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以下是一個(gè)使用實(shí)例:用10臺(tái)3,600kW 的空氣壓縮機(jī)供給鑄造、鍛造、機(jī)械加工、裝配和檢查的各生產(chǎn)線。原來已經(jīng)實(shí)施低壓化的壓力為0.63MPa,現(xiàn)使用增壓閥后降低到0.57MPa。從而使空氣壓縮機(jī)的耗電量下降6%。 在廣泛使用伺服傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的今日,氣動(dòng)系統(tǒng)仍然不失為是一種使用方便的傳動(dòng)裝置。當(dāng)然氣動(dòng)系統(tǒng)的性能也需不斷改善,才能滿足新的使用要求。本文介紹是有關(guān)的節(jié)能方面的技術(shù)。
氣動(dòng)系統(tǒng)
壓縮空氣時(shí)的課題
向氣動(dòng)裝置供給壓縮空氣的工作幾乎都由空氣壓縮機(jī)承擔(dān)。大多數(shù)壓縮機(jī)排出的空氣壓力在0.7-1.0MPa范圍之內(nèi)。壓縮機(jī)由電系統(tǒng)、機(jī)械系統(tǒng)和熱系統(tǒng)構(gòu)成,各部份都可能發(fā)生能量損失。通常,大型壓縮機(jī)的效率較高,可達(dá)到80%。小型壓縮機(jī)的效率只有60%。今后對(duì)壓縮機(jī)的要求不但是流量大、噪聲低、振動(dòng)小和壓縮空氣質(zhì)量好,更重要的是效率高。為此必須探索一種效率*高的運(yùn)轉(zhuǎn)條件。
供給壓縮空氣時(shí)的課題
通常,壓縮機(jī)被設(shè)置在離開工場(chǎng)一定距離的地方,所以必須設(shè)置管道將壓縮空氣送到工場(chǎng)中。如果管道很長(zhǎng),則管道的摩擦損失就大,還有發(fā)生管道泄漏的危險(xiǎn),必須留意。
類似用高電壓送電可減少線路損耗一樣,用高壓輸送壓縮空氣,也可以減少管道中的損耗。因?yàn)榧词箤⒖諝獾膲毫?.1MPa提高到4MPa,在同樣溫度條件下的粘度只增加5%,所以在相同管道中壓縮空氣的摩擦損失降低到原來的1/40。不過這時(shí)管道的漏氣量則上升到原來的6倍。為此,在用高壓輸送壓縮空氣時(shí),需注意減少管道的漏氣損失。
除了上述各種問題之外,還有正確設(shè)置閥門與傳動(dòng)裝置以及將排出的氣體再次利用等節(jié)省能量的種種課題。
可節(jié)省能量的小型往復(fù)式空氣壓縮機(jī)
據(jù)統(tǒng)計(jì),空氣壓縮機(jī)的耗電量占工場(chǎng)總耗電量的20-40%。為了節(jié)省電力的消耗,現(xiàn)在開發(fā)了一種容量為0.75-11Kw的節(jié)能式通用小型往復(fù)式空氣壓縮機(jī)。下面對(duì)它的節(jié)能特點(diǎn)作一介紹,以供參考。
兩級(jí)式壓縮機(jī)
壓縮空氣所耗費(fèi)的能量全部轉(zhuǎn)化為熱,使空氣的溫度上升。從壓縮機(jī)中排出氣體的溫度Td(℃)可由下式求得:
式中:Td --吸入空氣的**溫度,即20℃+273;
Ps --吸入空氣的**壓力,即測(cè)量壓力+0.1033(MPa);
Pd --排出空氣的**壓力,即測(cè)量壓力+0.1033(MPa);
m --壓縮級(jí)數(shù),可以是1、2或3;
k --比熱比,空氣的比熱比=1.4。
由式中可以看出,壓縮級(jí)數(shù)多,則可以降低排出空氣的溫度Td(℃),所以新聞發(fā)的小型空氣壓縮機(jī)采用兩級(jí)式壓縮。
在考慮節(jié)省能量時(shí),通常是以動(dòng)力原單位作為指標(biāo),即生成1m³壓縮空氣所消耗的電能(kWh)。它從下式可以算出:
動(dòng)力原單位(kWh/m³)= 壓縮機(jī)動(dòng)力(kW)
