Измерение параметров воздушного компрессора: работы, мощности и расхода

Механическая работа, связанная с изменением объема газовой смеси, является одним из важнейших процессов в инженерной термодинамике. 

Расход компрессора обычно измеряется с помощью расходомера. Интуитивно понятно, что скорость потока газа легче определить по объему, чем по массе. Воспринимаемый недостаток этого может заключаться в том, что в этом случае необходимо указать условия впуска газа, поскольку объем будет изменяться при изменении условий впуска. Однако для компрессора выходной массовый расход также будет зависеть от условий на впуске, поэтому всегда необходимо указывать условия на впуске, при которых был достигнут расход.

Объемный расход системы — это мера объема жидкости, протекающего за единицу времени. Он может быть рассчитан как произведение площади поперечного сечения потока и средней скорости потока. В системе СИ единицей измерения объемного расхода является м3/с.

Однако при покупке компрессора обычно указывается производительность компрессора, выраженная в литрах в секунду (л/с). Это FAD или свободная подача воздуха компрессором.

Что такое свободная подача воздуха? Свободный воздух - это воздух в условиях на впуске компрессора, т. е. при температуре и давлении окружающей среды. Под поставкой подразумевается, что учитывается только воздух, выходящий из выпускного отверстия компрессора. Это отличается от воздуха, поступающего на входе, поскольку некоторое количество воздуха может выходить из компрессора между входом и выходом. Обычно расход компрессора измеряется массовым расходомером на выходе. Это означает, что измеряется только подаваемый воздух. Затем он преобразуется в «свободный воздух» с использованием условий на входе.

FAD предназначен для сравнения различных компрессоров или для сопоставления производительности компрессора с потреблением инструментов. Если не указано иное, FAD компрессора или инструмента (который можно найти в технических характеристиках) измеряется при соблюдении опорных условий на впуске (20 °C, 1 бар и 0 % относительной влажности). Масса воздуха, которая помещается в рабочий объем элемента компрессора, изменяется в зависимости от плотности воздуха и, следовательно, изменяет объемный расход, эффективно получаемый на стороне выпуска компрессора. Плотность зависит от температуры и давления воздуха. Поэтому измеренный массовый расход на выпуске делится на плотность воздуха на впуске. Таким образом устраняется эффект плотности.

Тем не менее, существуют вторичные эффекты, связанные с температурой и давлением. Помимо прочего, размер зазоров между деталями изменяется в зависимости от температуры, что приводит к большей или меньшей утечке. Изменение давления на входе также приведет к избыточному или недостаточному сжатию, что изменит итоговый расход на выходе. По этой причине важно сравнивать компрессоры в одинаковых условиях, которые обычно (но не обязательно) являются исходными условиями, определенными в стандарте ISO1217:2009. В других отраслях или регионах могут применяться другие исходные условия.

Другой часто используемой скоростью потока является нормальная скорость потока (Нл/с), где эталонная скорость составляет 0 °C, 1 атм и 0 % относительной влажности.

Отношение между двумя объемными расходами q _FAD = q_N × T _FAD / T_N × P_{N /} P _FAD

(Обратите внимание, что упрощенная формула выше не учитывает влажность.)

• qFAD отражает реальные рабочие условия, учитывая давление и температуру, при которых воздух выходит из компрессора.
• Значение qN представляет собой стандартизированный эталонный показатель, который облегчает сравнение производительности компрессоров в различных системах.

Инженеры и промышленные закупщики полагаются на qN для сравнительного анализа, в то время как qFAD имеет решающее значение для проектирования и эксплуатации системы.

Несмотря на то, что она кажется объемным расходом, FAD можно понимать как массовый расход, выраженный в объеме. Это связано с тем, что при фиксированных условиях плотность воздушного потока постоянна, и, следовательно, массовый поток постоянен и известен.

В следующем примере показана подача свободного воздуха (FAD):

• Что означает FAD 39 л/с для компрессора, работающего при давлении 10 бар (изб.)?
• Сколько времени занимает заполнение бака объемом 39 л при давлении 10 бар (изб.)?

Мы видим FAD в виде массового расхода. Общая масса воздуха 39 л при давлении 10 бар (эл.) или 11 бар (абс.) в 11 раз превышает массу воздуха 39 л в условиях окружающей среды. Последнюю можно назвать единицей массы. Предполагая, что резервуар уже заполнен окружающим воздухом в начале, внутри него уже есть одна «единица массы», и нам нужно всего 10 единиц больше. Поскольку мы знаем, что компрессор подает одну единицу массы в секунду, нам требуется 10 секунд, чтобы подать эту массу в бак.

Здесь объясняется разница между бар(а) и бар(е).

SER - это показатель эффективности, который выражается в количестве энергии, необходимой для подачи 1 литра FAD при определенном давлении. Это значение выражается в джоулях/литр (Дж/л). Например, машина, потребляющая 35 кВт для подачи 100 л/с, имеет СОЭ 350 Дж/л.

Определение характеристик вашей пневматической системы по расходу и давлению, а не по кВт или л.с., является наилучшим способом адаптации ее производительности к вашим потребностям. Размер компрессора должен соответствовать требованиям вашего бизнеса более точно, чем просто номинальная мощность.

В этой статье содержится много технических терминов, относящихся к механической работе, мощности и потоку. Важно разбираться в этих терминах, чтобы инвестировать в оборудование, соответствующее вашим потребностям. Если вы приобретете оборудование слишком большого или недостаточного размера, это может привести к неэффективной работе.

Важно учитывать, какую силу необходимо приложить, чтобы переместить предмет для выполнения определенной задачи за определенное время. Как упоминалось выше, это выражается в расходе и давлении. В дополнение к литрам в секунду (л/с) расход указывается в кубических футах в минуту (куб. футы/мин) или кубических метрах в час (м3/ч). Все эти измерения относятся к скорости.

Давление указывается в барах, как указано выше, или в фунтах на квадратный дюйм (psi). Если вам нужно перемещать тяжелые предметы, вам потребуется больше давления. Вы также захотите определить, нужна ли вам целодневная подача воздуха и имеются ли различные требования для ваших областей применения. Этот контекст полезен при определении размера и выборе между машинами с фиксированной скоростью и машинами с частотно-регулируемым приводом (VSD). См. наше руководство по выбору воздушного компрессора.