以壓縮空氣為介質(zhì)的氣動(dòng)系統(tǒng)已得到廣泛的應(yīng)用。人們是否注意到，壓縮空氣系統(tǒng)每年消耗氣量所使用的電力約占全國發(fā)電量的10%.就當(dāng)前的氣動(dòng)應(yīng)用系統(tǒng)狀況，節(jié)省10%~30%的耗氣量是芫全可以做到的。這對(duì)中國這樣一個(gè)缺能大國，是非常有價(jià)值的事。

　　要節(jié)省氣動(dòng)系統(tǒng)的能量，首先就涉及到某個(gè)氣動(dòng)系統(tǒng)或某單位的氣動(dòng)應(yīng)用系統(tǒng)使用了多少能量，這些能量是如何使用掉的，然后，才能進(jìn)一步分析哪些能量可以采取怎樣的措施能夠節(jié)省下來。這就先碰到兩個(gè)問題，一是如何度量流動(dòng)和不流動(dòng)的壓縮空氣具有多少能量；二是如何測(cè)定該能量的大小。

　　1壓縮空氣的能量分析氣動(dòng)系統(tǒng)中，壓縮空氣的流動(dòng)是相當(dāng)復(fù)雜的。如所示，推動(dòng)氣缸運(yùn)動(dòng)的氣動(dòng)系統(tǒng)，當(dāng)換向閥1復(fù)位時(shí)，氣缸2無桿腔內(nèi)為大氣壓力pa，而有桿腔內(nèi)則為供給壓力ps，整個(gè)氣動(dòng)系統(tǒng)內(nèi)處于不流動(dòng)狀態(tài)，但無桿腔內(nèi)靜止的壓縮空氣已具有一定的能量。閥1換向時(shí)，壓縮空氣向氣缸無桿腔充氣，同時(shí)，無桿腔壓縮空氣則通過收稿曰期：控制的教學(xué)與研究工作。換向閥向外排氣。充氣開始，兩端壓力比Pa也一般小于氣動(dòng)充氣回路的臨界壓力比b，故是以聲速充氣。直至缸內(nèi)壓力P與ps之比大于b值時(shí)，向缸內(nèi)充氣，才是亞聲速充氣。隨P/Ps增大直至1，充氣才由亞聲速充氣變成低速充氣直至停止充氣。氣缸無桿腔則是從一開始的聲速排氣，逐漸變成亞聲速排氣、低速排氣，直至排氣停止。在充排氣過程中，沿流動(dòng)方向，還存在由于流動(dòng)而產(chǎn)生的壓力損失（即能量損失，機(jī)械能轉(zhuǎn)化為熱能）。且在流動(dòng)的任一截面上，流動(dòng)參數(shù)（如速度、壓力等）也不是均勻的。氣缸在動(dòng)作過程中，也存在對(duì)外作功和與外界存在熱交換的現(xiàn)象。由以上分析可見，氣缸本身存在內(nèi)部氣體的熱力學(xué)能，與外界進(jìn)行熱量交換和對(duì)外作功的能量守恒與轉(zhuǎn)換。氣動(dòng)系統(tǒng)內(nèi)的氣體流動(dòng)卻是一種非一元、不可壓縮和可壓縮流動(dòng)都存在、非理想流體（存在壓力損失）、非定常流動(dòng)（是充排氣流動(dòng)）。要對(duì)這樣復(fù)雜的流動(dòng)進(jìn)行各種能量（如熱力學(xué)能、動(dòng)能、壓力能、熱功交換等）及其相互轉(zhuǎn)化的分析是很困難的，但我們剖析靜止壓縮空氣所具有的能量及流動(dòng)的壓縮空氣在一定時(shí)間內(nèi)的總消耗能量是可以做到的。這就可以進(jìn)行壓縮空氣的成本孩算、節(jié)能分析等許多工作了。