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空氣量(m³/h )
從理論上說,壓縮級(jí)數(shù)對(duì)動(dòng)力原單位也有很大影響。通常*大輸出壓力為1.0MPa 的小型往復(fù)壓縮機(jī)的壓縮級(jí)數(shù),1級(jí)和2級(jí)均可使用。但從總體來看,采用2級(jí)壓縮對(duì)節(jié)省能量較為有利。表1所示是舊型號(hào)1級(jí)壓縮與新型號(hào)2級(jí)壓縮的對(duì)比。
表1 功率為7.5kW壓縮機(jī)新舊型號(hào)對(duì)比
項(xiàng) 目 舊 型 號(hào) 新 型 號(hào)
功 率 7.5kW 7.5kW 壓縮級(jí)數(shù) 1 1級(jí),ø90mm×2
活塞直徑及數(shù)量 1級(jí),ø90mm×3 2級(jí),ø70mm×1
中間壓力 - 0.22MPa
*高壓力 0.98MPa 1.0MPa
排出氣體溫度 170℃ 1級(jí)出口115℃
2級(jí)入口 65℃
3級(jí)出口145℃
排出空氣量 0.817m³/min 0.853m³/min
注:壓縮機(jī)規(guī)格為1.0MPa,吸入空氣溫度為20℃。
舊型號(hào)是采用完全保溫發(fā)熱而散熱極少的隔熱壓縮,新型號(hào)是用中間冷卻器對(duì)1級(jí)壓縮送出的空氣進(jìn)行冷卻之后(即表1中從溫度115℃下降到65℃)再送入2級(jí)壓縮機(jī)構(gòu)中。從理論上講,這兩種方式所需動(dòng)力有很大差異。不過增加中間冷卻器之后,使壓縮機(jī)成本上升。
由表中的排出空氣量可以計(jì)算出舊型號(hào)每小時(shí)排出空氣量為49.02m³/h,新型號(hào)為51.18m³/h 。再?gòu)墓β屎团懦隹諝饬坑?jì)算出各自的動(dòng)力原單位。舊型號(hào)為0.153kWh/m³。新型號(hào)為0.146kWh/m³。由此可知,新型號(hào)每小時(shí)可節(jié)省電力0.007kWh/m³×49m³/h=0.343kW,有很好的經(jīng)濟(jì)效益。
空氣壓縮機(jī)的控制技術(shù)
改進(jìn)小型往復(fù)式空氣壓縮機(jī)的控制技術(shù)也可以節(jié)省能量。
壓力開關(guān)式
這是一種由壓力開關(guān)在一定的壓力范圍內(nèi)反復(fù)控制壓縮機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)和再起動(dòng),它適合繼續(xù)使用壓縮空氣的場(chǎng)合。在不使用壓縮空氣時(shí),由壓力開關(guān)的動(dòng)作使壓縮機(jī)自動(dòng)停止運(yùn)轉(zhuǎn),所以有節(jié)省能源的效果。不過在再起動(dòng)時(shí)就要耗費(fèi)較多的電力。如果再起動(dòng)的次數(shù)很多,就會(huì)縮短空氣壓縮機(jī)的使用壽命。
自動(dòng)卸載式
在一定動(dòng)作的壓力范圍內(nèi),由自動(dòng)卸載裝置控制壓縮機(jī)作有負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)或無(wú)負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)。這種方式適合在長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)使用壓縮空氣或大量使用壓縮空氣的條件下應(yīng)用。這種方式是當(dāng)壓力超過設(shè)定值時(shí),運(yùn)轉(zhuǎn)著的壓縮機(jī)就不會(huì)像原來那樣使壓力上升,而是要受限制。這樣的電力消耗量就比較低。由于它并不停機(jī),所以不存在再起動(dòng)時(shí)消耗電力多的問題。但在非壓縮時(shí)的節(jié)省能量效果比停止時(shí)的效果差,這是無(wú)可避免的。
