Vplyv tlaku kompresora na vzduch v systéme - Časť 2: Vplyv tlaku v systéme na odstredivé kompresory
Toto je druhý článok v trojdielnej sérii stlačeného vzduchu Mark Krisa, riaditeľ - Global Services Solutions, Ingersoll Rand
Je bežné, že odborníci na posudzovanie energie pri pokusoch o zníženie spotreby energie v systéme stlačeného vzduchu zaobchádzajú s odstredivými kompresormi, ako sú kompresory s pozitívnym posunom. Bohužiaľ, odstredivé kompresory sú zvyčajne oveľa väčšie a nesprávne prepočty môžu ľahko predstavovať stovky tisíc dolárov v preceňovaných úsporách energie. Tieto chyby nie sú škodlivé; sú výsledkom zjednodušených osvedčených postupov, ktoré zachovávajú jednotlivci s obmedzenými znalosťami odstredivého kompresora. Tento typ znalostí nie je ľahko dostupný a väčšina odborníkov na posudzovanie energie nemá prístup k inžinierskym tímom zodpovedným za technický vývoj a návrh odstredivých kompresorov. Z hľadiska jednotky sú odstredivé kompresory malou časťou trhu s kompresormi, takže technicky obmedzené zdroje sú obmedzené.
Identifikácia zdrojov technického kompresora
Je dôležité si uvedomiť, že predajcovia stlačeného vzduchu predstavujú jeden z najväčších zdrojov technických informácií spojených so systémami a komponentmi stlačeného vzduchu. Hoci niektorí predajcovia sú technicky spôsobilí inžinieri, nie je neobvyklé nájsť slovo „inžinier“ ako prídavné meno v pracovnom titule. Či už je inžinier titulom podľa vzdelania alebo zamestnania, nezaručuje technicky presné informácie. Podobne aj skúsenosť je termín, ktorý sa často používa na vyjadrenie vynikajúcich vedomostí spojených s dlhoročnou praxou. Skúsenosti môžu mať význam pre funkcie s jednoduchými príčinami a následkami alebo opakovanými úlohami, pri ktorých môže svalová pamäť zvýšiť výkon. Avšak v priemysle, kde sa výsledky zriedkavo merajú pomocou presného prístrojového vybavenia v kontrolovanom prostredí, sa predpokladá, že mnohé technické mýty sa objavujú a po celé roky opakovania sa považujú za vedecky dokázané fakty. Napríklad časť jedna z tohto článku, ktorá bola vytlačená minulý mesiac, vysvetlila, ako sa zneužíva predpoklad 1-percentného výkonu na 2-psi a prečo nie je správny.
Práca v spoločnosti Ingersoll Rand, jedného z najväčších svetových výrobcov a inovátorov výrobkov na stlačený vzduch, umožňuje príležitosti pre mnoho technických diskusií s talentovanými inžiniermi, ktorí navrhujú kompresory pre život. Účasť v mnohých technických tímoch týkajúcich sa stlačeného vzduchu s ISO, CAGI a CSA tiež poskytuje príležitosť na diskusiu na vysokej úrovni s inžiniermi iných výrobcov kompresorov . Je zaujímavé, že vždy, keď sa diskutuje o téme tlak a výkon kompresorov, takmer každý inžinier opakovane prevádza rovnaký 1% výkon na predpoklad 2 psi. Po diskusii o systémových atribútoch a termodynamike sa všetci zhodujú na tom, že tvrdenie 2: 1 je nepresné, ale mnohí sa domnievajú, že je to skutočnosť, a vzťahujú sa na to, ako kompresor pracuje vzhľadom na tlak v sieťovom potrubí. Ako mladí inžinieri začínajúci v tomto odbore, vyhlásenie 2: 1 boli technické vedomosti zdieľané staršími inžiniermi. Nesprávna skúsenosť a vek vedeckého faktu, mnohé nevinné predpoklady zostali nespochybnené.
Z dôvodu uzavretia sa zdá, že teória vznikla začiatkom 20. rokov 20. storočia ako rozumný odhad založený na zložitej rovnici použitej na výpočet brzdného výkonu pre veľké piestové kompresory v porovnaní s tlakom vo valci. To sa nevzťahuje na všetky komponenty a technologické zmeny, ktoré tvoria moderné kompresory. Teória 2: 1 je ako povesť, ktorá sa iteratívne mení na iný príbeh s interpretáciou a následným zdieľaním každej osoby. K tomu dochádza, keď je zložitý technický obsah zjednodušený a zovšeobecnený pred tým, ako sa dostanú k predajcom v teréne a iným jednotlivcom šíriacim znalosti kompresorov na trhu.
