A levegőrendszer nyomása befolyásolja a kompresszor teljesítményét - 2. rész: A rendszernyomás hatása a centrifugális kompresszorokra
Ez a második cikk egy háromrészes sűrített levegő-sorozatban: Mark Krisa, az Ingersoll Rand globális szolgáltatási megoldások igazgatója
Gyakori, hogy az energiaértékelési szakemberek a centrifugális kompresszorokat úgy kezelik, mint pozitív elmozdulású kompresszorokat, amikor megpróbálják csökkenteni a sűrített levegő rendszer energiafogyasztását. Sajnos a centrifugális kompresszorok rendszerint sokkal nagyobbak, és a téves kiszámítások könnyen több százezer dollárt képviselhetnek a túlbecsült energiamegtakarításban. Ezek a hibák nem rosszindulatúak; korlátozott centrifugális kompresszor ismeretekkel rendelkező személyek által folytatott túl egyszerűsített bevált gyakorlatokból származnak. Az ilyen típusú ismeretek nem állnak rendelkezésre, és a legtöbb energiaértékelési szakember nem fér hozzá a centrifugális kompresszorok műszaki fejlesztéséért és kialakításáért felelős mérnöki csoportokhoz. Egység szempontjából a centrifugális kompresszorok a kompresszorok piacának kis részét képezik, tehát a műszaki ismeretekkel rendelkező erőforrások korlátozottak.
A kompresszor műszaki erőforrásainak azonosítása
Fontos elismerni, hogy a sűrített levegővel foglalkozó emberek képviselik a sűrített levegős rendszerekhez és alkatrészekhez kapcsolódó technikai információk egyik legnagyobb forrását. Bár néhány értékesítő ember technikailag hozzáértő mérnök, nem ritka, ha a munkamérnök mellékneveként a „mérnök” szót találja meg. Függetlenül attól, hogy a mérnök oktatás vagy munkakör szerint címet szerez, nem garantálja a műszakilag pontos információkat. Hasonlóképpen, a tapasztalat olyan kifejezés, amelyet gyakran használnak, hogy nagy tapasztalatokra utaljanak az évek gyakorlatával kapcsolatban. A tapasztalatnak értéke lehet olyan funkciók esetében, amelyek egyszerű ok-okozati következményeket tartalmaznak, vagy ismétlődő feladatok, ahol az izommemória javíthatja a teljesítményt. Ugyanakkor egy olyan iparágban, ahol az eredményeket ritkán mérik meg pontos műszerezéssel ellenőrzött környezetben, sok műszaki mítosz fellendül, és évekig tartó ismétlések során feltételezik, hogy tudományosan bizonyított tények. Például e cikk első részében, amelyet a múlt hónapban nyomtattak, elmagyarázta, hogy miként használják fel a 2 psi-es 1% -os teljesítmény feltételezést, és miért nem helyes.
Az Ingersoll Randnél, a világ egyik legnagyobb sűrített levegőjű gyártójának és innovátorának a munkája megkönnyíti a tehetséges mérnökökkel folytatott műszaki beszélgetések lehetőségét, amelyek megélhetési célokra tervezik a kompresszort. Számos sűrített levegővel kapcsolatos műszaki csoportban való részvétel az ISO, CAGI és CSA-val szintén lehetőséget kínál magas szintű megbeszélésekre más kompresszorgyártók mérnökeivel. Érdekes, hogy amikor a kompresszorok nyomásának és teljesítményének témáját megvitatják, szinte minden mérnök ugyanazt az 1 százalékos teljesítményt 2 psi-es feltételezéshez képest újra regresszálja. A szisztémás tulajdonságok és a termodinamika megvitatása után mind egyetértenek abban, hogy a 2: 1 állítás pontatlan, de sokan úgy vélik, hogy ez tény, és összekapcsolják azzal, hogy a kompresszor hogyan működik a hálózati csövek nyomásában. Mivel az iparágban új mérnökök voltak, a 2: 1 nyilatkozat a vezető mérnökök által megosztott műszaki ismeretekről szól. A tudományos tények tapasztalatának és életkorának hibája miatt sok ártatlan feltételezés megkérdőjelezhetetlen volt.