自動(dòng)卸載的種類很多,其中由螺旋彈簧直接擠壓吸氣閥形成無(wú)負(fù)載狀態(tài)的節(jié)省量效果*佳。
人工雙重控制式
這是可對(duì)壓縮機(jī)實(shí)施壓力開關(guān)或自動(dòng)卸載控制,由人工按照節(jié)省能源的*適宜狀態(tài)進(jìn)行選用,在操作箱中專門設(shè)置了上述兩種方式的切換開關(guān)。
自動(dòng)雙重控制式
這種方式是由設(shè)置在壓縮機(jī)中的微機(jī)按照檢測(cè)所得的使用壓縮空氣量,自動(dòng)選擇*經(jīng)濟(jì)的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)來節(jié)省能量。
節(jié)省能量的擺動(dòng)傳動(dòng)裝置
所謂擺動(dòng)傳動(dòng)裝置是一種可作回轉(zhuǎn)往復(fù)運(yùn)動(dòng)的氣動(dòng)系統(tǒng)。用它可對(duì)物體進(jìn)行移動(dòng)、翻轉(zhuǎn)、分類和夾緊,也可以放在機(jī)械手的端部使用,用途廣泛。
擺動(dòng)傳動(dòng)裝置可分為葉輪式、齒條齒輪式、杠桿式和螺旋式等四種類型。其中葉輪式是由氣壓直接驅(qū)動(dòng)葉輪回轉(zhuǎn)實(shí)施擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)。其他三種類型都是在內(nèi)部安裝氣缸和活塞,并由各自的特殊機(jī)構(gòu)將活塞的直線運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)。與其他方式相比,葉輪式具有體積小和效率高的特點(diǎn)。它的缺點(diǎn)是內(nèi)部安裝緩沖器較為困難。其他三種方式適用于大型機(jī)構(gòu)。如果機(jī)械設(shè)計(jì)得恰當(dāng),則擺動(dòng)角度可達(dá)360° 。同樣,在內(nèi)部也可以安裝緩沖器。
下面以葉輪式為例作一介紹。
葉輪式擺動(dòng)傳動(dòng)裝置
這種裝置可以按輸出扭矩和結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行分類。按結(jié)構(gòu)可分為單葉輪和雙葉輪兩類。
基本結(jié)構(gòu)
這種裝置由殼、葉輪軸、閘瓦、閘瓦密封墊、軸承、O形圈和緊固螺釘?shù)雀鞣N零件構(gòu)成。外殼分為前后兩部份,由緊固螺釘將它們固定在一起。作為接受氣壓部件的葉輪和將回轉(zhuǎn)動(dòng)力向外輸送的軸形成一個(gè)整體,稱葉輪軸。它由軸承支承,兩端用O形圈密封。外殼內(nèi)的閘瓦則由閘瓦密封墊進(jìn)行密封。
動(dòng)作原理剖釋
單葉輪式
這種型式是從閘瓦一側(cè)的進(jìn)氣口向內(nèi)室供給壓縮空氣。在壓縮空氣擠壓葉輪的作用下帶動(dòng)葉輪軸回轉(zhuǎn),向外輸出扭矩??諝鈩t從閘瓦另一側(cè)的排氣口排出。
雙葉輪式
這種型式是從閘瓦一側(cè)進(jìn)氣口進(jìn)入的壓縮空氣在對(duì)葉輪一邊擠壓的同時(shí),再通過設(shè)置在軸上的通路對(duì)葉輪的另一側(cè)進(jìn)行擠壓。即可以輸出由兩只葉輪回轉(zhuǎn)軸所形成的扭矩。空氣通過葉輪之后即從內(nèi)室排出,并通過另一通道進(jìn)入排氣管道。
由于雙葉輪式是用兩只葉輪回轉(zhuǎn)軸,所以輸出的扭矩是單葉輪式的2倍。
裝置的特性
輸出