　　2氣體無明顯宏觀運(yùn)動(dòng)的能量分析氣動(dòng)元件或系統(tǒng)內(nèi)的氣體無明顯宏觀運(yùn)動(dòng)時(shí)，即氣體的流動(dòng)速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于微觀的分子運(yùn)動(dòng)速度時(shí)，如氣缸在動(dòng)作過程中缸內(nèi)的氣體運(yùn)動(dòng)就是如此，缸內(nèi)氣體從熱力學(xué)能為Il的狀態(tài)變化至熱力學(xué)能為I2的狀態(tài)的變化過程中，外界向缸內(nèi)氣體傳遞了熱量Q，同時(shí)，缸內(nèi)氣體對(duì)外界作功為W，按能量守恒與轉(zhuǎn)換定律，有Q=（I2-）+W（1）0；向外界放熱，Q<0.缸內(nèi)氣體對(duì)外作功，W>0；外界對(duì)缸內(nèi)氣體作功，W<0.幾種特定狀態(tài)變化過程的熱力學(xué)能變化、過程功及過程熱量等如表1所示。

　　表1中，分別是氣體的壓力、溫度和質(zhì)量體積。Ai和-h分別表示單位質(zhì)量氣體的熱力學(xué)能變化和焓的變化。Cp是質(zhì)量定壓熱容，Cv是質(zhì)量定容熱容，讓=01/（是熱容比，也稱作等熵指數(shù)。w和q是單位質(zhì)量氣體的過程功和過程熱量。C是比熱容。

　　由表1可見，能量守恒與轉(zhuǎn)換的具體表現(xiàn)是與熱力過程有關(guān)。如等容過程中，從外界吸收的熱量，全部用來增加缸內(nèi)氣體的熱力學(xué)能，表現(xiàn)為溫度上升等。而等溫過程中，熱力學(xué)能不變化。等溫膨脹時(shí)，從外界吸收的熱量全部用于對(duì)外作功；而等溫壓縮時(shí)，外界對(duì)氣體作功，全部轉(zhuǎn)化為氣體向外界放出的熱量。

　　談?wù)摕o明顯宏觀運(yùn)動(dòng)的氣體能量，通常是指氣體處于某狀態(tài)而言，即熱力過程的始末，也沒有必要對(duì)狀態(tài)變化過程中的能量去進(jìn)行分析。我們知道，靜止氣體的焓就是氣體的總能量（含熱力學(xué)能及機(jī)械能）。焓h是單位質(zhì)量的氣體在流動(dòng)時(shí)所具有的包拮微觀運(yùn)動(dòng)能量在內(nèi)的能量。當(dāng)1kg氣體通過外界流入系統(tǒng)時(shí)，不僅將氣體的質(zhì)量勢(shì)力學(xué)能1帶進(jìn)系統(tǒng)，同時(shí)，還把從后面獲得的推動(dòng)功（也可稱作壓力能，因是壓力p產(chǎn)生的推動(dòng)功）pV也帶進(jìn)系統(tǒng)，故有在熱力變化的過程中，雖熱力學(xué)能1與推動(dòng)功Pv可相互轉(zhuǎn)化，但只有轉(zhuǎn)化后的推動(dòng)功才能作為機(jī)械能，即未轉(zhuǎn)化為推動(dòng)功的熱力學(xué)能是不能作為機(jī)械能的。

　　故對(duì)質(zhì)量為m、體積為V的氣體而言，利用氣體狀態(tài)方程pV=RT，其總機(jī)械能Ep可以推出下式。

　　此總機(jī)械能就是該壓縮氣體具有作機(jī)械功的能力?？倷C(jī)械能就是該壓縮空氣的壓力p與體積V的乘積。

　　應(yīng)當(dāng)注意，式（3）中的壓力p應(yīng)以表壓力計(jì)。因?yàn)橥苿?dòng)氣缸運(yùn)動(dòng)必須克服外界已存在的大氣壓力的反作用力，故實(shí)際具有的總機(jī)械能必須扣除大氣壓力的影表1幾種特定的熱力過程特定熱力過程等容過程v=C等壓過程p=C等溫過程T=C絕熱過程q=0狀態(tài)方程熱力學(xué)能變化焓的變化過程功w=！pdv求得p2=0.3925MPa（絕對(duì)壓力）在p2作用下，噴嘴內(nèi)可達(dá)聲速吹氣。設(shè)S2是臨界截面（M=1），根據(jù)氣體動(dòng)力學(xué)函數(shù)表，由=0. 275，查得S1管路內(nèi)的馬赫數(shù)吣=0.16，故￡=1.018，按下式可計(jì)算通過噴嘴的流量qa求得吹氣的*大總流動(dòng)功率（767-657）x5=5505壓縮空氣能量的度量基準(zhǔn)探討由以上分析，本文提出以下度量壓縮空氣能量的計(jì)算公式。