Prevádzkové vlastnosti odstredivých kompresorov
Na rozdiel od kompresorov s pozitívnym posunom, v ktorých tlak je funkciou mechanických síl (sily) pôsobiacich na povrch, ktorý fyzicky zmenšuje uzavretý objem, odstredivé kompresory nemôžu zvyšovať svoje tlakové schopnosti zvyšovaním výkonu. Odstredivý kompresor, tiež známy ako dynamický kompresor, vytvára tlak iným spôsobom. Daná hmota vzduchu sa urýchľuje cez obežné koleso a dodáva kinetickú energiu. Vzduch prechádza difuzérom, znižuje rýchlosť a mení časť kinetickej energie na teplo a potenciálnu energiu. Prejavuje sa to zvýšeným tlakom a teplotou vzduchu. V závislosti od požiadaviek na tlak kompresora prechádza vzduch rovnakým procesom v nasledujúcich stupňoch a zvyšuje sa k požiadavkám na návrhový tlak. Aby sa zvýšila účinnosť, niektoré alebo všetky fázy ochladzujú vzduch pred tým, ako vstúpi do ďalšej fázy. Na účely diskusie bolo prevádzkové vysvetlenie zjednodušené v snahe zostať v jeho rámci. Tlakové schopnosti odstredivého kompresora sú dané aerodynamickým usporiadaním vnútorných komponentov, okolitými podmienkami, rýchlosťou otáčania a chladením vzduchu medzi stupňami.
Vzťahy medzi prietokom, tlakom a výkonom odstredivého kompresora sa bežne vyjadrujú pomocou výkonnostnej krivky založenej na špecifikovaných podmienkach okolia, chladiacej vode a použitých vnútorných komponentoch. V dôsledku toho sa menia výkonnostné a najmä tlakové schopnosti so zmenou okolitých podmienok v priebehu celého roka. Na znázornenie tohto efektu na obr. 1 sa používa pracovná krivka, ktorá pozostáva z prekrývajúcich sa údajov z troch sád okolitých podmienok.
Obrázok 1 - Výkonové krivky odstredivého kompresora
Výkonnostná krivka sa skladá z dvoch častí: krivky tlaku a prietoku a krivky výkonu a prietoku. Krivka tlaku a prietoku má tlak na vertikálnej osi a prietok na horizontálnej osi. Krivka toku energie má silu na vertikálnej osi a tok na horizontálnej osi. Hodnoty prietoku pre každú horizontálnu os sú zarovnané, takže každá krivka tlaku a prietoku má zodpovedajúcu krivku výkonu a prietoku. Všimnite si, ako sa prirodzená krivka posúva smerom nahor a doprava pri znižovaní teploty okolia. Pri pohľade na červené krivky sily a tlaku vzhľadom na prúdenie, pohybujúce sa zľava doprava, zvislá čiara pretínajúca obe krivky ilustruje konštrukčný tlak a výkon pre dané špecifické podmienky prietoku a okolité podmienky. Pri pohybe zľava doprava si všimnite, ako sa sila spočiatku zvyšuje, keď tlak klesá a potom sa znižuje, keď sa jeden pohybuje ďalej doprava. Toto ilustruje, ako moc nie je priamo úmerná zmene tlaku. Tento vzťah je založený na aerodynamickom návrhu vnútorných komponentov. Niektoré kompresory, ktoré používajú obežné koleso s radiálnym dizajnom, majú maximálnu účinnosť v hornej časti krivky tesne pred prirodzeným prepätím. Konštrukcia spätného nakláňania môže zvyšovať účinnosť pri znižovaní tlaku alebo môže dosahovať špičkovú účinnosť v určitom bode krivky a potom znižovať pri nižšom tlaku.
Pri odkazovaní na červenú krivku tlaku a tlaku si uvedomte, že pri poklese tlaku sa zvyšuje prietok kompresora. Odstredivý kompresor pracuje relatívne k prirodzenej krivke, keď je vstupná zostava otvorená na 100 percent alebo natoľko, že otvorenie zostavy viac nemá žiadny vplyv na vstupný tlak v hrdle. Kompresor pracujúci v maximálnom stave sa niekedy označuje ako kompresor pracujúci pri plnom zaťažení - alebo na aktívnej časti krivky, kde sa prietok mení s ohľadom na tlak. Pri znížení tlaku sa prietok zvyšuje, ale všimnite si, ako sa sklon krivky mení s poklesom tlaku. Nakoniec sa krivka stane asymptotickou - priamo nahor a nadol -, keď sa kompresor presunie do oblasti známej ako škrtiaca klapka alebo kamenná stena.