這種傳動(dòng)裝置的輸出用扭矩來衡量。理論上扭矩是作用于葉輪的力和回轉(zhuǎn)半徑的積分值。但這是一個(gè)忽略了密封摩擦阻抗等因素的值,在摩擦阻抗影響下實(shí)際輸出的扭矩稱為實(shí)效扭矩。它與理論扭矩方比是扭矩效率。通常在產(chǎn)品說明中標(biāo)注的是實(shí)效扭矩。
擺動(dòng)時(shí)間
所謂擺動(dòng)時(shí)間是相對(duì)于一個(gè)擺動(dòng)角(例如90°)的動(dòng)作時(shí)間。在產(chǎn)品說明中規(guī)定了擺動(dòng)時(shí)間的范圍和容許擺動(dòng)速度的大致標(biāo)準(zhǔn)。
與氣缸相比,因這種傳動(dòng)裝置的內(nèi)部容積小,所以較難以控制速度。當(dāng)以超過*長(zhǎng)擺動(dòng)時(shí)間的低速使用時(shí),因發(fā)生爬行現(xiàn)象而不能平穩(wěn)地動(dòng)作。為此以使用適合于低速控制的氣動(dòng)-液壓裝置為宜。相反,如果是以小于*短擺動(dòng)時(shí)間的高速使用時(shí),那么葉輪的外周就會(huì)以超過規(guī)定數(shù)值(例如500mm/s)的高速滑動(dòng)。因發(fā)熱等原因使密封件發(fā)生異常摩損,縮短使用壽命。
容許能量
當(dāng)負(fù)載的慣性能量超過軸的容許能量時(shí),軸會(huì)出現(xiàn)折損。為此,當(dāng)發(fā)生上述現(xiàn)象時(shí),應(yīng)采取以下的措施。
* 加大傳動(dòng)裝置的尺寸,增大容許能量值。
* 降低擺動(dòng)速度,減小慣性能量。
* 設(shè)置外部緩沖裝置,吸收部份慣性能量,使施加于軸的沖擊(能量) 小于容許能量。
液壓緩沖器
這是一種當(dāng)發(fā)生過大的負(fù)載慣性能量時(shí),用于在擺動(dòng)端吸收沖擊(能量)的設(shè)備。擺動(dòng)傳動(dòng)裝置中通常設(shè)置專用的小型油壓式?jīng)_擊減震器。使用這種緩沖器之后,可以擴(kuò)大擺動(dòng)傳動(dòng)裝置的使用范圍。
減少裝置的耗氣量
擺動(dòng)傳動(dòng)裝置動(dòng)作的耗氣量可從擠壓葉輪的容積和送氣管道容積等求得。通常為了減少耗氣量,可采用縮小內(nèi)部容積或降低使用壓力等措施,并應(yīng)適當(dāng)延長(zhǎng)擺動(dòng)時(shí)間。
縮小內(nèi)部容積
* 利用**的特性圖:這是預(yù)先利用負(fù)載質(zhì)量、形狀、所使用的力及擺 動(dòng)時(shí)間 特性圖,選擇*適宜的機(jī)種、控制方式和管道的組成方式。 選用容量非常接近所需值的機(jī)種來節(jié)省能源。
* 對(duì)過大慣性能量采取的相應(yīng)措施:通常對(duì)于大慣性能量要選用大型裝 置,但這也可以采用變更負(fù)載質(zhì)量和形狀的方法來減小慣性能量,或 者是用降低擺動(dòng)速度和設(shè)置外部緩沖裝置的方式使其可選用小型機(jī) 種。
* 縮小管道容積:這是通過縮小從控制器到裝置的管道內(nèi)容積來節(jié)省能 量,即在保持管道直徑不變的條件下縮短長(zhǎng)度。
低壓化
* 核對(duì)始動(dòng)壓力:當(dāng)用較低壓力的空氣可以動(dòng)作時(shí),就盡量選用始動(dòng)壓 力較低的裝置。不過一般裝置在經(jīng)長(zhǎng)時(shí)間放置后,滑動(dòng)部分密封件發(fā) 生粘附而需要較大的始動(dòng)壓力?,F(xiàn)在開發(fā)的新型擺動(dòng)傳動(dòng)裝置因使用 了特種密封件,即使經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間放置也只要很低的始動(dòng)壓力,且泄漏 也很小。經(jīng)試驗(yàn)證明,放置12小時(shí)之后的始動(dòng)壓力仍在0.2MPa以下, 效果不錯(cuò)。
