Учитывая, что обычно удовлетворяется следующее уравнение: m1∙n1= m2∙n2= m∙n, формула для теоретической производительности винтового компрессора может быть представлена следующим образом:
Выбираем компрессор по принципу работы, типу привода, производительности
Компрессоры необходимы для работы различных пневматических инструментов. Последние характеризуются высокой мощностью, низким перегревом и простотой ремонта, так как имеют всего несколько компонентов. Но для каждого пневматического инструмента (гаечные ключи, шуруповерты, дрели, краскопульты и т.д.) нужны свои характеристики компрессора. Давайте рассмотрим различные типы компрессоров и как выбрать один из них для работы.
- Существующие типы компрессоров
- Виды приводов
- Варианты смазки
- Мощность и напряжение
- Производительность в литрах
- Вырабатываемое давление
- Объем ресивера
- Стационарный или мобильный
- Страна-производитель
- Пневмоинструменты для компрессора
Существующие типы компрессоров
Все компрессоры делятся на поршневые и винтовые. А они, в свою очередь, имеют дополнительные подкатегории и различия.
Поршневые
Принцип работы поршневого компрессора заключается в передаче крутящего момента на вал, по которому движется шатун с поршнем. Он движется вверх и вниз в цилиндре, как в двигателе внутреннего сгорания. Это движение сжимает воздух и перемещает его дальше в резервуар.
Особенностью поршневых машин является их относительно низкая цена. Однако они шумные и сильно вибрируют. Они не подходят для непрерывной работы. Эти изделия покупают для мастерских, гаражей и бытового использования.
Чем больше объем цилиндра, тем выше производительность. Степень сжатия также влияет на производительность по воздуху. Существуют поршневые модели с двумя компрессорами, работа которых обеспечивает ускоренную накачку. Если требуется очень высокая производительность, выбирают модели с 3 или даже 4 цилиндрами. Но их цена выше.
Винтовые
Винтовые компрессоры имеют другой принцип работы. Они имеют два винта с большими лопастями, которые вращаются, нагнетая воздух с высокой скоростью. Эти роторы способны работать без перерывов, поскольку имеют меньшее трение и почти не нагреваются.
Они отличаются лучшей производительностью и долговечностью, но стоят дороже поршневых компрессоров. Винтовые компрессоры приобретаются для производственных линий, где регулярно требуется пневматическое оборудование.
Виды приводов
Передача крутящего момента от электродвигателя к устройству подачи воздуха называется приводом. Он выпускается с прямым и ременным приводом.
Прямой привод
Прямое движение (также называемое коаксиальным) существует только в поршневых компрессорах. Вал электродвигателя составляет единое целое с валом, на котором установлены шатун и поршень. Такая конструкция уменьшает габариты, устраняет необходимость в частом обслуживании и снижает потери мощности. Однако версии с прямым приводом нагреваются быстрее.
Ременная передача
Вращение электродвигателя передается через шкив и ремень. Это позволяет устанавливать два устройства одно над другим или последовательно, предлагая больше вариантов конфигурации. Ременная передача повышает долговечность и снижает тепловыделение, но сам ремень со временем изнашивается и ломается, что требует регулярного контроля и замены. Если поршень перегревается и заклинивает, ремень предотвращает повреждение якоря электродвигателя.
Определение производительности компрессора
Мощность относится к выпуску «чего-то» в единицу времени. Для компрессоров таким количественным параметром является сжатый воздух или газ. Таким образом, производительность компрессора — это параметр, определяющий, какое количество воздуха/газа он может сжать за единицу времени. Производительность оборудования обычно измеряется в «единицах объема в единицу времени», т.е. в л/мин, м3/мин, м3/ч и т.д. Но все мы знаем, что объем воздуха меняется при изменении температуры и давления. Это означает, что, например, компрессор, установленный в вашей лаборатории, и такой же компрессор высоко в горах будут иметь разную производительность. Другой пример: один и тот же компрессор в жаркий день будет производить меньше сжатого воздуха, чем в холодный. Влажность также влияет на производительность компрессора. Поэтому при определении производительности компрессора необходимо также определить условия (температура, давление, влажность), при которых определяется производительность.
