فهم قياسات ضاغط الهواء: الشغل والقدرة والتدفق

يعد العمل الميكانيكي المرتبط بالتغيرات في حجم خليط الغاز أحد أهم العمليات في الديناميكا الحرارية الهندسية. 

يتم قياس معدلات تدفق الضاغط عادةً باستخدام مقياس تدفق الكتلة. وبشكل بديهي، من الأسهل فهم معدل تدفق الغاز من حيث الحجم بدلاً من الكتلة. قد يكون العيب المتصور لهذا هو أنه من الضروري بعد ذلك تحديد ظروف مدخل الغاز، حيث سيتغير الحجم مع تغير ظروف المدخل. ومع ذلك، بالنسبة للضاغط، يعتمد معدل التدفق الكتلي للمخرج أيضًا على ظروف المدخل، مما يعني أنه من الضروري دائمًا تحديد ظروف المدخل التي تم فيها تحقيق معدل التدفق.

معدل التدفق الحجمي لنظام هو قياس حجم السائل المتدفق لكل وحدة زمنية. ويمكن حسابه كناتج ضرب مساحة المقطع العرضي للتدفق في متوسط السرعة المتجهة للتدفق. وحدة النظام الدولي لمعدل التدفق الحجمي هي م3/ث.

ومع ذلك، عند شراء ضاغط، ستجد عادةً سعة الضاغط، معبرًا عنها باللتر/الثانية (لتر/ثانية). وهذا هو FAD أو توصيل الهواء الحر للضاغط.

ما المقصود بالتدفق الحر للهواء؟ الهواء الحر يعني الهواء في ظروف مدخل الضاغط، وبالتالي في درجة الحرارة والضغط المحيطين. يعني التسليم أن الهواء القادم من مخرج الضاغط فقط هو ما يتم أخذه في الاعتبار. وهذا يختلف عن الهواء الذي يدخل من المدخل، حيث يمكن أن يتسرب بعض الهواء من الضاغط بين المدخل والمخرج. يتم قياس معدل تدفق الضاغط عادةً باستخدام مقياس تدفق كتلي عند المخرج. وهذا يعني أنه يتم قياس الهواء المدفوع فقط. ثم يتم تحويله إلى «هواء حر» باستخدام ظروف المدخل.

يُقصد باستخدام FAD للمقارنة بين الضواغط المختلفة أو لمطابقة سعة الضاغط مع استهلاك الأدوات. ما لم يُذكر خلاف ذلك، تم قياس FAD للضاغط أو الأداة - والتي يمكنك العثور عليها في أوراق المواصفات الخاصة بها - مع الحفاظ على ظروف المدخل المرجعية (التي تكون 20 °م و1 بار و0% رطوبة نسبية). ستختلف كتلة الهواء التي تتناسب مع حجم الضاغط الذي يتم مسحه بكثافة الهواء، وبالتالي ستتغير كمية التدفق التي يتم الحصول عليها بشكل فعال في جانب مخرج الضاغط. تعتمد الكثافة على درجة حرارة الهواء وضغطه. ولهذا السبب، يتم قسمة تدفق الكتلة الخارجي المقيس على كثافة الهواء الداخل. وبهذه الطريقة يتم إلغاء تأثير الكثافة.

ومع ذلك، هناك آثار ثانوية ناتجة عن درجة الحرارة والضغط. من بين أمور أخرى، سيتغير حجم الفجوات بين الأجزاء حسب درجة الحرارة، مما يتسبب في حدوث تسرب أكثر أو أقل. سيؤدي التغير في الضغط في المدخل أيضًا إلى زيادة الضغط أو انخفاضه مما سيغير معدل تدفق المخرج الناتج. ولهذا السبب، من المهم مقارنة الضواغط في نفس الظروف، والتي تكون عمومًا (وليس بالضرورة) الظروف المرجعية المحددة في معيار ISO1217:2009. في القطاعات أو المناطق الأخرى، يمكن استخدام ظروف مرجعية مختلفة.

معدل تدفق آخر شائع الاستخدام هو معدل التدفق العادي (Nl/s)، حيث يكون المرجع عند 0°م و1 atm و0% رطوبة.

العلاقة بين معدلي التدفق الحجمي هي q _FAD = q_N × T _FAD / T_N × P_{N /} P _FAD

(لاحظ أن الصيغة المبسطة أعلاه لا تأخذ في الاعتبار الرطوبة).