* 設(shè)置增壓器:通常設(shè)置增壓器之后可將原來0.4MPa的壓力提高到 0.7MPa,就可提供較高的始動(dòng)壓力。
低速化
采用低速可減少*大耗氣量,所以應(yīng)根據(jù)氣動(dòng)傳動(dòng)裝置所需的*慢速度來選擇機(jī)種。以達(dá)到節(jié)省能量的目的。
采用節(jié)省能源的回路
在這類氣動(dòng)回路中有推力變換回路,在工作時(shí)它向回轉(zhuǎn)一邊供給使用壓力,向回轉(zhuǎn)的反方向供給較低壓力來減少耗氣量。
另一種是降低背壓的回路。這是在驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)裝置時(shí),預(yù)先用急速排氣閥排氣降低背壓。這樣只要供給較低壓力的空氣即可動(dòng)作。
還有一種是利用背壓的回路。當(dāng)裝置動(dòng)作時(shí)要向大氣排放壓縮空氣(背壓),現(xiàn)在將這種壓縮空氣供給進(jìn)氣口就可以減少用于提高空氣壓力所消耗的能量。
使電磁閥節(jié)省能量的方法
氣動(dòng)系統(tǒng)節(jié)省能量是一個(gè)范圍很廣的課題,其中使電磁閥節(jié)省能量也是一個(gè)重要的環(huán)節(jié)。
實(shí)際上,關(guān)于電磁閥的小型化和節(jié)省能量的工作在很早以前就開始了。20世紀(jì)60年代,汽車行業(yè)中作為金屬密封直動(dòng)滑閥的電磁閥功率30-40W。當(dāng)時(shí)作為小型電磁閥的彈性體提動(dòng)結(jié)構(gòu)直動(dòng)閥的功率為15W,質(zhì)量為300g。70年代,電磁閥中的驅(qū)動(dòng)元件大都使用繼電器,消耗功率降低到5W,質(zhì)量降低到190g。其后,80年代又將功率降低到 1.5W,質(zhì)量降低到57g。90年代則達(dá)到0.5W和15g。即使這樣,還可以對(duì)電磁閥采取節(jié)省能量的措施以爭(zhēng)取更佳經(jīng)濟(jì)效益。
電磁閥線圈的節(jié)省電能
電磁閥線圈按照所需吸引力吸動(dòng)銜鐵,以及在吸附后保持吸附狀態(tài)的過程中需要電力來產(chǎn)生磁場(chǎng)。在開始吸動(dòng)時(shí),由于可動(dòng)銜鐵與固定銜鐵之間有較大的空氣隙,而需由瞬間的大電力產(chǎn)生磁場(chǎng)才能產(chǎn)生所需的吸引力。吸附后兩銜鐵之間的空氣隙幾乎接近于零,所以只需要吸動(dòng)時(shí)1/2或1/3的電力即可保持吸附狀態(tài)。如果對(duì)線圈在吸動(dòng)和保持時(shí)都施加相同的電力,那就造成浪費(fèi)。現(xiàn)在用一個(gè)回路來減少保持銜鐵吸附狀態(tài)時(shí)對(duì)線圈所施加的電力,就可以節(jié)省電能。
該電路的基本原理是利用電容器C的充放電時(shí)間切換晶體管Tr1和Tr2,用時(shí)間來控制流入線圈的電流。在電磁閥開始工作,由線圈磁場(chǎng)吸動(dòng)銜鐵時(shí),Tr1控制流入線圈中的電流使功率達(dá)到3.2W。吸附后則由Tr2控制流入線圈中的電流使功率下降到1.1W。這樣就減少了電力的消耗。與此同時(shí),由于減少了電力消耗而降低了向四處散發(fā)的熱量,提高了電磁閥及其附近部件的可靠性。
減少電磁閥切換時(shí)的壓縮空氣損失
在氣動(dòng)系統(tǒng)中,電磁閥是作為控制氣缸等傳動(dòng)裝置動(dòng)作的方向閥使用。本來,傳動(dòng)裝置的驅(qū)動(dòng)源只要對(duì)它提供必要量的壓縮空氣即可,但實(shí)際上有一定量的壓縮空氣被浪費(fèi)。這主要是由電磁閥主閥部份的結(jié)構(gòu)造成的。
