Pomiar pracy, mocy i objętości przepływu

Praca mechaniczna związana ze zmianami objętości mieszaniny gazów jest jednym z najważniejszych procesów w termodynamice inżynieryjnej. 

Przepływy sprężarki są zazwyczaj mierzone za pomocą przepływomierza masowego. Intuicyjnie łatwiej jest określić natężenie przepływu gazu w odniesieniu do objętości niż masy. Postrzeganą wadą może być konieczność określenia warunków wlotu gazu, ponieważ objętość zmienia się wraz ze zmianą warunków wlotu. Jednak w przypadku sprężarki natężenie przepływu masowego na wylocie będzie również zależeć od warunków na wlocie, co oznacza, że zawsze konieczne jest określenie warunków na wlocie, w których osiągnięto natężenie przepływu.

Prędkość przepływu objętościowego w systemie jest miarą objętości przepływającego płynu w jednostce czasu. Można ją obliczyć jako iloczyn przekroju poprzecznego przepływu i średniej prędkości przepływu. Jednostka SI dla natężenia przepływu objętościowego to m3/s.

Jednak kupując sprężarkę, zazwyczaj określisz jej wydajność wyrażoną w litrach/s (l/s). Jest to FAD, czyli swobodny przepływ powietrza sprężarki.

Czym jest swobodny przepływ powietrza? Wolne powietrze oznacza powietrze w warunkach wlotowych sprężarki, tj. w temperaturze i ciśnieniu otoczenia. Dostawa oznacza, że uwzględniane jest tylko powietrze wychodzące z wylotu sprężarki. Różni się to od powietrza wchodzącego na wlocie, ponieważ część powietrza może wydostawać się ze sprężarki między wlotem a wylotem. Przepływ sprężarki jest zwykle mierzony za pomocą przepływomierza masowego na wylocie. Oznacza to, że mierzone jest tylko dostarczane powietrze. Następnie jest ona przekształcana w „swobodne powietrze” przy użyciu warunków wlotowych.

FAD służy do porównywania różnych sprężarek lub do dopasowania wydajności sprężarki do zużycia narzędzi. O ile nie określono inaczej, FAD sprężarki lub narzędzia - które można znaleźć w ich arkuszach danych technicznych - zostało zmierzone przy zachowaniu referencyjnych warunków wlotowych (wynoszących 20°C, 1 bar i 0% wilgotności względnej). Masa powietrza, która mieści się w pojemności skokowej elementu sprężarki, zmienia się wraz z gęstością powietrza i tym samym zmienia ilość przepływu skutecznie uzyskanego po stronie wylotowej sprężarki. Gęstość zależy od temperatury i ciśnienia powietrza. Dlatego zmierzony masowy przepływ powietrza na wylocie należy podzielić przez gęstość powietrza dolotowego. W ten sposób wyeliminowany zostaje efekt gęstości.

Istnieją jednak efekty wtórne wynikające z temperatury i ciśnienia. Wielkość szczelin między częściami zmienia się między innymi w zależności od temperatury, powodując większą lub mniejszą nieszczelność. Zmiana ciśnienia na wlocie spowoduje również nadmierne lub niedostateczne sprężenie, które zmieni wynikową prędkość przepływu na wylocie. Z tego powodu ważne jest, aby porównywać sprężarki w tych samych warunkach, które zwykle (ale niekoniecznie) są warunkami referencyjnymi określonymi w normie ISO1217:2009. W innych sektorach lub regionach można stosować inne warunki odniesienia.

Innym często używanym natężeniem przepływu jest Normalne natężenie przepływu (Nl/s), gdzie wartość odniesienia wynosi 0°C, 1 atm i 0% RH.

Zależność między dwoma natężeniami przepływu wynosi q _FAD = q_N × T _FAD / T_N × P_{N /} P _FAD

(uproszczony wzór powyżej nie uwzględnia wilgotności).