• يعكس qFAD ظروف التشغيل الحقيقية، مع الأخذ في الاعتبار الضغط ودرجة الحرارة التي يخرج منها الهواء من الضاغط.
• يوفر qN مرجعًا موحدًا، مما يجعل من السهل مقارنة أداء الضاغط عبر الأنظمة المختلفة.

يعتمد المهندسون والمشترون الصناعيون على qN لإجراء قياس مرجعي، بينما يعد qFAD أمرًا حاسمًا لتصميم النظام الفعلي وتشغيله.

على الرغم من أنه يبدو معدل تدفق حجمي، يمكن اعتبار FAD معدل تدفق كتلة معبر عنه من حيث الحجم. وذلك لأن كثافة تدفق الهواء في الظروف الثابتة ثابتة وبالتالي يكون تدفق الكتلة ثابتًا ومعروفًا.

يوضح المثال التالي تدفق الهواء الحر (FAD):

• ما معنى FAD البالغ 39 لترًا/ثانية للضاغط الذي يعمل عند 10 بار (e)؟
• كم من الوقت يستغرق ملء خزان سعة 39 لترًا عند ضغط 10 بار (e)؟

يمكننا أن نرى FAD كمعدل تدفق كتلي. إجمالي كتلة 39 لترًا من الهواء عند 10 بار (e) أو 11 بار (a) هو ببساطة 11 ضعف كتلة 39 لترًا من الهواء في الظروف المحيطة. يمكننا أن نطلق على هذه الوحدة الأخيرة وحدة كتلة واحدة. على افتراض أن الخزان مملوء بالفعل بالهواء المحيط في البداية، فهناك بالفعل "وحدة كتلة" واحدة داخله ونحتاج إلى 10 وحدات أخرى فقط. نظرًا لأننا نعلم أن الضاغط يوفر وحدة كتلة واحدة في الثانية، فإننا نحتاج إلى 10 ثوانٍ لتوصيل هذه الكتلة إلى الخزان.

يتم شرح الفرق بين البار (a) والبار (e) هنا.

SER هو مقياس للكفاءة، يُعبر عنه كمية الطاقة المطلوبة لتوصيل 1 لتر من FAD عند ضغط معين. يعطيك هذا قيمة بالجول/لتر (يول/لتر). على سبيل المثال، فإن الماكينة التي تستهلك 35 كيلو واط لتقديم 100 لتر/ثانية لها SER 350 يول/لتر.

إن تحديد نظام الهواء المضغوط حسب التدفق والضغط - وليس كيلوواط أو الحصان - هو أفضل طريقة لمطابقة أدائه مع احتياجاتك. يجب أن يتطابق حجم الضاغط مع متطلبات عملك بدقة أكبر من مجرد التصنيف بالكيلوواط.

هناك الكثير من المصطلحات الفنية يتناولها هذا المقال تتعلق بالشغل الميكانيكي والقدرة والتدفق. من المهم فهم هذه المعلومات للاستثمار في المعدات المناسبة لاستخداماتك. إذا اشتريت معدات كبيرة جدًا أو صغيرة جدًا، فقد تواجه مخاطر عدم الكفاءة.

ما يجب التفكير فيه هو مقدار القوة التي ستحتاج إليها لنقل جسم لإنجاز مهمة معينة في إطار زمني محدد. وكما ذُكر أعلاه، يتم التعبير عن ذلك بالتدفق والضغط. بالإضافة إلى وحدة اللتر في الثانية (لتر/ثانية)، يمكن قياس التدفق بالقدم المكعبة في الدقيقة (cfm) أو المتر المكعب في الساعة (م3/ساعة). تتعلق كل هذه القياسات بالسرعة.

يتم عرض الضغط كبار، كما ذكر أعلاه، أو رطل لكل بوصة مربعة (رطل لكل بوصة مربعة). إذا كنت بحاجة إلى نقل أشياء ثقيلة، فستحتاج إلى مزيد من الضغط. ستحتاج أيضًا إلى تحديد ما إذا كنت بحاجة إلى توصيل هواء طوال اليوم وما إذا كانت هناك متطلبات مختلفة لتطبيقاتك. هذا السياق مفيد عندما يتعلق الأمر بتحديد الحجم والاختيار بين ماكينات الإدارة متغيرة السرعة (VSD) والسرعة الثابتة. انظر دليلنا لاختيار ضاغط الهواء.