V tomto okamihu má klesajúci tlak veľmi malý alebo žiadny vplyv na prietok alebo výkon. Keď kompresor pracuje s tlmivkou alebo pod ňou, výkon sa neznižuje. Keď je kompresor v škrtiacej klapke, rýchlosť dosiahla zvukový prah v niektorých bodoch kompresora. Následne si kompresor udržuje vnútorný tlak na minimálnej hodnote nezávislej od tlaku na výstupe mimo kompresora. V zásade vnútorný tlak klesá vzhľadom na vonkajší tlak, až kým nedosiahne minimálny vnútorný tlak. Pod touto minimálnou hodnotou tlak v systéme klesá, zatiaľ čo vnútorný tlak zostáva na minimálnej hodnote obmedzenej hranicou zvukovej rýchlosti.
Horný tlak je obmedzený schopnosťou kompresora previesť kinetickú energiu na tlak. Pri určitej energetickej rovnováhe je generovaný tlak menší ako vnútorný tlak, čo spôsobuje nestabilitu, ktorá sa niekedy označuje ako obrátenie toku alebo prudký nárast. Prevádzka kompresora je nestabilná pri rázovom tlaku alebo blízko neho. Tlaková schopnosť alebo prirodzený rázový tlak sa môžu zvýšiť, len ak sa zvýši hustota nasávaného vzduchu. Rovnaký jav sa vyskytuje pri podmienkach minimálneho stabilného prietoku nazývaného prudká škrtiaca klapka. Ak je potreba vzduchu menšia ako dodávka požadovaného tlaku, vstupná zostava moduluje, čím sa znižuje tlak a prietok vstupného hrdla. Toto sa bežne označuje ako kompresor pracujúci v modulácii, na škrtiacej klapke alebo pri konštantnom tlaku.
Vplyv tlaku na odstredivý výkon kompresora
Pri pohľade na výkon v aktívnej časti krivky je na obr. 2 znázornená podrobná zmena prietoku a výkonu vo vzťahu k tlaku na výstupe.
Obrázok 2 - Vzorové údaje o výkone odstredivého kompresora
Údaje na obrázku 2 sú založené na testovanom výkone pre špecifický odstredivý kompresor. Pri pohľade na výkon kompresora pri 121 psig a 111 psig, zníženie tlaku zo 121 na 111 psig znižuje výkon iba o 5 koní. To predstavuje menej ako 0,35 percentné zníženie výkonu hriadeľa. Pravidlo 0,5 percenta na psig (opísané v Časti 1: Tlak vzduchu ovplyvňujúci tlak v systéme kompresora, ktorý bežal v júlovom vydaní osvedčených postupov pre stlačený vzduch) sa neuplatňuje. Na rozdiel od realizovaných 3 000 dolárov by predpovedal zníženie výkonu o 5 percent pri odhadovanej úspore 50 000 dolárov ročne. V tomto príklade by sa odhady úspor mohli výrazne prehĺbiť na viac ako 16-násobok skutočnej hodnoty.
Pretože kompresor v tomto príklade pracuje v aktívnom rozsahu krivky, prietok stúpa ~ 100 scfm. Za predpokladu, že dopyt zostane rovnaký a výkon kompresora sa zmení priamo úmerne zmene prietoku, výkon hriadeľa kompresora sa zníži celkom o 27 koní alebo o 1,8 percenta. To je menej ako 36 percent odhadovaných úspor pomocou pravidla 0,5 percenta na psig, čo predstavuje úsporu 18 000 dolárov oproti 50 000 dolárov pri použití nesprávneho výpočtu. Ak kompresor normálne pracuje v modulovanom stave pomocou správne aplikovaných vstupných vodiacich lopatiek, výkon hriadeľa sa zníži o 1,7 percenta.
Je dôležité poznamenať, že na rozdiel od rotačných skrutkových kompresorov čísla modelov odstredivých kompresorov nemusia nevyhnutne predstavovať výkon kompresora. Pre dané vonkajšie odlievanie, konštrukciu a motor sa môže použiť niekoľko rôznych kombinácií obežného kolesa / rozptyľovača. Kombinácia obežných kolies a difúzorov sa bežne označuje ako „aero“ kompresora. Pre dané číslo modelu kompresora sa môže použiť niekoľko rôznych leteckých balíčkov a každý z nich má svoju jedinečnú výkonnostnú schopnosť. Nie je možné použiť všeobecnú krivku - ani krivku z toho istého modelu kompresora - pokiaľ výrobca nepotvrdí, že kompresory boli vyrobené pomocou rovnakého aera.
