Κατανόηση των μετρήσεων αεροσυμπιεστών: εργασία, ισχύς και ροή

Η μηχανική εργασία που σχετίζεται με τις μεταβολές του όγκου ενός μείγματος αερίων είναι μία από τις σημαντικότερες διαδικασίες στη μηχανική θερμοδυναμική. 

Οι ρυθμοί ροής του αεροσυμπιεστή μετρώνται συνήθως με τη χρήση μετρητή μάζας ροής. Διαισθητικά, είναι ευκολότερο να γίνει κατανοητός ο ρυθμός ροής ενός αερίου ως προς τον όγκο παρά ως προς τη μάζα. Ένα αντιληπτό μειονέκτημα σε αυτό θα μπορούσε να είναι ότι τότε είναι απαραίτητο να καθοριστούν οι συνθήκες εισόδου του αερίου, καθώς ο όγκος θα αλλάζει με τις μεταβαλλόμενες συνθήκες εισόδου. Ωστόσο, για έναν αεροσυμπιεστή, ο ρυθμός μάζας ροής εξόδου θα εξαρτάται επίσης από τις συνθήκες εισόδου, πράγμα που σημαίνει ότι είναι πάντα απαραίτητο να καθορίζονται οι συνθήκες εισόδου στις οποίες επιτεύχθηκε ρυθμός ροής.

Ο ογκομετρικός ρυθμός ροής ενός συστήματος είναι ένα μέτρο του όγκου του υγρού που ρέει ανά μονάδα χρόνου. Μπορεί να υπολογιστεί ως το προϊόν της διατομής της ροής και της μέσης ταχύτητας ροής. Η μονάδα SI για τον ογκομετρικό ρυθμό ροής είναι m3/s.

Ωστόσο, όταν αγοράζετε έναν αεροσυμπιεστή, συνήθως θα βρείτε τη χωρητικότητα του αεροσυμπιεστή, εκφρασμένη σε λίτρα/δευτερόλεπτο (l/s). Αυτό είναι το FAD ή η ελεύθερη παροχή αέρα του αεροσυμπιεστή.

Τι είναι η ελεύθερη παροχή αέρα; Ελεύθερος αέρας σημαίνει αέρας υπό συνθήκες εισόδου του αεροσυμπιεστή, δηλαδή σε θερμοκρασία και πίεση περιβάλλοντος. Η παράδοση συνεπάγεται ότι εξετάζεται μόνο ο αέρας που εξέρχεται από την έξοδο του αεροσυμπιεστή. Αυτό διαφέρει από τον αέρα που εισέρχεται στην είσοδο, καθώς μπορεί να διαρρεύσει λίγος αέρας από τον αεροσυμπιεστή μεταξύ της εισόδου και της εξόδου. Η παροχή ενός αεροσυμπιεστή μετριέται κανονικά με ένα μετρητή μάζας ροής στην έξοδο. Αυτό σημαίνει ότι μετριέται μόνο ο παρεχόμενος αέρας. Στη συνέχεια μετατρέπεται σε «ελεύθερο αέρα» χρησιμοποιώντας τις συνθήκες εισόδου.

Το FAD προορίζεται για τη σύγκριση μεταξύ διαφορετικών αεροσυμπιεστών ή για την αντιστοίχιση της χωρητικότητας ενός αεροσυμπιεστή με την κατανάλωση εργαλείων. Εκτός εάν αναφέρεται διαφορετικά, το FAD ενός αεροσυμπιεστή ή εργαλείου - το οποίο μπορείτε να βρείτε στα δελτία προδιαγραφών του - έχει μετρηθεί διατηρώντας τις συνθήκες εισόδου αναφοράς (οι οποίες είναι 20°C, 1 bar και 0% RH). Η μάζα αέρα που ταιριάζει στον όγκο κύλισης ενός στοιχείου αεροσυμπιεστή θα ποικίλλει με την πυκνότητα του αέρα και, συνεπώς, θα αλλάξει την ποσότητα ροής που επιτυγχάνεται αποτελεσματικά στην πλευρά εξόδου ενός αεροσυμπιεστή. Η πυκνότητα εξαρτάται από τη θερμοκρασία και την πίεση του αέρα. Αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο η μετρηθείσα ροή μάζας εξόδου διαιρείται με την πυκνότητα του αέρα εισόδου. Με αυτόν τον τρόπο εξαλείφεται η επίδραση της πυκνότητας.

Ωστόσο, υπάρχουν δευτερεύουσες επιδράσεις από τη θερμοκρασία και την πίεση. Μεταξύ άλλων, το μέγεθος των διακένων μεταξύ των εξαρτημάτων θα αλλάξει ανάλογα με τη θερμοκρασία, προκαλώντας μεγαλύτερη ή μικρότερη διαρροή. Μια αλλαγή στην πίεση στην είσοδο θα προκαλέσει επίσης υπερβολική ή υποβολική συμπίεση, η οποία θα αλλάξει τον ρυθμό ροής εξόδου που προκύπτει. Για τον λόγο αυτό, είναι σημαντικό να συγκρίνετε τους αεροσυμπιεστές υπό τις ίδιες συνθήκες, οι οποίες γενικά (αλλά όχι απαραίτητα) είναι οι συνθήκες αναφοράς που ορίζονται στο πρότυπο ISO1217:2009. Σε άλλους τομείς ή περιοχές μπορούν να χρησιμοποιηθούν διαφορετικές συνθήκες αναφοράς.

Ένας άλλος συχνά χρησιμοποιούμενος ρυθμός ροής είναι ο κανονικός ρυθμός ροής (Nl/s), όπου η αναφορά είναι στους 0°C, 1 atm και 0% RH.

