Hava kompresörü ölçümlerini anlama: İş, güç ve debi

Bir gaz karışımının hacmindeki değişikliklerle ilişkili mekanik çalışma, mühendislik termodinamiğindeki en önemli proseslerden biridir. 

Kompresör akış hızları genellikle bir kütle akış ölçer kullanılarak ölçülür. Sezgisel olarak, bir gazın akış hızını kütleden ziyade hacim açısından anlamak daha kolaydır. Bunun algılanan bir dezavantajı, hacmin giriş koşulları değiştikçe değişeceğinden, gazın giriş koşullarını belirlemenin gerekli olması olabilir. Bununla birlikte, bir kompresör için çıkış kütle akış hızı da giriş koşullarına bağlı olacaktır, yani akış hızının elde edildiği giriş koşullarının her zaman belirtilmesi gerekir.

Bir sistemin hacimsel debi hızı, birim zaman içinde akan sıvı hacminin ölçümüdür. Debinin kesit alanı ve ortalama debi hızının sonucu olarak hesaplanabilir. Hacimsel debi için kullanılan SI birimi m3/sn'dir.

Ancak bir kompresör satın alırken genellikle kompresörün kapasitesini litre/saniye (l/s) cinsinden bulursunuz. Bu, kompresörün FAD veya serbest hava debisidir.

Serbest hava dağıtımı nedir? Serbest hava, kompresörün giriş koşullarında, yani ortam sıcaklığında ve basıncında hava anlamına gelir. Teslimat, yalnızca kompresörün çıkışından çıkan havanın dikkate alındığı anlamına gelir. Giriş ve çıkış arasında kompresörden biraz hava sızabileceği için bu, girişten giren havadan farklıdır. Bir kompresörün akış hızı normalde çıkışta bir kütle akış ölçer ile ölçülür. Bu, yalnızca iletilen havanın ölçüldüğü anlamına gelir. Ardından giriş koşulları kullanılarak « serbest havaya » dönüştürülür.

FAD, farklı kompresörler arasında karşılaştırma yapmak veya bir kompresörün kapasitesini alet tüketimiyle eşleştirmek için kullanılmak üzere tasarlanmıştır. Aksi belirtilmediği sürece, teknik veri sayfalarında bulabileceğiniz bir kompresörün veya aletin FAD'si, referans giriş koşulları (20°C, 1 bar ve %0 bağıl nem) korunarak ölçülmüştür. Kompresör elemanının deplasman hacmine uyan hava kütlesi, hava yoğunluğuyla değişir ve böylece kompresörün çıkış tarafında etkili bir şekilde elde edilen akış miktarını değiştirir. Yoğunluk, havanın sıcaklığına ve basıncına bağlıdır. Bu nedenle, ölçülen çıkış kütle akışı giriş havası yoğunluğuna bölünür. Yoğunluğun etkisi bu şekilde ortadan kaldırılır.

Ancak sıcaklık ve basınçtan kaynaklanan ikincil etkiler vardır. Diğer şeylerin yanı sıra, parçalar arasındaki boşlukların boyutu sıcaklığa bağlı olarak değişerek daha fazla veya daha az sızıntıya neden olur. Girişteki basınçtaki bir değişiklik de aşırı veya yetersiz sıkıştırmaya neden olur ve bu da sonuçta ortaya çıkan çıkış akış hızını değiştirir. Bu nedenle kompresörleri genel olarak (ancak mutlaka değil) ISO1217:2009 standardında tanımlanan referans koşullarda karşılaştırmak önemlidir. Diğer sektörlerde veya bölgelerde farklı referans koşulları kullanılabilir.

Sık kullanılan bir diğer akış hızı, referansın 0°C, 1 atm ve %0 RH'de olduğu Normal akış hızıdır (Nl/s).

İki debi oranı arasındaki ilişki q _FAD = q_N × T _FAD / T_N × P_{N /} P _FAD'dir

(yukarıdaki basitleştirilmiş formülün nemi hesaba katmadığını unutmayın).