Rovnako dôležité je zabezpečiť, aby sa údaje korigovali na podmienky v mieste alebo na rozsah podmienok, ak sa okolité podmienky menia s ohľadom na čas. Na obrázku 1 znázorňujú tri krivky (zľava doprava) údaje o podmienkach okolia pri 95 ° F, 70 ° F a 30 ° F. Na základe toho, ako sa výkonnostná krivka posúva v závislosti od teploty, nie je neobvyklé nájsť kompresory, ktoré pracujú v sýtiči niekoľko mesiacov v roku. Je to dôležité, pretože všetky odhady úspor energie spojené s tlakom musia brať do úvahy čas, teplotu a umiestnenie na krivke. Bez týchto údajov môže byť akýkoľvek pokus odhadnúť úspory spojené s tlakom zavádzajúci. V niektorých prípadoch sa môže výkon pri znížení tlaku zvýšiť.
Úspora energie pre odstredivé kompresory
Maximálne tlakové schopnosti konkrétneho kompresora sú založené na aero balení, okolitých podmienkach a mechanickom stave. Maximálny prevádzkový tlak je obmedzený nárazom kompresora v hornej časti oblúka. Tento bod sa nazýva prirodzený nárast tlaku. 1, ružová vodorovná čiara predstavuje čiaru konštantného tlaku. Ak je spotreba menšia ako maximálny prietok z kompresora, vstupná škrtiaca klapka znižuje prietok. Pri vstupných vodiacich lopatkách zostáva účinnosť primerane konštantná, zatiaľ čo kompresor škrtí. Zrýchlený výkon sa zobrazuje na spodnej krivke výkonu ako diagonálna čiara. Minimálny škrtený prietok pre odstredivý kompresor je obmedzený na základe konštrukcie. Po ružovej vodorovnej čiare na obrázku 1 vľavo je minimálny stabilný prietok určený bodom, kde čiara konštantného tlaku pretína prívodnú škrupinu škrtiacej klapky. Ak sa kompresor pokúsi obmedziť prietok na menej ako tento priesečník, kompresor prudko stúpa. Z pochopiteľných dôvodov sa to nazýva prudká škrtiaca klapka. Šikmá čiara škrtiacej klapky je na obr. 1 viditeľná ako modrá diagonálna čiara na grafe tlakový prietok.
Ak je spotreba vzduchu menšia ako toto minimálne obmedzenie, prebytočný vzduch sa vypúšťa do atmosféry, aby sa kompenzoval rozdiel medzi minimálnym stabilným prietokom a požiadavkami na spotrebu. Bohužiaľ, potom, čo kompresor prestane škrtiť, výkon sa nemení. V dôsledku toho sa všetok vzduch, ktorý sa vypúšťa do atmosféry, vyhodí. V prípade kompresora, ktorý často pracuje so vzduchom obtekaným do atmosféry, znižuje tlak zníženie prietoku, pri ktorom dochádza k prepätiu škrtiacej klapky. Po úprave nastavení ovládania kompresor, ktorý pracuje pri minimálnom prietoku, stále znižuje výkon zvyšovaním schopností škrtiacej klapky v porovnaní so zníženým nárazovým prietokom škrtiacej klapky. To je len prípad, keď kompresor obchádza vzduch do atmosféry a ovládacie prvky umožňujú kompresoru modulovať prívod, čo zvyšuje schopnosť škrtiacej klapky a znižuje výkon. Na kvantifikáciu potenciálnych úspor sú opäť potrebné výkonnostné krivky upravené na mieste.