Η σχέση μεταξύ των δύο ρυθμών ροής όγκου είναι q _FAD = q_N × T _FAD / T_N × P_{N /} P _FAD

(σημειώστε ότι ο παραπάνω απλοποιημένος τύπος δεν λαμβάνει υπόψη την υγρασία).

• Το qFAD αντικατοπτρίζει τις πραγματικές συνθήκες λειτουργίας, λαμβάνοντας υπόψη την πίεση και τη θερμοκρασία στην οποία εξέρχεται ο αέρας από τον αεροσυμπιεστή.
• Το qN παρέχει μια τυποποιημένη αναφορά, διευκολύνοντας τη σύγκριση της απόδοσης του αεροσυμπιεστή σε διάφορα συστήματα.

Οι μηχανικοί και οι βιομηχανικοί αγοραστές βασίζονται στο qN για συγκριτική αξιολόγηση, ενώ το qFAD είναι κρίσιμο για τον πραγματικό σχεδιασμό και τη λειτουργία του συστήματος.

Παρόλο που φαίνεται να είναι ογκομετρική παροχή, η FAD μπορεί να θεωρηθεί ως ογκομετρική παροχή μάζας εκφρασμένη ως προς τον όγκο. Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι για σταθερές συνθήκες, η πυκνότητα της ροής αέρα είναι σταθερή και επομένως η ροή μάζας είναι σταθερή και γνωστή.

Το ακόλουθο παράδειγμα απεικονίζει την ελεύθερη παροχή αέρα (FAD):

• Τι σημαίνει FAD 39l/s για έναν αεροσυμπιεστή που λειτουργεί στα 10 bar(e);
• Πόσο διαρκεί η πλήρωση ενός ρεζερβουάρ 39 l σε πίεση 10 bar(e);

Βλέπουμε το FAD ως ρυθμό ροής μάζας. Η συνολική μάζα των 39 λίτρων αέρα στα 10 bar(e) ή στα 11 bar(a) είναι απλώς 11 φορές η μάζα των 39 λίτρων αέρα σε συνθήκες περιβάλλοντος. Μπορούμε να ονομάσουμε το τελευταίο μία μονάδα μάζας. Αν υποθέσουμε ότι η δεξαμενή είναι ήδη γεμάτη με αέρα περιβάλλοντος κατά την έναρξη, υπάρχει ήδη μια «μονάδα μάζας» μέσα και χρειαζόμαστε μόνο 10 ακόμα. Επειδή γνωρίζουμε ότι ο αεροσυμπιεστής παρέχει μία μονάδα μάζας ανά δευτερόλεπτο, χρειαζόμαστε 10 δευτερόλεπτα για να παραδώσουμε αυτή τη μάζα στη δεξαμενή.

Η διαφορά μεταξύ bar(a) και bar(e) επεξηγείται εδώ.

Το SER είναι ένα μέτρο απόδοσης, που εκφράζεται ως η ποσότητα ενέργειας που απαιτείται για την παροχή 1 λίτρου FAD σε μια συγκεκριμένη πίεση. Αυτό δίνει μια τιμή σε Joules/λίτρο (J/l). Για παράδειγμα, ένα μηχάνημα που καταναλώνει 35kW για να παρέχει 100L/s έχει SER 350J/l.

Η προσδιορισμός του συστήματος πεπιεσμένου αέρα με βάση τη ροή και την πίεση - όχι kW ή ιπποδύναμη - είναι ο καλύτερος τρόπος να προσαρμοστεί η απόδοσή του στις ανάγκες σας. Το μέγεθος του αεροσυμπιεστή πρέπει να ανταποκρίνεται με μεγαλύτερη ακρίβεια στις απαιτήσεις της επιχείρησής σας και όχι μόνο βάσει της ονομαστικής ισχύος kW.

Σε αυτό το άρθρο καλύπτονται πολλοί τεχνικοί όροι που σχετίζονται με τη μηχανική εργασία, την ισχύ και τη ροή. Η κατανόηση αυτών των πληροφοριών είναι σημαντική για την επένδυση στον σωστό εξοπλισμό για την εφαρμογή σας. Εάν αγοράσετε εξοπλισμό που είναι είτε πολύ μεγάλος είτε πολύ μικρός, υπάρχει κίνδυνος αναποτελεσματικότητας.

Αυτό που είναι σημαντικό να λάβετε υπόψη είναι πόση δύναμη θα χρειαστείτε για να μετακινήσετε ένα αντικείμενο για να ολοκληρώσετε μια δεδομένη εργασία σε ένα δεδομένο χρονικό πλαίσιο. Όπως αναφέρθηκε παραπάνω, αυτό εκφράζεται σε ροή και πίεση. Εκτός από τα λίτρα ανά δευτερόλεπτο (l/s), η ροή παρουσιάζεται σε κυβικά πόδια ανά λεπτό (cfm) ή κυβικά μέτρα ανά ώρα (m3/h). Όλες αυτές οι μετρήσεις αφορούν την ταχύτητα.

Η πίεση εμφανίζεται και ως bar, όπως αναφέρεται παραπάνω, ή ως λίβρες ανά τετραγωνική ίντσα (psi). Εάν πρέπει να μετακινήσετε βαριά αντικείμενα, θα χρειαστείτε περισσότερη πίεση. Θα πρέπει επίσης να καθορίσετε εάν χρειάζεστε παροχή αέρα όλη την ημέρα και εάν υπάρχουν διαφορετικές απαιτήσεις για τις εφαρμογές σας. Αυτό το πλαίσιο είναι χρήσιμο όταν πρόκειται για τον προσδιορισμό του μεγέθους και την επιλογή μεταξύ μηχανημάτων σταθερής ταχύτητας και μεταβλητών στροφών (VSD). Δείτε τον οδηγό μας για την επιλογή αεροσυμπιεστή.