Förstå luftkompressormätningar: arbete, effekt och flöde

Mekaniskt arbete i samband med förändringar i en gasblandnings volym är en av de viktigaste processerna inom teknisk termodynamik. 

Kompressorns flödeshastigheter mäts vanligtvis med hjälp av en massflödesmätare. Intuitivt är det lättare att förstå en gasflödeshastighet i termer av volym än massa. En upplevd nackdel med detta kan vara att det då är nödvändigt att specificera gasens inloppsförhållanden, eftersom volymen ändras med ändrade inloppsförhållanden. För en kompressor beror dock utloppets massflödeshastighet också på inloppsförhållandena, vilket innebär att det alltid är nödvändigt att specificera de inloppsförhållanden under vilka ett flöde uppnåddes.

Ett systems volymetriska flödeshastighet är ett mått på den vätskevolym som flödar per tidsenhet. Det kan beräknas som produkten av flödets tvärsnittsarea och medelflödeshastigheten. SI-enheten för flödeshastighet är m3/s.

När du köper en kompressor hittar du dock vanligtvis kompressorns kapacitet, uttryckt i liter/sekund (l/s). Detta är kompressorns FAD eller fria luftflöde.

Vad är fri luftleverans? Fri luft innebär luft under kompressorns inloppsförhållanden, dvs. vid omgivningstemperatur och tryck. Leverans innebär att endast den luft som kommer ut ur kompressorns utlopp beaktas. Detta skiljer sig från luften som kommer in vid inloppet, eftersom en del luft kan läcka ut ur kompressorn mellan inloppet och utloppet. Kompressorns flödeshastighet mäts normalt med en massflödesmätare vid utloppet. Detta innebär att endast den levererade luften mäts. Den omvandlas sedan till ”fri luft” med hjälp av inloppsförhållandena.

FAD är avsedd att användas för jämförelse mellan olika kompressorer eller för att matcha en kompressors kapacitet med verktygens förbrukning. Om inget annat anges har FAD för en kompressor eller ett verktyg – som du hittar i deras specifikationsblad – uppmätts med bibehållna referensinloppsförhållanden (som är 20 °C, 1 bar och 0 % RH). Luftmassan som passar in i kompressorelementets slagvolym varierar med luftdensiteten och ändrar därmed den mängd flöde som effektivt erhålls på kompressorns utloppssida. Densiteten beror på luftens temperatur och tryck. Därför divideras det uppmätta utloppsmassflödet med inloppsluftdensiteten. På så sätt upphävs densitetseffekten.

Det finns dock sekundära effekter från temperatur och tryck. Bland annat kommer storleken på mellanrummen mellan delarna att ändras beroende på temperaturen, vilket orsakar mer eller mindre läckage. En tryckförändring vid inloppet orsakar också över- eller underkompression, vilket ändrar den resulterande utflödeshastigheten. Därför är det viktigt att jämföra kompressorer under samma förhållanden, som i allmänhet (men inte nödvändigtvis) är de referensförhållanden som definieras i standarden ISO1217:2009. I andra sektorer eller regioner kan olika referensförhållanden användas.

En annan ofta använd flödeshastighet är den normala flödeshastigheten (Nl/s), där referensen är vid 0 °C, 1 atm och 0 % RH.

Förhållandet mellan de två volymflödena är q _FAD = q_N × T _FAD / T_N × P_{N /} P _FAD

(observera att den förenklade formeln ovan inte tar hänsyn till luftfuktighet).

• qFAD återspeglar verkliga driftsförhållanden och tar hänsyn till tryck och temperatur vid vilken luften lämnar kompressorn.
• qN tillhandahåller en standardiserad referens, vilket gör det enklare att jämföra kompressorprestanda mellan olika system.

Tekniker och industriella inköpare förlitar sig på qN för benchmarking, medan qFAD är avgörande för den faktiska systemdesignen och driften.

Även om det verkar vara ett volymflöde kan FAD betraktas som ett massflöde uttryckt i volym. Detta beror på att luftflödets densitet är konstant under fasta förhållanden och därmed är massflödet konstant och känt.

Följande exempel illustrerar fritt luftflöde (FAD):

• Vad innebär en FAD på 39 l/s för en kompressor som arbetar vid 10 bar(e)?
• Hur lång tid tar det att fylla en 39 l-tank vid ett tryck på 10 bar(e)?

Vi kan se FAD som ett massflöde. Den totala massan av 39 liter luft vid 10 bar(e) eller 11 bar(a) är helt enkelt 11 gånger massan av 39 liter luft vid omgivningsförhållanden. Vi kan kalla det sistnämnda en massaenhet. Om tanken redan är fylld med omgivningsluft i början finns det redan en ”massaenhet” inuti den och vi behöver bara 10 till. Eftersom vi vet att kompressorn levererar en massaenhet per sekund behöver vi 10 sekunder för att leverera denna massa till tanken.

Skillnaden mellan bar(a) och bar(e) förklaras här.

SER är ett mått på effektivitet, uttryckt som den mängd energi som krävs för att leverera 1 liter FAD vid ett visst tryck. Detta ger ett värde i joule/liter (J/l). Till exempel har en maskin som förbrukar 35 kW för att leverera 100 l/s en SER på 350 J/l.

Att specificera ditt tryckluftssystem efter flöde och tryck – inte kW eller hästkrafter – är det bästa sättet att matcha dess prestanda med dina behov. Kompressorstorleken bör passa dina verksamhetskrav mer exakt än att bara gå efter kW-klassificering.

Det finns många tekniska termer i den här artikeln om mekaniskt arbete, kraft och flöde. Det är viktigt att förstå denna information för att kunna investera i rätt utrustning för din tillämpning. Om du köper utrustning som är för stor eller för liten finns det risk för ineffektivitet.

Det är viktigt att tänka på hur mycket kraft du behöver för att flytta ett objekt och slutföra ett visst jobb inom en viss tidsram. Som nämnts ovan uttrycks detta i flöde och tryck. Utöver liter per sekund (l/s) representeras flödet i kubikfot per minut (cfm) eller kubikmeter per timme (m3/h). Alla dessa mätningar avser hastighet.

Trycket visas både i bar, som nämnts ovan, eller i pund per kvadrattum (psi). Om du behöver flytta tunga föremål behöver du mer tryck. Du kommer också att vilja avgöra om du behöver lufttillförsel hela dagen och om det finns olika krav för dina applikationer. Detta sammanhang är användbart när det gäller att bestämma storlek och välja mellan maskiner med fast och variabelt varvtal (VSD). Se vår guide för val av luftkompressor.