A bezárás érdekében úgy tűnik, hogy az elmélet az 1900-as évek elején merült fel, mint ésszerű becslés, amelyet egy olyan összetett egyenletre alapoznak, amelyet a hengeren belüli nyomáshoz viszonyítva nagy meghajtású kompresszorok fékteljesítményének kiszámításához használnak. Ez nem vonatkozik a modern kompresszorokat alkotó összes alkatrészre és technológiai változásra. A 2: 1 elmélet olyan, mint egy pletyka, amely iteratívan más történetté változtatja az embereket mindenki értelmezésével és az azt követõ megosztással. Ez akkor fordul elő, amikor a bonyolult műszaki tartalmat egyszerűsítik és általánosítják, mielőtt a terepi értékesítőkhöz és más személyekhez eljuttatnák a kompresszor ismereteit a piacon.
A centrifugális kompresszorok működési jellemzői
Ellentétben a pozitív elmozdulású kompresszorokkal, amelyekben a nyomás a felületre ható mechanikai erők (teljesítmény) függvénye, amely fizikailag csökkenti a zárt térfogatot, a centrifugális kompresszorok nem képesek növelni nyomásképességüket az erő növelésével. A centrifugális kompresszor, más néven dinamikus kompresszor, nyomást generál más módon. Egy adott levegőtömeget egy járókerék gyorsítja fel, és kinetikus energiát bocsát ki. A levegő áthalad a diffúzoron, csökkenti a sebességet, és a kinetikus energia egy részét hő- és potenciális energiává alakítja. Ez megnövekedett légnyomás és hőmérséklet formájában nyilvánul meg. A kompresszor nyomásigényétől függően a levegő ugyanezen a folyamaton megy keresztül a következő szakaszokban, és a tervezési nyomásigény felé növekszik. A hatékonyság javítása érdekében egyes szakaszok vagy az összes szakasz hűti a levegőt, mielőtt belépne a következő szakaszba. Megbeszélések céljából a működési magyarázatot egyszerűsítették annak érdekében, hogy a hatókörbe maradjanak. A centrifugális kompresszor nyomásképességét a belső alkatrészek aerodinamikai kialakítása, a környezeti feltételek, a forgási sebesség és a levegő hűtése diktálja a szakaszok között.
A centrifugális kompresszor áramlásának, nyomásának és teljesítményének viszonyait általában a meghatározott környezeti feltételektől, a hűtővíztől és az alkalmazott belső alkotóelemektől függő teljesítménygörbével fejezik ki. Ennek eredményeként a teljesítmény - és különösen a nyomásképesség - megváltozik, amikor a környezeti feltételek egész évben változnak. Ennek a hatásnak az 1. ábrán való bemutatására egy munkagörbét alkalmazunk, amely három környezeti feltételek halmazának átfedéséből áll.
1. ábra - Centrifugális kompresszor teljesítménygörbéi
A teljesítménygörbe két részből áll: a nyomás-áramlás görbéből és a teljesítmény-áramlás görbéből. A nyomás-áramlási görbe nyomást gyakorol a függőleges tengelyre és az áramlást a vízszintes tengelyre. Az áramlási görbe hatása a függőleges tengelyen és az áramlás a vízszintes tengelyen van. Az egyes vízszintes tengelyek áramlási értékei igazodnak, így az egyes nyomás-áramlási görbéknek megfelelő teljesítmény-áramlási görbével kell rendelkezniük. Vegye figyelembe, hogy a természetes görbe hogyan mozog felfelé és jobbra, amikor a környezeti hőmérséklet csökken. A hatalom és a nyomás piros görbéjét tekintve, az áramlás függvényében, balról jobbra haladva, mindkét görbét metsző függőleges vonal szemlélteti az adott áramlási és környezeti feltételekhez tartozó tervezési nyomást és teljesítményt. Balról jobbra haladva észrevegye, hogyan növekszik először a teljesítmény, amikor a nyomás csökken, majd csökken, amikor tovább mozog jobbra. Ez szemlélteti, hogy a teljesítmény nem arányos közvetlenül a nyomás változásával. Ez a kapcsolat a belső alkatrészek aerodinamikai kialakításán alapul. Néhány sugárirányú járókerékkel működő kompresszor maximális hatékonyságú a görbe tetején, közvetlenül a természetes túlfeszültség előtt. A hátrafelé hajló kialakítás növelheti a hatékonyságot, ha a nyomás csökken, vagy elérheti a csúcshatékonyságot a görbe egy pontján, majd alacsonyabb nyomáson csökkenhet.
