Ilmakompressorin mittausten ymmärtäminen: työ, teho ja virtaus

Mekaaninen työ, joka liittyy kaasuseoksen tilavuuden muutoksiin, on yksi tärkeimmistä prosesseista teknisessä termodynamiikassa. 

Kompressorin virtausnopeudet mitataan tyypillisesti massavirtausmittarilla. Kaasun virtausnopeus on intuitiivisesti helpompi määrittää tilavuuden kuin massan perusteella. Koettu haitta voi olla, että kaasun tulo-olosuhteet on määritettävä, koska tilavuus muuttuu tulo-olosuhteiden muuttuessa. Kompressorin lähtövirtausnopeus riippuu kuitenkin myös tulo-olosuhteista, joten on aina määritettävä tulo-olosuhteet, joissa virtausnopeus saavutettiin.

Järjestelmän tilavuusvirtaus mittaa virtaavan nesteen määrää aikayksikköä kohden. Se voidaan laskea virtauksen poikkipinta-alan ja keskimääräisen virtausnopeuden tuotteena. Virtauksen SI-yksikkö on m3/s.

Kun ostat kompressorin, näet yleensä kompressorin kapasiteetin litroina sekunnissa (l/s). Tämä on kompressorin FAD eli vapaa ilmantuotto.

Mikä on vapaa ilmantuotto? Vapaalla ilmalla tarkoitetaan ilmaa kompressorin tulo-olosuhteissa eli ympäristön lämpötilassa ja paineessa. Tuotto tarkoittaa, että vain kompressorin poistoaukosta tuleva ilma otetaan huomioon. Tämä eroaa tuloaukkoon tulevasta ilmasta, koska kompressorista voi vuotaa ilmaa tulo- ja poistoaukon välistä. Kompressorin virtausnopeus mitataan yleensä massavirtausmittarilla poistoaukosta. Tämä tarkoittaa, että vain toimitettu ilma mitataan. Sen jälkeen se muunnetaan "vapaaksi ilmaksi" tulo-olosuhteiden perusteella.

FAD on tarkoitettu käytettäväksi eri kompressorien vertailuun tai yhden kompressorin kapasiteetin sovittamiseen työkalujen kulutukseen. Ellei toisin mainita, kompressorin tai työkalun FAD (joka löytyy niiden teknisistä tiedoista) on mitattu säilyttäen vertailutulo-olosuhteet (20 °C, 1 bar ja 0 % RH). Kompressorielementin iskutilavuuteen sopiva ilmamassa vaihtelee ilman tiheyden mukaan ja muuttaa siten kompressorin poistopuolella tehokkaasti saavutettua virtausmäärää. Tiheys riippuu ilman lämpötilasta ja paineesta. Siksi mitattu poistoilman massavirtaus jaetaan tuloilman tiheydellä. Tiheyden vaikutus poistuu tällä tavalla.

Lämpötilalla ja paineella on kuitenkin sivuvaikutuksia. Muun muassa osien välisten rakojen koko muuttuu lämpötilan mukaan, mikä aiheuttaa enemmän tai vähemmän vuotoja. Paineen muutos tulossa aiheuttaa myös yli- tai alipuristusta, mikä muuttaa tuloksena olevaa poistovirtausta. Tästä syystä on tärkeää verrata kompressoreita samoissa olosuhteissa, jotka ovat yleensä (mutta eivät välttämättä) ISO1217:2009-standardissa määritellyt viiteolosuhteet. Muilla aloilla tai alueilla voidaan käyttää erilaisia viiteolosuhteita.

Toinen usein käytetty virtausnopeus on normaali virtausnopeus (Nl/s), jossa viitearvo on 0 °C, 1 atm ja 0 % RH.

Kahden virtausnopeuden välinen suhde on q _FAD = q_N × T _FAD / T_N × P_{N /} P _FAD

(huomaa, että yllä olevassa yksinkertaistetussa kaavassa ei oteta huomioon kosteutta).

• qFAD heijastaa todellisia käyttöolosuhteita ja ottaa huomioon paineen ja lämpötilan, jossa ilma poistuu kompressorista.
• qN tarjoaa standardoidun viitteen, joka helpottaa kompressorin suorituskyvyn vertailua eri järjestelmissä.

Insinöörit ja teollisuusostajat luottavat qN:ään vertailussa, kun taas qFAD on ratkaisevan tärkeä varsinaisen järjestelmän suunnittelussa ja toiminnassa.

Vaikka se vaikuttaa tilavuusvirtaukselta, FAD voidaan ajatella massavirtauksena ilmaistuna tilavuutena. Tämä johtuu siitä, että kiinteiden olosuhteiden ilmavirtauksen tiheys on vakio, joten massavirtaus on vakio ja tunnettu.

