Forstå luftkompressormålinger: arbeid, effekt og strømning

Mekanisk arbeid forbundet med endringer i volumet til en gassblanding er en av de viktigste prosessene innen teknisk termodynamikk. 

Kompressorstrømningshastigheter måles vanligvis med en massestrømningsmåler. Intuitivt er det lettere å forstå en strømningshastighet for en gass i form av volum enn masse. En oppfattet ulempe ved dette kan være at det da er nødvendig å spesifisere inntaksforholdene for gassen, siden volumet vil endre seg med endrede inntaksforhold. For en kompressor vil imidlertid utløpsmassestrømningshastigheten også avhenge av innløpsforholdene, noe som betyr at det alltid er nødvendig å spesifisere innløpsforholdene der en strømningshastighet ble oppnådd.

Den volumetriske strømningshastigheten i et system er et mål på volumet av væske som strømmer per tidsenhet. Den kan beregnes som produktet av strømningens tverrsnittsareal og gjennomsnittlig strømningshastighet. SI-enheten for volumstrøm er m3/s.

Når du kjøper en kompressor vil du imidlertid vanligvis finne kompressorens kapasitet, uttrykt i liter/sekund (l/s). Dette er kompressorens FAD eller frie luftlevering.

Hva er fri luftlevering? Fri luft betyr luft under kompressorens inntaksforhold, dvs. ved omgivelsestemperatur og trykk. Levering innebærer at det kun tas hensyn til luften som kommer ut av kompressorens utløp. Dette skiller seg fra luften som kommer inn ved inntaket, ettersom noe luft kan lekke ut av kompressoren mellom inntaket og uttaket. Strømningshastigheten til en kompressor måles vanligvis med en massestrømningsmåler ved utløpet. Dette betyr at bare den leverte luften måles. Den konverteres deretter til «fri luft» ved hjelp av inntaksforholdene.

FAD er ment å brukes til sammenligning mellom ulike kompressorer eller for å matche kapasiteten til en kompressor med forbruket til verktøy. Med mindre annet er angitt, er FAD for en kompressor eller et verktøy – som du finner på spesifikasjonsarkene – målt mens referanseinntaksforholdene opprettholdes (ved 20 °C, 1 bar og 0 % RH). Luftmassen som passer inn i slagvolumet til et kompressorelement vil variere med lufttettheten og dermed endre mengden strømning som effektivt oppnås på utløpssiden av en kompressor. Tettheten avhenger av luftens temperatur og trykk. Derfor deles den målte utløpsmassestrømmen på inntakslufttettheten. På denne måten kanselleres effekten av tetthet.

Det er imidlertid sekundære effekter fra temperatur og trykk. Blant annet vil størrelsen på åpningene mellom delene endre seg avhengig av temperaturen, noe som forårsaker mer eller mindre lekkasje. En endring i trykket ved inntaket vil også forårsake over- eller underkompresjon, noe som vil endre den resulterende utløpsflowhastigheten. Derfor er det viktig å sammenligne kompressorer under de samme forholdene, som vanligvis (men ikke nødvendigvis) er referanseforholdene definert i standarden ISO1217:2009. I andre sektorer eller regioner kan ulike referansebetingelser brukes.

En annen strømningshastighet som ofte brukes, er normal strømningshastighet (Nl/s), der referansen er ved 0 °C, 1 atm og 0 % RH.

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

(merk at den forenklede formelen ovenfor ikke tar hensyn til fuktighet).

• qFAD gjenspeiler faktiske driftsforhold, og tar hensyn til trykk og temperatur der luften kommer ut av kompressoren.
• qN gir en standardisert referanse, noe som gjør det enklere å sammenligne kompressorytelsen på tvers av ulike systemer.

Ingeniører og industrielle innkjøpere stoler på qN for benchmarking, mens qFAD er avgjørende for faktisk systemdesign og drift.

Selv om det ser ut til å være en volumstrømningshastighet, kan FAD betraktes som en massestrømningshastighet uttrykt i volum. Dette skyldes at under faste forhold er tettheten til luftstrømmen konstant, og dermed er massestrømmen konstant og kjent.

Følgende eksempel illustrerer fri lufttilførsel (FAD):

• Hva betyr en FAD på 39 l/s for en kompressor som arbeider ved 10 bar(e)?
• Hvor lang tid tar det å fylle en 39 l tank ved et trykk på 10 bar(e)?

Vi kan se FAD som en massestrømningshastighet. Den totale massen på 39 l luft ved 10 bar(e) eller 11 bar(a) er ganske enkelt 11 ganger massen på 39 l luft ved omgivelsesforhold. Sistnevnte kan vi kalle én masseenhet. Forutsatt at tanken allerede er fylt med omgivelsesluft ved starten, er det allerede én «masseenhet» inne i den, og vi trenger bare 10 til. Siden vi vet at kompressoren leverer én masseenhet per sekund, trenger vi 10 sekunder for å levere denne massen til tanken.

Forskjellen mellom bar(a) og bar(e) er forklart her.

SER er et mål for effektivitet, uttrykt som mengden energi som kreves for å levere 1 liter FAD ved et bestemt trykk. Dette gir en verdi i joule/liter (J/l). For eksempel har en maskin som bruker 35 kW for å levere 100 l/s en SER på 350 J/l.

Å spesifisere trykkluftsystemet etter strømning og trykk – ikke kW eller hestekrefter – er den beste måten å tilpasse ytelsen til dine behov. Størrelsen på kompressoren bør passe til dine forretningsbehov mer nøyaktig enn bare å gå etter kW-klassifisering.

Det er mange tekniske begreper i denne artikkelen som gjelder mekanisk arbeid, kraft og flyt. Det er viktig å forstå denne informasjonen for å kunne investere i riktig utstyr for ditt bruksområde. Hvis du kjøper utstyr som enten er for stort eller for lite, er det risiko for ineffektivitet.

Det som er viktig å vurdere er hvor mye kraft du trenger for å flytte et objekt for å fullføre en gitt jobb i en gitt tidsramme. Som nevnt ovenfor uttrykkes dette i strømning og trykk. I tillegg til liter per sekund (l/s) vises strømningen i kubikkfot per minutt (cfm) eller kubikkmeter per time (m3/h). Alle disse målene gjelder hastighet.

Trykket vises både som bar, som nevnt ovenfor, eller pund per kvadrattomme (psi). Hvis du må flytte tunge gjenstander, trenger du mer trykk. Du vil også avgjøre om du trenger lufttilførsel hele dagen og om det er ulike krav til bruksområdene. Denne sammenhengen er nyttig når det gjelder å bestemme størrelse og velge mellom maskiner med fast hastighet og maskiner med variabel hastighet (VSD). Se vår veiledning for valg av luftkompressor.