Розуміння вимірювань повітряного компресора: робота, потужність і витрата

Механічна робота, пов'язана зі зміною об'єму газової суміші, є одним з найважливіших процесів в інженерній термодинаміці. 

Швидкість потоку компресора зазвичай вимірюється за допомогою масового витратоміра. Інтуїтивно легше зрозуміти швидкість потоку газу в об'ємі, ніж у масі. Сприйнятим недоліком цього може бути те, що тоді необхідно вказати умови впуску газу, оскільки об'єм буде змінюватися зі зміною умов впуску. Однак для компресора масова витрата на виході також залежить від умов на впуску, тобто завжди потрібно вказувати умови на впуску, за яких була досягнута витрата.

Об'ємний потік системи є вимірюванням об'єму рідини, що протікає за одиницю часу. Його можна розрахувати як продукт площі поперечного перерізу потоку та середньої швидкості потоку. Одиниця СІ для об'ємного потоку становить м3/с.

Однак, коли ви купуєте компресор, ви зазвичай знайдете продуктивність компресора, виражену в літрах/секунду (л/с). Це FAD або вільна подача повітря компресора.

Що таке вільна подача повітря? Вільне повітря означає повітря в умовах на впуску компресора, тобто за температури та тиску навколишнього середовища. Постачання передбачає, що враховується лише повітря, що виходить з випускного отвору компресора. Це відрізняється від повітря, що надходить на впуску, оскільки деяке повітря може виходити з компресора між впуском і випуском. Об'ємна витрата компресора зазвичай вимірюється за допомогою масового витратоміра на виході. Це означає, що вимірюється лише подане повітря. Потім він перетворюється на «вільне повітря» за умов впуску.

FAD призначено для порівняння різних компресорів або для узгодження продуктивності компресора зі споживанням інструментів. Якщо не зазначено інше, FAD компресора або інструмента, який можна знайти в технічних характеристиках, вимірювали з дотриманням еталонних умов на впуску (20 °C, 1 бар і 0 % відносної вологості). Маса повітря, яка входить до робочого об'єму компресорного елемента, змінюватиметься з щільністю повітря і, таким чином, змінюватиме кількість потоку, ефективно отриманого на випускному боці компресора. Щільність залежить від температури та тиску повітря. Тому виміряний масовий потік на виході поділяється на щільність повітря на впуску. Таким чином скасовується ефект щільності.

Однак існують побічні ефекти від температури та тиску. Зокрема, розмір зазорів між деталями змінюється залежно від температури, що призводить до більшої або меншої кількості витоків. Зміна тиску на вході також призведе до надмірного або недостатнього стиснення, що змінить отриману швидкість потоку на виході. З цієї причини важливо порівнювати компресори за однакових умов, які зазвичай (але не обов'язково) є еталонними умовами, визначеними в стандарті ISO1217:2009. В інших галузях або регіонах можуть використовуватися інші еталонні умови.

Іншою часто використовуваною швидкістю потоку є нормальна швидкість потоку (Нл/с), де еталонна швидкість становить 0 °C, 1 атм і 0 % відносної вологості.

Співвідношення між двома об'ємними витратами q _FAD = q_N × T _FAD / T_N × P_{N /} P _FAD

(Зверніть увагу, що наведена вище спрощена формула не враховує вологість.)

• qFAD відображає реальні робочі умови, враховуючи тиск і температуру, за яких повітря виходить з компресора.
• qN забезпечує стандартизоване еталонне значення, що полегшує порівняння робочих характеристик компресорів у різних системах.

Інженери та промислові покупці покладаються на qN для еталонування, тоді як qFAD має вирішальне значення для фактичного проектування та експлуатації системи.

Незважаючи на те, що здається, що це об'ємна швидкість потоку, FAD можна розглядати як масову швидкість потоку, виражену в об'ємі. Це пов'язано з тим, що за фіксованих умов щільність повітряного потоку є постійною, а отже, масовий потік є постійним і відомим.

Наведений нижче приклад ілюструє вільну подачу повітря (FAD):

• Що означає FAD 39 л/с для компресора, що працює при тиску 10 бар(е)?
• Скільки часу потрібно, щоб заповнити бак об'ємом 39 л під тиском 10 бар(е)?

Ми бачимо FAD як масовий потік. Загальна маса 39 л повітря за тиску 10 бар(е) або 11 бар(а) дорівнює в 11 разів масі 39 л повітря за навколишніх умов. Останню можна назвати однією одиницею маси. Припускаючи, що резервуар вже заповнений навколишнім повітрям на початку, в ньому вже є одна «масова одиниця», і нам потрібно лише 10 додаткових. Оскільки ми знаємо, що компресор подає одну одиницю маси в секунду, нам потрібно 10 секунд, щоб подавати цю масу в бак.

Тут пояснюється різниця між барами (a) і барами (e).

SER - це показник ефективності, виражений як кількість енергії, необхідної для доставки 1 літра FAD за певного тиску. Це дає значення в джоулях/літр (Дж/л). Наприклад, машина, яка споживає 35 кВт для подачі 100 л/с, має SER 350 Дж/л.

Найкращий спосіб узгодити продуктивність системи стисненого повітря з вашими потребами - визначити її витрату та тиск, а не кВт або кінську потужність. Розміри компресорів мають відповідати вимогам вашого бізнесу більш точно, ніж просто номінальна потужність у кВт.

У цій статті розглядається багато технічних термінів, що стосуються механічної роботи, потужності та потоку. Розуміння цієї інформації є важливим для інвестування у правильне обладнання для вашої сфери застосування. Якщо ви купуєте обладнання занадто великого або занадто малого розміру, існує ризик неефективності.

Важливо враховувати, скільки зусиль вам знадобиться для переміщення об'єкта, щоб виконати певне завдання за певний проміжок часу. Як зазначено вище, це виражається у витраті та тиску. На додаток до літрів на секунду (л/с), витрата представлена в куб. футах на хвилину (кв. фут) або куб. метрах на годину (м3/год). Усі ці вимірювання стосуються швидкості.

Тиск відображається у вищезгаданих барах або фунтах на квадратний дюйм (psi). Якщо вам потрібно перемістити важкі предмети, вам знадобиться більше тиску. Ви також захочете визначити, чи потрібна вам цілодобова подача повітря та чи існують різні вимоги до ваших застосувань. Цей контекст є корисним, коли йдеться про визначення розміру та вибір між машинами з фіксованою швидкістю та приводами з перемінною швидкістю (VSD). Див. наш посібник з вибору повітряного компресора.