• qFAD odzwierciedla rzeczywiste warunki pracy, uwzględniając ciśnienie i temperaturę, przy których powietrze wydostaje się ze sprężarki.
• qN zapewnia znormalizowaną wartość odniesienia, ułatwiając porównanie wydajności sprężarek w różnych systemach.

Inżynierowie i nabywcy przemysłowi polegają na qN do porównywania, podczas gdy qFAD ma kluczowe znaczenie dla rzeczywistego projektowania i eksploatacji systemu.

Określenie systemu sprężonego powietrza według przepływu i ciśnienia - a nie kW lub KM - jest najlepszym sposobem na dostosowanie jego wydajności do Twoich potrzeb. Wymiary sprężarek powinny dokładniej odpowiadać wymaganiom biznesowym, a nie tylko wartościom znamionowym kW.

W tym artykule omówiono wiele pojęć technicznych dotyczących pracy mechanicznej, mocy i przepływu. Zrozumienie tych informacji jest ważne przy inwestowaniu w odpowiedni sprzęt do danego zastosowania. Jeśli kupujesz sprzęt, który jest zbyt duży lub zbyt mały, istnieje ryzyko nieefektywności.

Ważne jest, aby wziąć pod uwagę siłę potrzebną do przesunięcia obiektu w celu wykonania danego zadania w określonym czasie. Jak wspomniano powyżej, jest to wyrażane w przepływie i ciśnieniu. Oprócz litrów na sekundę (l/s) przepływ jest przedstawiany w stopach sześciennych na minutę (cfm) lub metrach sześciennych na godzinę (m3/h). Wszystkie te pomiary dotyczą prędkości.

Ciśnienie jest podawane w barach, jak wspomniano powyżej, lub w funtach na cal kwadratowy (psi). Jeśli musisz przenosić ciężkie przedmioty, będziesz potrzebować większego nacisku. Chcesz również określić, czy potrzebujesz całodziennego zasilania powietrzem i czy istnieją różne wymagania dla Twoich zastosowań. Ten kontekst jest przydatny przy określaniu rozmiaru i wyborze pomiędzy maszynami o stałej prędkości a maszynami z napędem o zmiennej prędkości (VSD). Zobacz nasz przewodnik po wyborze sprężarki powietrza. 

Chociaż wydaje się, że jest to natężenie przepływu objętościowego, FAD można postrzegać jako natężenie przepływu masowego wyrażone w postaci objętości. Dzieje się tak, ponieważ w stałych warunkach gęstość przepływu powietrza jest stała, a tym samym przepływ masowy jest stały i znany.

Poniższy przykład ilustruje swobodny przepływ powietrza (FAD):

• Co oznacza FAD 39 l/s dla sprężarki pracującej przy ciśnieniu 10 bar(e)?
• Jak długo trwa napełnienie zbiornika 39 l przy ciśnieniu 10 bar(e)?

Widzimy FAD jako przepływ masowy. Całkowita masa 39 l powietrza przy ciśnieniu 10 bar(e) lub 11 bar(a) jest po prostu 11-krotnością masy 39 l powietrza w warunkach otoczenia. Możemy nazwać tę ostatnią jednostką masy. Zakładając, że zbiornik jest już napełniony powietrzem otoczenia na początku, znajduje się w nim już jedna „jednostka masy” i potrzebujemy tylko 10 dodatkowych. Ponieważ wiemy, że sprężarka dostarcza jedną jednostkę masy na sekundę, potrzebujemy 10 sekund, aby dostarczyć tę masę do zbiornika.

Tutaj wyjaśniono różnicę między słupkiem(ami) a słupkiem(ami).

SER jest miarą wydajności wyrażaną jako ilość energii potrzebnej do dostarczenia 1 litra FAD przy określonym ciśnieniu. Daje to wartość w dżulach/litr (J/l). Na przykład maszyna zużywająca 35 kW w celu dostarczenia 100 l/s ma wartość SER 350 J/l.