• qFAD, havanın kompresörden çıktığı basınç ve sıcaklığı hesaba katarak gerçek çalışma koşullarını yansıtır.
• qN, farklı sistemlerdeki kompresör performansının karşılaştırılmasını kolaylaştıran standartlaştırılmış bir referans sağlar.

Mühendisler ve endüstriyel satın alanlar karşılaştırma için qN'ye güvenirken, qFAD gerçek sistem tasarımı ve işletimi için çok önemlidir.

Bir hacimsel akış hızı gibi görünse de, FAD hacim olarak ifade edilen kütle akış hızı olarak düşünülebilir. Bunun nedeni, sabit koşullar için hava akışının yoğunluğunun sabit olması ve dolayısıyla kütle akışının sabit ve biliniyor olmasıdır.

Aşağıdaki örnekte serbest hava dağıtımı (FAD) gösterilmektedir:

• 10 bar(e) basınçta çalışan bir kompresör için 39 l/s FAD ne anlama gelir?
• 39 litrelik bir tankı 10 bar(e) basınçta doldurmak ne kadar sürer?

FAD'yi kütle akış hızı olarak görebiliriz. 10 bar(e) veya 11 bar(a)'da 39 litre havanın toplam kütlesi, ortam koşullarında 39 litre havanın kütlesinin 11 katıdır. İkincisine kütle birimi diyebiliriz. Tankın başlangıçta zaten ortam havasıyla doldurulduğunu varsayarak, içinde zaten bir "kütle birimi" vardır ve sadece 10 tane daha ihtiyacımız vardır. Kompresörün saniyede bir kütle birimi ilettiğini bildiğimizden, bu kütleyi tanka iletmek için 10 saniyeye ihtiyacımız var.

Bar(a) ve bar(e) arasındaki fark burada açıklanmaktadır.

SER, belirli bir basınçta 1 litre FAD sağlamak için gereken enerji miktarı olarak ifade edilen verimlilik ölçümüdür. Bu, Joule/litre (J/l) cinsinden bir değer verir. Örneğin, 100L/sn vermek için 35kW tüketen bir makinenin SER değeri 350J/l'dir.

Basınçlı hava sisteminizi kW veya beygir gücüne göre değil, akış ve basınca göre belirlemek, performansını ihtiyaçlarınıza uydurmanın en iyi yoludur. Kompresör boyutlandırması, kW değerine göre yapmaktan çok iş gereksinimlerinize daha hassas bir şekilde uymalıdır.

Bu makalede mekanik iş, güç ve debiyle ilgili birçok teknik terim yer almaktadır. Bu bilgilerin anlaşılması, uygulamanız için doğru ekipmanlara yatırım yapmak açısından önemlidir. Çok büyük veya çok küçük ekipmanlar satın alırsanız verimsizlik riski de beraberinde gelir.

Göz önünde bulundurmanız gereken önemli nokta, belirli bir zaman diliminde belirli bir işi tamamlamak için bir nesneyi taşımanız gereken kuvvet miktarıdır. Yukarıda belirtildiği gibi bu, debi ve basınçla ifade edilir. Litre/saniye (l/sn) değerine ek olarak debi, fit küp/dakika (cfm) veya metre küp/saat (m3/sa) cinsinden ifade edilir. Bu ölçümlerin tümü hızla ilgilidir.

Basınç, yukarıda belirtilen bar veya inç kare başına pound (psi) olarak gösterilir. Ağır nesneleri hareket ettirmeniz gerekiyorsa daha fazla basınca ihtiyacınız olacaktır. Ayrıca gün boyu hava dağıtımına ihtiyacınız olup olmadığını ve uygulamalarınız için farklı gereksinimler olup olmadığını da belirlemek isteyeceksiniz. Bu bağlam, boyutu belirlemek ve sabit hızlı ve değişken hızlı ünite (VSD) makineler arasında seçim yapmak söz konusu olduğunda yararlıdır. Hava kompresörü seçimi kılavuzumuza bakın.