Schopnosť prevádzkovať kompresor blízko prepätia škrtiacej klapky je obmedzená zložitosťou regulačných algoritmov, použitou premennou škrtiacej klapky a spôsobom, ako sú slučky PID kompresora vyladené vzhľadom na dynamiku systému. Obr. 1 znázorňuje zníženie výkonu spojené s úpravou limitu škrtiacej klapky kompresora z konzervatívneho nastavenia na účinnejšie nastavenie vyladením PID slučky kompresora tak, aby reakčné rýchlosti kompresora zodpovedali rýchlosti zmien dopytu. Zmena výkonu spojená s úpravami v ovládacích prvkoch systému je zrejmá z pohľadu na dve zvislé čiarkované, fialové a hnedé čiary od potrubia s konštantným tlakom po škrtené vedenie na obrázku 1. Pri tomto kompresore sa výkon znížil o 160 k bez kapitálových investícií. Kompresor stále obchádzal vzduch do atmosféry, ale množstvo sa znížilo na 980 scfm, čo súviselo s moduláciou kompresora bližšie k hodnote prepätia škrtiacej klapky. Je dôležité si uvedomiť, že limit pre reguláciu prepätia plynu je obvykle z nejakého dôvodu nastavený vysoko. Na definovanie problémov, ktoré ovplyvňujú zvýšené nastavenia, sa vyžaduje vhodná analýza príčin. Ako organizácia, ktorá vykonala audit stoviek odstredivých kompresorových systémov pomocou vyspelých technických detailov a analýzy, si Ingersoll Rand uvedomuje, že nápravné opatrenia sa môžu medzi systémami výrazne líšiť. V niektorých situáciách je možné dosiahnuť šesťmiestne úspory opravením zložitého problému pomocou investície 100 dolárov. Naopak, úspory si môžu vyžadovať zložité a nákladné opravy, ktoré nie sú opodstatnené.
Hodnotenie účinnosti odstredivého kompresora
Je dôležité zdôrazniť, že výkonnosť odstredivého kompresora sa môže v priebehu času dramaticky zmeniť v dôsledku mechanickej degradácie vnútorných komponentov. Aj keď hlavné problémy s rotujúcimi zostavami sa dajú zistiť zvýšenými hodnotami vibrácií, erózia obežných kolies a difúzorov môže významne znížiť tlakové schopnosti, spoľahlivosť a účinnosť odstredivého kompresora so zanedbateľným dopadom na vibrácie. Z tohto dôvodu by sa malo hodnotenie výkonu každého odstredivého kompresora vykonávať pravidelne a ako súčasť každého projektu na úsporu energie. Každé hodnotenie systému stlačeného vzduchu, ktoré nezahŕňa podrobné testovanie a analýzu výkonu kompresora, bude mať nedostatočné alebo pochybné údaje a môže byť znakom spôsobilosti audítora na odstredivý kompresor.
Je tiež dôležité si uvedomiť, že predchádzajúce opravy odstredivého kompresora mohli významne zmeniť výkon. Niektorí poskytovatelia služieb v oblasti náhradných dielov nahrádzajú vnútorné letecké komponenty, ktoré sa nezhodujú s pôvodným dizajnom. V niektorých prípadoch je možné namiesto výmeny komponentov ušetriť náklady rozdrvením lopatiek obežného kolesa a opätovným vyvážením zostáv. Tým sa riešia problémy s vibráciami, ale môže to výrazne zmeniť výkon.
S odkazom na krivku na obrázku 1 je tento kompresor schopný dodávať 135 psig v podmienkach 95 ° F. Ak sa tento kompresor predáva ako jednotka s výkonom 90 psig, mnohí poskytovatelia odstredivých služieb testujú prirodzený nárazový tlak a považujú ho za výkonnostný test. Po spolupráci s mnohými leteckými inžiniermi kompresorov na vývoji a overovaní analytických výkonov odstredivých kompresorov a neintruzívnych testovacích postupov na mieste je možné povedať, že hodnotenie kompresorov je podstatne väčšie ako testovanie nárazového tlaku a vibrácií. Bežné predpoklady použitia odstredivého kompresora považujú prirodzený nárazový tlak väčší ako 10 až 15 percent nad konštrukčný tlak za normálny, bez ohľadu na teplotu. V dôsledku toho je testovanie nárazového kompresora na obrázku 1 a dosiahnutie prirodzeného nárazového tlaku väčšieho ako 103 psig považované mnohými organizáciami za pozitívne overenie výkonnosti. Toto sa nerobí so zlým úmyslom, viaže sa späť na začiatok tohto článku a na problémy spojené so skúsenosťami a vnímanými znalosťami. Rovnako ako dezinformovaný technik mohol nevinne odhadnúť úspory 100 000 dolárov, keď neexistujú žiadne, mnoho technikov v teréne by vykonalo to, čo im bolo povedané, je test výkonnosti, neúmyselne zanedbávajúci identifikáciu zníženého výkonu a spoľahlivosti kompresora.
--- http: //www.hqcompressor.com