　　用總機(jī)械能來度量靜止壓縮空氣的能量。由式（3）可計(jì)算總機(jī)械能。

　　用總流動(dòng)功率來度量流動(dòng)的壓縮空氣具有的能量。由式（8）可計(jì)算不可壓縮流動(dòng)中，某緩變流截面上的總流動(dòng)功率。由式（13）可計(jì)算可壓縮流動(dòng)中，某緩變流截面上的總流動(dòng)功率。由相鄰兩緩變流截面的總流動(dòng)功率之差，可計(jì)算這兩個(gè)緩變流截面之間的能量損失大小。

　　用*大總流動(dòng)功率來度量氣動(dòng)回路或氣動(dòng)裝置已使用掉的能量大小。由式（9）可計(jì)算不可壓縮流動(dòng)的*大總流動(dòng)功率。由式（14）可計(jì)算可壓縮流動(dòng)的*大總流動(dòng)功率。

　　有種觀點(diǎn)認(rèn)為，壓力為P、體積為V的壓縮空氣的有效能，可以用該壓縮空氣等溫膨脹成大氣壓力所作的功來表達(dá)。理由是，等溫膨脹過程，壓縮空氣對(duì)外作功與其他過程（如絕熱過程）相比，理論功*大。故認(rèn)為壓縮空氣的有效能為且壓縮空氣流動(dòng)時(shí)的有效功率為當(dāng)壓力為p、體積為V的壓縮空氣，壓力由p等溫膨脹至壓力Pa的過程中，從外界吸收了熱量，該熱量又全部用來對(duì)外作功，其大小是由式（15）表達(dá)，但式（15）并不是壓力為p、體積為V的壓縮空氣自身具有的有效能。像等容過程，雖對(duì)外作功為零，但并不意味該過程的氣體沒有有效能。所以，用式（16）來計(jì)算流動(dòng)的壓縮空氣的有效功率也是不對(duì)的。

　　對(duì)例1，按式（3）計(jì)算，該壓縮空氣的總機(jī)械能為21X105.若按式（15）計(jì)算，該壓縮空氣的有效能可達(dá)49.9x105.相差太大了。

　　6壓縮空氣能量的測(cè)定靜止的壓縮空氣具有的總機(jī)械能可用式（3）計(jì)算，故只要測(cè)得體積為V的壓縮空氣的表壓力p便可。

　　要測(cè)定流動(dòng)的壓縮空氣的總流動(dòng)功率，除需測(cè)定標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的體積流量qa外，還要測(cè)出緩變流截面上的總壓p和靜壓p等。因氣動(dòng)回路中的連接管內(nèi)徑都比較小，測(cè)定總壓、靜壓比較困難。作為工程問題，而不作為研究課題的話，可以不關(guān)心總流動(dòng)功率的測(cè)定，只要測(cè)出*大總流動(dòng)功率，便得知?dú)鈩?dòng)回路或氣動(dòng)裝置使用了多少能量，從而可進(jìn)一步研究節(jié)能措施和進(jìn)行運(yùn)行成本孩算。

　　測(cè)量*大總流動(dòng)功率，從式（9）和式（14）可知，只需測(cè)出氣動(dòng)回路或裝置所使用的氣源壓力ps和氣源溫度Ts，再測(cè)出通過該氣動(dòng)回路或裝置的標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的體積流量qa便可。

　　是利用PFA系列數(shù)字式流量開關(guān)來測(cè)定有壓狀態(tài)下的體積流量qv或標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的體積流量qa.因qv是在管路中壓力為p的狀態(tài)下的體積流量，故應(yīng)同時(shí)測(cè)出p.已知p和qv，可利用式（17）計(jì)算出qa.像所示的充排氣回路，其*大總流動(dòng)功率Nmx是時(shí)間的函數(shù)，若測(cè)出Nmx與時(shí)間t的變化如所示。則在一定時(shí)間周期T內(nèi)，該氣動(dòng)回路所消耗的總機(jī)械能，便是所示曲線與時(shí)間軸線之間所包圍的面積，用公式表示則是