Объемный расход измеряется в м3 /с (кубических метрах в секунду). Для воздушного компрессора объемный расход может быть указан в литрах в секунду (л/с). Объемный расход является мощностью компрессора и указывается либо в так называемых стандартных литрах в секунду (Нл/с), либо в виде свободного потока на выходе (л/с).
Если попытаться дать точное определение производительности компрессора, то оно будет следующим: Производительность — это количество воздуха, выраженное в единицах объема, подаваемое воздушным компрессором в единицу времени и пересчитанное на условия всасывания. Такая сложная формулировка производительности компрессора обусловлена тем, что производительность одного и того же компрессора может меняться при различных начальных условиях (температура и давление). По этой причине было выбрано определение производительности, которое позволяет «зафиксировать» объемный расход компрессора на одном значении.
Обозначение производительности компрессора: IUPAC, ГОСТ 2939-63, FAD
Как производители обычно указывают мощность компрессоров в своих красивых глянцевых каталогах? Какой производительности я могу ожидать от своего компрессора?
Производительность указывается в так называемых «стандартных кубических метрах в час (мин)» — Нм 3 /ч, Нм 3 /мин. «N» означает «нормальные условия», как определено Международным союзом теоретической и прикладной химии (IUPAC) — температура 0°C, абсолютное давление 101325 Па (760 мм рт. ст.), относительная влажность 0%. В России действует ГОСТ 2939-63 «Газы. Условия определения объема», согласно которому объем газов должен быть приведен к следующим условиям: температура 20°C, абсолютное давление 101325 Па, относительная влажность 0%. Это означает: Нм 3 /ч, согласно IUPAC «нормальные условия», это производительность. Если вы найдете такое же обозначение на русском языке Нм 3 /ч, то трудно сказать, какие «нормальные условия» (ГОСТ или IUPAC) имеются в виду. Этот вопрос необходимо уточнить у руководителей снабжающей организации при выборе оборудования!
Часто зарубежные производители компрессоров указывают производительность компрессора в м 3 /ч (м 3 /мин) FAD при определенном давлении на выходе. Так что же означает FAD? Это не более чем аббревиатура от «Free Air Delivery» или «Atmospheric Air Delivery». Его часто описывают как коэффициент производительности компрессора, скорректированный с учетом условий всасывания, соответствующих применению. Другими словами, FAD — это количество атмосферного воздуха, сжимаемого компрессором за единицу времени при заданных условиях всасывания.
Как соотносятся значения производительности компрессора при нормальных условиях Nm 3 / h и производительность, приведенная к условиям всасывания
Если условно рассматривать воздух как идеальный газ, то применимо следующее выражение:
Где P1, V1, T1— Давление, объем и температура воздуха на входе в компрессор (условия всасывания).
P2, V2, T2— Давление, объем и температура воздуха на выходе компрессора (условия расширения).
R — глобальная газовая постоянная.
Из приведенного выше выражения легко вывести следующее:
В этом выражении индексы 1 и 2 не обязательно обозначают «вход» и «выход» компрессора. Это просто разные воздушные условия. Добавление к этому выражению значения временного интервала дает аналогичное выражение, но для мощности:
Где Q1и Q2— это мощности при различных условиях. Теперь обозначим индексом N параметры, относящиеся к нормальным условиям, а индексом FAD — параметры для определения производительности FAD:
В полученное выражение подставьте параметры для нормальных условий и условий FAD, указанные производителем компрессора (обычно они перечислены в сноске к таблице производительности компрессора, например, температура 20°C, абсолютное давление 1 бар = 100000 Па), обратив внимание, что температура должна быть выражена не в °С, а в °К — градусах Кельвина, (°С + 273):
Таким образом, даже при использовании самой простой формулы преобразования мы получили очень важный результат:
Производительность компрессора
Производительность компрессора означает количество газа, выделяемого в единицу времени. Обычно она измеряется в м 3 /мин, л/мин, м 3 /час и т.д. Производительность компрессора может быть указана для сторон всасывания и нагнетания, которые не одинаковы, так как газ при сжатии меняет объем. Для входной мощности обычно принимаются стандартные условия, т.е. атмосферное давление и 20 °C. Выбор способа указания производительности компрессора может быть вопросом удобства, в зависимости от применения устройства. Преобразование потока газа из условий на входе в условия на выходе может быть выполнено с помощью специальных формул. Пересчет мощности может также потребоваться, если газ имеет другую температуру.
