A kompresszormérések megértése: munka, teljesítmény és áramlás

A gázkeverék térfogatváltozásával járó mechanikai munka a mérnöki termodinamika egyik legfontosabb folyamata. 

A kompresszor áramlási sebességét jellemzően tömegáram-mérővel mérik. Intuitív módon könnyebb értelmezni a gáz áramlási sebességét térfogatként, mint tömegként. Ennek látszólagos hátránya lehet, hogy meg kell határozni a gáz bemeneti feltételeit, mivel a térfogat a bemeneti feltételek változásával változik. Egy kompresszor esetében azonban a kimeneti tömegáram a bemeneti feltételektől is függ, ami azt jelenti, hogy mindig meg kell adni azokat a bemeneti feltételeket, amelyek mellett az áramlási sebesség elérésre került.

A rendszer térfogatárama az időegységenként átáramló folyadék mennyiségének mértékegysége. Kiszámítható az áramlás keresztmetszeti területének és az átlagos áramlási sebesség szorzataként. A térfogatáram SI mértékegysége m3/s.

Kompresszor vásárlásakor azonban általában a kompresszor kapacitását találja liter/másodpercben (l/s) kifejezve. Ez a kompresszor FAD-ja vagy szabad levegőszállítása.

Mi az a szabad levegőszállítás? A szabad levegő a kompresszor bemeneti körülményei között, tehát környezeti hőmérsékleten és nyomáson lévő levegő. A szállítás azt jelenti, hogy csak a kompresszor kimenetéből érkező levegő kerül figyelembe vételre. Ez eltér a bemenetnél belépő levegőtől, mivel bizonyos mennyiségű levegő szivároghat ki a kompresszorból a bemenet és a kimenet között. A kompresszor térfogatáramát általában tömegáram-mérővel mérik a kimenetnél. Ez azt jelenti, hogy csak a szállított levegő kerül mérésre. Ezután a bemeneti feltételek alapján „szabad levegővé” alakul át.

A FAD a különböző kompresszorok összehasonlítására, illetve a kompresszor kapacitásának és a szerszámok fogyasztásának összehasonlítására szolgál. Eltérő rendelkezés hiányában a kompresszor vagy szerszám FAD értékét - amely megtalálható a specifikációs adatlapokon - referencia bemeneti feltételek mellett mérték (20 °C, 1 bar és 0% RH). A kompresszorelem térfogatáramába illeszkedő levegő tömege a levegő sűrűségével változik, és ezáltal megváltoztatja a kompresszor kimeneti oldalán ténylegesen kapott áramlás mennyiségét. A sűrűség a levegő hőmérsékletétől és nyomásától függ. Ezért a mért kimeneti tömegáramot el kell osztani a bemeneti levegő sűrűségével. Ily módon a sűrűség hatása megszűnik.

Ugyanakkor a hőmérséklet és a nyomás másodlagos hatásai is vannak. Többek között az alkatrészek közötti rések mérete a hőmérséklettől függően változik, ami több vagy kevesebb szivárgást okoz. A bemeneti nyomás változása túlnyomást vagy alulnyomást is okoz, ami megváltoztatja a kimeneti áramlási sebességet. Ezért fontos, hogy a kompresszorokat azonos körülmények között hasonlítsák össze, amelyek általában (de nem feltétlenül) az ISO1217:2009 szabványban meghatározott referenciafeltételek. Más szektorokban vagy régiókban eltérő referenciafeltételek alkalmazhatók.

Egy másik gyakran használt áramlási sebesség a normál áramlási sebesség (Nl/s), ahol a referencia 0°C, 1 atm és 0% RH.

A két térfogatáram közötti kapcsolat q _FAD = q_N × T _FAD / T_N × P_{N /} P _FAD

(Vegye figyelembe, hogy a fenti egyszerűsített képlet nem veszi figyelembe a páratartalmat).