電磁閥主閥部份按結(jié)構(gòu)分類有提動(dòng)型、膜片型、滑閥型和滑動(dòng)型。按密材料分類有彈性體密封件和金屬密封件。按電磁閥自身的操作方法分類有直接動(dòng)作閥和間接動(dòng)作閥等。上述各種類型都有各自的優(yōu)缺點(diǎn),現(xiàn)在使用量*多的是滑閥?;y有金屬閥柱和軟性閥柱兩種類型。它們泄漏的性能不一樣。
金屬閥柱的密封件因與金屬接觸,所以在閥柱與套管之間有間隙。一般狀態(tài)的漏氣量為100cm³/min 。而軟性閥柱因使用彈性體密封材料,所以電磁閥在通、斷狀態(tài)時(shí)的密封性能很好。但彈性體密封件也有缺點(diǎn),即在電磁閥作切換動(dòng)作時(shí)呈中性狀態(tài),所以在每次動(dòng)作時(shí)要空耗一定量的氣體。
現(xiàn)在主閥體的結(jié)構(gòu)已有改進(jìn)。在切換時(shí),原來密封圈尚未失去密封作用前,另一只密封圈已經(jīng)進(jìn)入密封狀態(tài),這樣在每次切換時(shí)就不再浪費(fèi)氣體。本來這種無(wú)中性結(jié)構(gòu)只在大型閥中使用,近幾年由于對(duì)實(shí)施小型化和大流量,所以中、小型閥也開始采用這種結(jié)構(gòu)。
用增壓閥節(jié)省能量
除了以往所使用的各種氣動(dòng)系統(tǒng)節(jié)省能量的方法之外,近來又開發(fā)了用增壓閥節(jié)省能量的方法。
結(jié)構(gòu)和動(dòng)作原理
增壓閥是由一對(duì)氣缸、活塞和單向閥構(gòu)成泵的一部份。由活塞的往復(fù)動(dòng)作來切換閥門,所以是一種由控制輸出壓力來調(diào)整閥門方式構(gòu)成的容積型往復(fù)式活塞泵。
氣缸內(nèi)側(cè)是增壓室。對(duì)交替地流入的空氣增壓之后再送出。氣缸外側(cè)是驅(qū)動(dòng)室。它由與活塞行程聯(lián)動(dòng)的動(dòng)作切換閥門,對(duì)交替進(jìn)入的空氣反復(fù)進(jìn)行供氣和排氣。這樣,在空氣的出口處可以邊續(xù)地獲得由活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行增壓的空氣。增壓后的空氣壓力可以達(dá)到輸入時(shí)的2倍。往復(fù)動(dòng)作則由力平衡自動(dòng)停止。對(duì)輸出空氣壓力的控制是由負(fù)責(zé)反饋輸出壓力的增壓調(diào)整閥控制供給驅(qū)動(dòng)室壓力來實(shí)現(xiàn)。當(dāng)輸出壓力低于設(shè)定值時(shí),調(diào)整閥打開,并按照與設(shè)定差距相適應(yīng)的速度進(jìn)行往復(fù)動(dòng)作。當(dāng)達(dá)到設(shè)定值時(shí),調(diào)整閥關(guān)閉,切斷向驅(qū)動(dòng)室供給壓力的通路,閥門自動(dòng)停止運(yùn)轉(zhuǎn)。
性能
一般增壓閥輸出的空氣壓力是輸入的2倍,但此壓力將隨輸出流量的加大而下降。為了在輸出流量增大時(shí)仍能保持原來的壓力,則需要提高往復(fù)動(dòng)作的頻率,目的是要通過動(dòng)作頻率保證使驅(qū)動(dòng)室和通路的整個(gè)容積中充滿空氣。由于增長(zhǎng)率壓閥也要消耗一定量的空氣,所以所供給的空氣應(yīng)是使用量的1.2倍。
以下是一個(gè)使用實(shí)例:用10臺(tái)3,600kW 的空氣壓縮機(jī)供給鑄造、鍛造、機(jī)械加工、裝配和檢查的各生產(chǎn)線。原來已經(jīng)實(shí)施低壓化的壓力為0.63MPa,現(xiàn)使用增壓閥后降低到0.57MPa。從而使空氣壓縮機(jī)的耗電量下降6%。
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