В зависимости от величины производительности компрессоры обычно делятся на агрегаты:
- большой производительности (более 100 м 3 /мин);
- средней производительности (от 10 до 100 м 3 /мин);
- малой производительности (до 10 м3/мин).
Производительность поршневого компрессора
Производительность конкретного компрессора зависит в основном от его геометрии и типа. Поршневой компрессор в данном случае является самым простым и очевидным, поскольку размеры его рабочей камеры напрямую влияют на производительность. Он может быть представлен как объем рабочей камеры, умноженный на количество циклов хода поршня в единицу времени, или, исходя из геометрических параметров компонентов поршневого блока, как площадь поперечного сечения цилиндра (F), умноженная на ход поршня (S) и скорость вращения вала (n). Однако это возможно только в идеальном случае. В действительности, из-за конструкции клапанов, цилиндра и поршня не весь газ вытесняется из рабочей камеры. Небольшая его часть остается, и пространство, которое она занимает, называется взрывной камерой. Это сделано специально, чтобы предотвратить удар поршня о торцевую стенку камеры, что быстро повредит компрессор.
Если мы обозначим объем, описываемый поршнем, как Vптогда объем повреждения может быть выражен как Vв= V-Vпгде V — объем рабочей камеры. Подходящий коэффициент ε=(V-Vп)/Vп. Другими словами, объем повреждения также можно определить по формуле Vв=ε∙Vп.
Газ, занимающий поврежденный объем, также влияет на всасывание новой порции газа, поскольку этот процесс не начинается, пока оставшийся газ не расширится до определенного значения; за это время поршень успевает пройти определенное расстояние, поэтому всасывание несовершенно по сравнению с идеальным случаем. Этот эффект учитывается объемным КПД, который рассчитывается по формуле λ0=Vд/Vпгде Vд-это фактическое количество всасываемого газа. Этот же коэффициент можно рассчитать по следующей формуле:
Где: λ0— объемный КПД; e — коэффициент опасной зоны; p1— давление на входе, Па; p2— давление на выходе, Па; m — политропный индекс.
Таким образом, производительность поршневого компрессора одностороннего действия определяется по формуле:
Если используется поршень с двойной энергией, расчет мощности не может быть рассчитан как простое удвоение мощности рабочей камеры. Уточнение требуется потому, что одна из рабочих камер частично занята штоком поршня, что приводит к меньшей производительности, чем камера без штока поршня. Формула уточняется следующим образом:
Мощность компрессора
В общем, согласно стандартному определению, мощность — это работа, выполненная за определенный период времени, деленная на продолжительность этого периода времени. В случае с компрессором это произведение производительности газа и работы, необходимой для его сжатия. Эта мощность называется теоретической мощностью и рассчитывается по следующей формуле:
Где: Nт— теоретическая мощность, кВт, Q — производительность, м3 /мин, ρ — плотность газа, кг/м 3, A — теоретическая работа по сжатию газа, Дж/кг.
Следует отметить, однако, что теоретическая мощность не соответствует мощности, которая должна подаваться на компрессор для его работы, и мощности, вырабатываемой двигателем, подключенным к компрессору. Это связано с эффектом потери мощности, который численно описывается рядом коэффициентов полезного действия. Процесс сжатия, осуществляемый в компрессоре, имеет свой КПД (в зависимости от типа процесса), и в компрессоре часть потребляемой мощности теряется через механическую передачу. Поэтому мощность, действующая на приводной вал компрессора, называется мощностью вала или активной мощностью, которая связана с теоретической мощностью следующей формулой
Где: Nэ— фактическая мощность, кВт;м— механический КПД компрессора;пр— эффективность процесса сжатия газа.