Seuraava esimerkki havainnollistaa vapaata ilmansyöttöä (FAD):

• Mitä 39 l/s FAD tarkoittaa kompressorille, joka toimii 10 baarissa (e)?
• Kuinka kauan kestää täyttää 39 litran säiliö 10 baarin paineella?

FAD voidaan nähdä massavirtauksena. 39 litran ilman kokonaismassa 10 baarissa (e) tai 11 baarissa (a) on yksinkertaisesti 11 kertaa 39 litran ilman massa ympäristöolosuhteissa. Jälkimmäistä voidaan kutsua massayksiköksi. Olettaen, että säiliö on jo aluksi täytetty ympäröivällä ilmalla, sen sisällä on jo yksi massayksikkö ja tarvitsemme vain 10 lisää. Koska tiedämme, että kompressori toimittaa yhden massayksikön sekunnissa, tarvitsemme 10 sekuntia tämän massan toimittamiseen säiliöön.

Bar(a)- ja bar(e)-arvojen välinen ero selitetään tässä.

SER on tehokkuuden mittari, joka ilmaistaan energiamääränä, joka tarvitaan 1 litran FAD:n toimittamiseen tietyllä paineella. Tämä antaa arvon jouleina/litra (J/l). Esimerkiksi koneella, joka kuluttaa 35 kW 100 l/s:n tuottamiseksi, on SER 350 J/l.

Paineilmajärjestelmän määrittäminen virtauksen ja paineen perusteella – ei kW:n tai hevosvoiman perusteella – on paras tapa sovittaa sen suorituskyky tarpeisiisi. Kompressorin koon on vastattava liiketoimintavaatimuksiasi tarkemmin kuin pelkästään kW-arvon perusteella.

Tässä artikkelissa käsitellään monia mekaaniseen työhön, tehoon ja virtaukseen liittyviä teknisiä termejä. Näiden tietojen ymmärtäminen on tärkeää, jotta voit investoida käyttökohteeseesi sopiviin laitteisiin. Jos ostat liian suuria tai liian pieniä laitteita, riskinä on tehottomuus.

On tärkeää ottaa huomioon, kuinka paljon voimaa tarvitaan kohteen siirtämiseen tietyn työn suorittamiseksi tietyssä ajassa. Kuten edellä mainittiin, tämä ilmaistaan virtauksena ja paineena. Virtausta kuvataan litraa sekunnissa (l/s) lisäksi myös yksiköillä kuutiojalkaa minuutissa (cfm) ja kuutiometriä tunnissa (m³/h). Kaikki nämä mittayksiköt liittyvät nopeuteen.

Paine näytetään joko baareina, kuten edellä mainittiin, tai paunoina neliötuumaa kohti (psi). Jos sinun on siirrettävä painavia esineitä, tarvitset enemmän painetta. Haluat myös selvittää, tarvitsetko koko päivän kestävää ilmansyöttöä ja onko käyttökohteissasi erilaisia vaatimuksia. Tämä konteksti on hyödyllinen, kun määritetään kokoa ja valitaan kiinteänopeuksisten ja vaihtuvanopeuksisten koneiden (VSD) välillä. Katso ilmakompressorin valintaoppaamme. 

FAD tai Free Air Delivery, termi aukeaa ehkä helpoiten esimerkin avulla.

Mitä on FAD = 39 l/s, kun kompressori työskentelee 13 baarin paineessa? Kuinka kauan 390 litran säiliön täyttäminen kestää 13 baarin paineella?

Tämän laskemiseksi meidän on ensin tarkasteltava imuilman tulo-olosuhteita. Joka on merenpinnan tasolla 1 baaria. Kun aloitamme tyhjällä säiliöllä, 1 sekunnin jälkeen säiliössä on 39 litraa 1 baarin (a) paineessa. 10 sekunnin kuluttua säiliön sisällä oleva paine on 1 bar (g). 20 sekunnin kuluttua paine on 2 baaria (g). Joten 130 sekunnin kuluttua se on 13 baarissa (g).

Seuraavaksi tarkastellaan referenssiolosuhteiden ja normaaliolosuhteiden välistä eroa. Referenssiolosuhteet ovat 1 bar, 20 °C, 0 %:n suhteellinen kosteus (RH). Normaaliolosuhteissa 1 atm = 1.01325 bar, 0 °C, suhteellinen kosteus 0 %. Seuraava määritelmä on SER tai erityinen energiavaatimus. Tämä tarkoittaa sitä energiamäärää, joka tarvitaan 1 litran FAD:n toimittamiseen tietyllä paineella.