下，一台没有空气节省功能的喷射器的投资成本为371美元，能源成本为1066美元，但没有维护成本。同样，具有空气节省功能的喷射器的前期成本为371美元，能源成本为266美元，同样，没有维护成本。

以下是不同类型真空产品的特点概述。

气动学特征图