A piros nyomás-áramlási görbe alapján megjegyezzük, hogy a nyomás csökkenésével a kompresszor áramlása növekszik. A centrifugális kompresszor a természetes görbéhez viszonyítva teljesít, ha a bemeneti egység 100% -ban nyitva van, vagy annyira, hogy az egység nyitása ne befolyásolja a bemeneti torok nyomását. A maximális állapotban működő kompresszort néha teljes terheléssel működtetik - vagy a görbe aktív részén működő kompresszorra, ahol az áramlás a nyomáshoz képest változik. Az áramlás növekszik, amikor a nyomás csökken, de vegye figyelembe, hogyan változik a görbe lejtése a nyomás csökkenésekor. Végül a görbe aszimptotikusvá válik - egyenesen felfelé és lefelé -, amikor a kompresszor mozgatja a fojtó vagy kőfal néven ismert területet.
Ezen a ponton a cseppnyomás nagyon csekély, vagy nem változik az áramlás vagy a teljesítmény. A teljesítmény nem csökken, ha a kompresszor fojtással vagy annak alatt működik. Amikor a kompresszor fojtószelep van, a sebesség a kompresszor egyes pontjain elérte a hanghatást. Ezt követően a kompresszor a belső nyomást minimális értéken tartja, függetlenül a kompresszor külső ürítési nyomásától. A belső nyomás lényegében csökken a külső nyomáshoz viszonyítva, amíg eléri a minimális belső nyomást. E minimális érték alatt a nyomás a rendszerben csak csökken, miközben a belső nyomás a hangsebesség-határérték által korlátozott minimális értéknél marad.
A felső nyomást korlátozza a kompresszor azon képessége, hogy a kinetikus energiát nyomássá alakítsa. Néhány energiamérlegnél a generált nyomás alacsonyabb, mint a belső nyomás, ez instabilitást okoz, amelyet néha áramlásszabályozásnak vagy túlfeszültségnek hívnak. A kompresszor működése instabil a túlfeszültségnél vagy annak közelében. A nyomásképesség vagy a természetes túlnyomás csak akkor növekszik, ha a belépő levegő sűrűsége növekszik. Ugyanez a jelenség egy minimális stabil áramlási körülménynél fordul elő, amelyet fojtószelep-túlfeszültségnek hívnak. Ha a levegőigény kevesebb, mint a kívánt nyomáshoz szükséges, a bemeneti egység modulálódik, csökkentve a bemeneti torok nyomását és az áramlást. Ezt általában kompresszornak nevezik, amely modulációban, a fojtószelepen vagy állandó nyomáson működik.
A nyomás hatása a centrifugális kompresszor teljesítményére
A görbe aktív részén belüli teljesítmény szempontjából a 2. ábra szemlélteti az áramlás és a teljesítmény részletes változásait a kisülési nyomáshoz viszonyítva.
2. ábra - Minta centrifugális kompresszor teljesítményadatai
A 2. ábra adatai egy meghatározott centrifugális kompresszor tesztelt teljesítményén alapulnak. Ha figyelembe vesszük a kompresszor teljesítményét 121 psig és 111 psig nyomáson, akkor a nyomás 121 psi-re és 111 psig-re történő csökkentése csak 5 lóerővel csökkenti a teljesítményt. Ez kevesebb, mint 0,35 százalékkal csökkenti a tengely teljesítményét. A psig / 0,5 százalékos szabály (az 1. részben: A levegőrendszer nyomása befolyásolja a kompresszor teljesítményét, amely a sűrített levegő bevált gyakorlatainak júliusi kiadásában szerepelt) nem alkalmazandó. Ez előre jelezte volna a hatalom 5 százalékos csökkenését évente 50 000 dolláros becsült megtakarítással, szemben a megvalósított 3000 dollárral. Ebben a példában a megtakarítási becslések nagymértékben eltúlzhatók a tényleges érték több mint tizenszeresére.
Mivel a példában a kompresszor a görbe aktív tartományában működik, az áramlás ~ 100 scfm-re növekszik. Feltéve, hogy az igény változatlan marad, és a kompresszor teljesítménye közvetlenül arányos az áramlás változásával, a kompresszor tengelyének teljesítménye összesen 27 lóerővel, vagyis 1,8 százalékkal csökken. Ez kevesebb, mint a becsült megtakarítások 36% -a, a .5% psig per hüvelykujjszabály alkalmazásával, ami 18 000 dollár megtakarítást eredményez, szemben a helytelenül alkalmazott számítás 50 000 dollárral. Ha a kompresszor rendszerint modulált állapotban működik, a megfelelően behelyezett bemeneti vezető lapátokkal, a tengely teljesítménye 1,7 százalékkal csökken.
