Forståelse af luftkompressormålinger: arbejde, effekt og flow

Mekanisk arbejde forbundet med ændringer i volumen af en gasblanding er en af de vigtigste processer inden for teknisk termodynamik. 

Kompressorflowhastigheder måles typisk ved hjælp af en masseflowmåler. Intuitivt er det nemmere at give mening om gassens flowhastighed i form af volumen end masse. En opfattet ulempe ved dette kan være, at det derefter er nødvendigt at specificere gassens indgangsbetingelser, da volumen ændres med skiftende indgangsbetingelser. For en kompressor vil udgangsmasseflowhastigheden dog også afhænge af indløbsforholdene, hvilket betyder, at det altid er nødvendigt at angive de indløbsforhold, hvori en flowhastighed blev opnået.

Et systems volumetriske flowhastighed er et mål for den mængde væske, der flyder pr. tidsenhed. Den kan beregnes som produktet af flowets tværsnitsareal og den gennemsnitlige flowhastighed. SI-enheden for flowhastighed er m3/s.

Når du køber en kompressor, vil du dog typisk finde kompressorens kapacitet udtrykt i liter/sekund (l/s). Dette er kompressorens FAD eller frie luftlevering.

Hvad er fri luftlevering? Fri luft betyder luft under kompressorens indsugningsforhold, dvs. ved omgivelsestemperatur og tryk. Levering indebærer, at der kun tages højde for den luft, der kommer ud af kompressorens udløb. Dette adskiller sig fra den luft, der kommer ind ved indsugningen, da noget luft kan lække ud af kompressoren mellem indsugningen og udsugningen. En kompressors flowhastighed måles normalt med en masseflowmåler ved udløbet. Det betyder, at kun den leverede luft måles. Den omdannes derefter til "fri luft" ved hjælp af indsugningsforholdene.

FAD er beregnet til at blive brugt til sammenligning mellem forskellige kompressorer eller til at matche en kompressors kapacitet med værktøjets forbrug. Medmindre andet er angivet, er FAD for en kompressor eller et værktøj – som du kan finde på deres specifikationsblade – målt under opretholdelse af referenceindsugningsforholdene (ved 20 °C, 1 bar og 0 % RH). Den luftmasse, der passer ind i kompressorelementets slagvolumen, vil variere med lufttætheden og dermed ændre den mængde flow, der effektivt opnås på kompressorens udløbsside. Densiteten afhænger af luftens temperatur og tryk. Derfor divideres den målte udgangsmassestrøm med indsugningsluftens densitet. På den måde ophæves densitetseffekten.

Der er dog sekundære effekter fra temperatur og tryk. Blandt andet vil størrelsen af mellemrummene mellem dele ændre sig afhængigt af temperaturen, hvilket forårsager mere eller mindre lækage. En ændring i trykket ved indgangen vil også forårsage over- eller underkompression, hvilket vil ændre den resulterende udløbsflowhastighed. Derfor er det vigtigt at sammenligne kompressorer under de samme forhold, som generelt (men ikke nødvendigvis) er de referenceforhold, der er defineret i ISO1217:2009-standarden. I andre sektorer eller regioner kan der anvendes forskellige referencebetingelser.

En anden ofte anvendt flowhastighed er den normale flowhastighed (Nl/s), hvor referencen er ved 0 °C, 1 atm og 0 % RH.

Forholdet mellem de to flowhastigheder er q _FAD = q_N × T _FAD / T_N × P_{N /} P _FAD

(bemærk, at ovenstående forenklede formel ikke tager højde for fugtighed).

• qFAD afspejler de faktiske driftsforhold og tager højde for det tryk og den temperatur, hvorved luften forlader kompressoren.
• qN leverer en standardiseret reference, der gør det nemmere at sammenligne kompressorydeevnen på tværs af forskellige systemer.

Ingeniører og industrielle indkøbere er afhængige af qN til benchmarking, mens qFAD er afgørende for det faktiske systemdesign og drift.

Selvom det ser ud til at være en volumenstrømningshastighed, kan FAD betragtes som en massestrømningshastighed udtrykt i volumen. Dette skyldes, at luftstrømmens tæthed er konstant under faste forhold, og at massestrømmen derfor er konstant og kendt.

Følgende eksempel illustrerer fri lufttilførsel (FAD):

• Hvad betyder en FAD på 39 l/s for en kompressor, der arbejder ved 10 bar(e)?
• Hvor lang tid tager det at fylde en 39 l tank ved et tryk på 10 bar(e)?

Vi kan se FAD som en masseflowhastighed. Den samlede masse af 39 l luft ved 10 bar(e) eller 11 bar(a) er ganske enkelt 11 gange massen af 39 l luft under omgivende forhold. Sidstnævnte kan kaldes en masseenhed. Hvis tanken allerede er fyldt med omgivende luft ved starten, er der allerede en "masseenhed" inde i den, og vi har kun brug for 10 mere. Da vi ved, at kompressoren leverer en masseenhed pr. sekund, har vi brug for 10 sekunder til at levere denne masse til tanken.

Forskellen mellem bar(a) og bar(e) forklares her.

SER er et mål for effektivitet, udtrykt som den mængde energi, der kræves for at levere 1 liter FAD ved et bestemt tryk. Dette giver en værdi i joule/liter (J/l). For eksempel har en maskine, der forbruger 35 kW for at levere 100 l/s, en SER på 350 J/l.

At specificere dit trykluftsystem efter flow og tryk – ikke kW eller hestekræfter – er den bedste måde at matche dets ydeevne med dine behov. Størrelsen af kompressoren skal svare mere præcist til dine forretningskrav end blot at gå efter kW-klassificering.

Der er mange tekniske begreber, der dækkes i denne artikel, og som vedrører mekanisk arbejde, effekt og flow. Det er vigtigt at forstå disse oplysninger for at kunne investere i det rigtige udstyr til din applikation. Hvis du køber udstyr, der enten er for stort eller for lille, er der risiko for ineffektivitet.

Det er vigtigt at overveje, hvor meget kraft du skal bruge til at flytte en genstand for at udføre et givent job inden for en given tidsramme. Som nævnt ovenfor udtrykkes dette i flow og tryk. Ud over liter pr. sekund (l/s) vises flowet i kubikfod pr. minut (cfm) eller kubikmeter pr. time (m3/h). Disse målinger vedrører alle hastighed.

Trykket vises både som bar, som nævnt ovenfor, eller pund pr. kvadrattomme (psi). Hvis du skal flytte tunge genstande, skal du bruge mere tryk. Du vil også gerne afgøre, om du har brug for luftforsyning hele dagen, og om der er forskellige krav til dine applikationer. Denne kontekst er nyttig, når det drejer sig om at bestemme størrelsen og vælge mellem maskiner med fast hastighed og maskiner med variabel hastighed (VSD). Se vores guide til valg af luftkompressor.