• A qFAD a tényleges üzemi körülményeket tükrözi, figyelembe véve azt a nyomást és hőmérsékletet, amelynél a levegő kilép a kompresszorból.
• A qN szabványosított referenciaértéket biztosít, amely megkönnyíti a kompresszor teljesítményének összehasonlítását a különböző rendszerek között.

A mérnökök és az ipari vásárlók a qN-re támaszkodnak a benchmarking során, míg a qFAD döntő fontosságú a tényleges rendszertervezés és -működés szempontjából.

Bár úgy tűnik, hogy ez egy térfogatáram, a FAD térfogatáramként kifejezett tömegáramnak tekinthető. Ennek az az oka, hogy rögzített körülmények között a levegőáram sűrűsége állandó, így a tömegáram állandó és ismert.

A következő példa a szabad levegőszállítást (FAD) szemlélteti:

• Mit jelent a 39 l/s FAD 10 bar(e) nyomáson működő kompresszor esetén?
• Mennyi ideig tart egy 39 l-es tartály feltöltése 10 bar(e) nyomáson?

A FAD-t tömegáramként tekinthetjük. A 39 l-es levegő össztömege 10 bar(e) vagy 11 bar(a) nyomáson egyszerűen 11-szerese a 39 l-es levegő tömegének környezeti körülmények között. Ezt utóbbiat tömegegységnek nevezhetjük. Tegyük fel, hogy a tartály már az elején fel van töltve környezeti levegővel, már van egy „tömegegység” benne, és csak 10 továbbira van szükségünk. Mivel tudjuk, hogy a kompresszor másodpercenként egy tömegegységet szállít, 10 másodpercre van szükségünk ahhoz, hogy ezt a tömeget a tartályba szállítsuk.

A sáv(a) és a sáv(e) közötti különbséget itt ismertetjük.

Az SER a hatékonyság mértéke, amely egy adott nyomáson 1 liter FAD leadásához szükséges energiamennyiségben van kifejezve. Ez adja meg az értéket Joule/liter (J/l) egységben. Például egy gép, amely 35 kW-ot fogyaszt 100 l/s szállításhoz, 350 J/l SER értékkel rendelkezik.

A sűrített levegős rendszer áramlás és nyomás alapján történő meghatározása - nem kW vagy LE - a legjobb módja annak, hogy teljesítményét az Ön igényeihez igazítsa. A kompresszor méretezésének pontosabban meg kell felelnie az üzleti követelményeknek, mint pusztán a kW-os névleges teljesítménynek.

Ebben a cikkben számos műszaki kifejezés szerepel a mechanikai munkával, az energiával és az áramlással kapcsolatban. Ezeknek az információknak a megértése fontos ahhoz, hogy az alkalmazásának megfelelő berendezésbe fektessen be. Ha túl nagy vagy túl kicsi berendezést vásárol, fennáll a hatékonyság hiányának kockázata.

Fontos megfontolni, hogy mennyi erőre lesz szüksége egy tárgy mozgatásához egy adott munka elvégzéséhez egy adott időkereten belül. Ahogy fentebb említettük, ez az áramlásban és a nyomásban fejeződik ki. A liter/másodperc (l/s) mellett a térfogatáramot köbláb/percben (cfm) vagy köbméter/óra (m3/h) is megadjuk. Ezek a mérések mind a sebességre vonatkoznak.

A nyomást a fent említett bar vagy font/négyzethüvelyk (psi) egységben mutatjuk. Ha nehéz tárgyakat kell mozgatnia, nagyobb nyomásra lesz szüksége. Azt is meg kell határoznia, hogy egész napos levegőszállításra van-e szüksége, és hogy az alkalmazásaihoz vannak-e eltérő követelmények. Ez az összefüggés hasznos lehet az állandó fordulatszámú és a változtatható fordulatszámú meghajtású (VSD) gépek méretének meghatározásakor és kiválasztásakor. Lásd útmutatónkat a kompresszor kiválasztásához.