Если рассматривать компрессорную установку, которая также оснащена двигателем и редуктором, то возникают дополнительные потери мощности, которые отражаются в двух коэффициентах полезного действия hдинасоответственно. Тогда мощность Nдкоторое должно подаваться на двигатель компрессорного агрегата для его работы, равно
Где: Nд— мощность электродвигателя компрессорной установки, кВт; theд— КПД двигателя;на— эффективность механической трансмиссии.
Проверка работоспособности всех компонентов компрессорной системы крайне важна. Один и тот же двигатель может не подойти для выполнения одной и той же задачи по сжатию газа, если она выполняется компрессорами разных конструкций, так как их производительность может значительно отличаться. Энергии, поступающей непосредственно на сжатие газа, может просто не хватить из-за высоких потерь. Например, винтовые компрессоры имеют средний КПД 95%, в то время как поршневые компрессоры имеют значение, близкое к 80%, что означает, что может быть разница в 10-15% в эффективности поставляемой энергии в пользу винтового блока.
Производительность поршневого компрессора
Для поршневых компрессоров, сжимающих газ до максимального давления 10 МПа, расчет производительности может быть выполнен очень точно с помощью формул, в которых газ считается идеальным. Однако для компрессоров с более высоким максимальным давлением сжатия (свыше 10 МПа) на расчеты влияет тот факт, что перекачиваемый газ является неидеальным. Основное отличие идеального газа от неидеального (реального) заключается в предположении, что молекулы газа не взаимодействуют друг с другом, тогда как в реальном газе такое взаимодействие имеет место и может оказывать существенное влияние на поведение газа при высоких давлениях. Формула теоретической мощности, учитывающая эти факторы, выглядит следующим образом:
Где: Nt — теоретическая мощность, кВт; Q — мощность компрессора, м 3 /с; ρ — плотность газа, кг/м 3; i1— энтальпия газа до сжатия, Дж/кг; i2— энтальпия газа после сжатия, Дж/кг.
Винтовые модели
Винтовые компрессоры работают за счет вытеснения воздуха посредством вращения вала. Для этого в конструкции предусмотрены первичный и вторичный валы. Расстояние между ними минимально, а для обеспечения герметичности имеется защитная оболочка. При достижении максимального количества воздуха в камере профили зубьев приводного вала закрывают впускное отверстие. Одновременно открывается выпускной клапан. Самый простой способ определить производительность — умножить номинальное значение на мощность. Для данного типа модели КПД составляет 0,95, что является максимальным значением для компрессоров. Для точного расчета необходимо знать следующие параметры:
- Время нагнетания нужного объема;
- Периодичность открытия/закрытия входного канала;
- Возможные потери давления из-за увеличения зазоров между валами.
Фактическую производительность компрессора можно проверить, подключив его к ресиверу. Фактическое время заполнения последнего определяет производительность устройства. Такая же методология применима к поршневым моделям. Выбор воздухозаборника зависит от параметров компрессорной установки.
Способы повышения производительности компрессоров
Возможно увеличение количества сжатого воздуха на выходе без нарушения целостности конструкции и правил эксплуатации, описанных в технической документации. В большинстве случаев принимаются меры по кондиционированию воздуха перед его поступлением в компрессор. Более низкая температура газа приводит к снижению удельного расхода энергии. Другим фактором является влажность. Чем выше влажность, тем ниже производительность. Для управления этими факторами необходимо выбрать холодильный осушитель. Для подготовки воздушной массы к дальнейшему использованию на выходе из компрессора используется холодильный осушитель. Кроме того, для увеличения массы воздуха на выходе из устройства можно предпринять следующие меры:
- Изменение частоты вращения рабочего вала. Для этого рекомендуется выбрать и установить коллекторный электродвигатель вместо силовой установки переменного тока;
- Монтаж дополнительных кинематических механизмов (мультипликаторов) для изменения передаточных чисел от вала электродвигателя к рабочему. Актуально для моделей с ременной передачей;
- Покупка преобразователя частоты. Эго можно собрать самостоятельно, но с учетом фактических характеристик силовой установки.
После применения описанных выше методов необходимо рассчитать производительность компрессора и сравнить ее с фактическими данными. Могут возникнуть такие негативные последствия, как перегрев электродвигателя или повышенный шум. Это можно проверить только после пробного запуска. Однако лучше всего выбрать и купить компрессор с большей производительностью. Следует помнить, что любое изменение в конструкции приведет к изменению характеристик и, следовательно, повлияет на срок службы всего устройства.
Параметр давление воздуха.
Это показатель максимального давления, до которого компрессор может сжимать воздух. Эта величина в значительной степени зависит от крутящего момента, передаваемого от двигателя к компрессорной головке. Шкив зубчатого ремня или шестерня могут быть использованы для регулировки этого крутящего момента для данной модели компрессора при сохранении той же мощности двигателя.
При использовании редуктора сила крутящего момента может быть уменьшена, что позволяет достичь более высокого максимального давления. Однако компрессорная головка работает на более низкой скорости и, следовательно, производит меньший объем воздуха, что приводит к уменьшению воздушного потока или производительности компрессора. Давление измеряется как вес, приложенный к площади определенного размера, например, 1 см х 1 см.
Пример: кг/см2 (килограмм на квадратный сантиметр) или бар.
Иногда можно заметить добавление «g», кг/см2 g или (аб.). Это означает, что указанное значение является манометрическим, а не абсолютным давлением. Это давление показано на манометре на манометре.
Существует заблуждение, что для получения общего потребления воздуха всеми потребителями сжатого воздуха необходимо сложить величины потребления воздуха и умножить их на давление, необходимое для работы. В действительности достаточно сложить объемы потребления независимо от давления.
Пример: Имеется 2 потребителя воздуха одного типа, и каждый из них требует расхода воздуха 20 м3/мин при давлении 8 бар (g).
В этом случае общее потребление сжатого воздуха составляет 20 x 2 = 40 м3/мин при давлении 8 бар (g). Обратите внимание, что давление не нужно умножать на количество потребителей воздуха.
Количество потребителей и расход воздуха — важные величины, которые необходимо знать перед покупкой воздушного компрессора.
Обратите внимание, что производительность воздушного компрессора рассчитывается, измеряется и указывается при определенном давлении.
Большинство марок отмечают заявленную производительность звездочкой (*), а в конце данных о компрессоре делается сноска о том, что номинальная производительность компрессора указана при давлении X, но максимальное давление машины — Y. Это важно, потому что объем воздуха рассчитывается, измеряется и указывается при определенном давлении.
Это важно, поскольку расход воздуха или производительность и максимальное давление компрессора обратно пропорциональны.
Поясним это на примере.
Предположим, что нашим потребителям воздуха, работающим при давлении 10 бар, требуется в общей сложности 15 м3/мин.
Выбираем из каталога винтовой компрессор мощностью 90 кВт при давлении 10 бар с производительностью 15 м3/мин*, но в конце каталога есть сноска * — эти м3/мин даны как 7 бар. Таким образом, если давление увеличится до 10 бар, производительность будет меньше. Поэтому такой мощности будет недостаточно, и следует рассмотреть возможность установки компрессора мощностью 110 кВт.
Правильный способ выбора воздушного компрессора — рассчитать потребителей с требуемым расходом воздуха, определить их рабочее давление и на основе этих параметров выбрать подходящий компрессор, а затем обратить внимание на производительность выбранного вами компрессора.
Если это поршневой компрессор, рекомендуется выбирать производительность в 1,5 раза больше, чем реально требуемая, чтобы компрессор мог отдохнуть между включением и выключением, так как поршневые компрессоры не допускают непрерывной работы.