Fontos megjegyezni, hogy a csavarkompresszorokkal ellentétben a centrifugális kompresszor modellek száma nem feltétlenül jelenti a kompresszor teljesítményét. Számos különböző járókerék / diffúzor kombináció használható az adott külső öntéshez, kialakításhoz és motorhoz. A járókerék és a diffúzor kombinációját általában a kompresszor „aero” -jának nevezik. Egy adott kompresszor modellszámához több különböző aero csomag használható, és mindegyiknek megvan a maga egyedi teljesítményképessége. Nem lehet általános görbét - vagy akár ugyanazon kompresszor modelljéből származó görbét - használni, kivéve, ha a gyártó igazolja, hogy a kompresszorokat ugyanazon aero használatával gyártották.
Ugyanilyen fontos annak biztosítása, hogy az adatokat helyesbítsék a telephely körülményeinek vagy a feltételeknek egy sorának függvényében, ha a környezeti viszonyok időben változnak. Hivatkozva az 1. ábrára, a három görbe (balról jobbra) a környezeti feltételek adatait mutatja 95 ° F, 70 ° F és 30 ° F hőmérsékleten. Annak alapján, hogy a teljesítménygörbe hogyan változik a hőmérséklet függvényében, nem ritka olyan kompresszorokat találni, amelyek évente több hónapig fojtással működnek. Ez jelentős, mivel a nyomással kapcsolatos energiamegtakarítás becslésekor figyelembe kell venni az időt, a hőmérsékletet és a görbe helyzetét. Ezen adatok nélkül félrevezető lehet a nyomással kapcsolatos megtakarítások becslésére tett kísérlet. Bizonyos esetekben a teljesítmény növekedhet a nyomás csökkentésével.
Centrifugális kompresszorok energiamegtakarítása
Egy adott kompresszor maximális nyomásképessége az aero csomagolásán, a környezeti körülményeken és a mechanikai állapoton alapul. A maximális üzemi nyomást a görbe tetején feltörő kompresszor korlátozza. Ezt a pontot természetes túlnyomásnak nevezzük. Hivatkozva az 1. ábrára, a rózsaszínű vízszintes vonal az állandó nyomásvonalat képviseli. Ha az igény kisebb, mint a kompresszor maximális áramlása, a bemeneti fojtószelepek csökkentik az áramlást. A bemeneti vezető lapátokkal a hatékonyság ésszerűen állandó marad, miközben a kompresszor fojtja. A fojtott teljesítmény átlós vonalként az alsó áramlási görbén látható. A centrifugális kompresszor minimális fojtószelep-áramlása a tervezés alapján korlátozott. Az 1. ábrán balra lévő rózsaszínű vízszintes vonal után a minimális stabil áramlást az a pont diktálja, ahol az állandó nyomásvonal keresztezi a fojtószelep túlfeszültségét. Ha a kompresszor megkísérel korlátozni az áramlást ezen a kereszteződésnél kevesebbnél, akkor a kompresszor megemelkedik. Nyilvánvaló okokból ezt fojtószelep-túlfeszültségnek hívják. A fojtószelep-túlfeszültség-vonal az 1. ábrán látható, mint a kék átlós vonal a nyomás-áramlási ábrán.
Ha a levegőigény kevesebb, mint ez a minimális kényszer, akkor a levegő felesleges mennyisége kerül a légkörbe a minimális stabil áramlás és az igényigény közötti különbség kompenzálására. Sajnos, miután a kompresszor leállította a fojtást, a teljesítmény nem változik. Következésképpen az összes légkör, amely a légkörbe kerül, elveszik. Egy olyan kompresszor esetén, amely gyakran működik, ha a levegő átereszkedik a légkörbe, az alacsonyabb nyomás csökkenti az áramlást, ahol a fojtószelep túlfeszültség lép fel. A vezérlőbeállítások módosítása után a minimális áramlással működő kompresszor még mindig csökkenti az energiát azáltal, hogy növeli a fojtószelep képességét a csökkentett fojtószelep-áramláshoz viszonyítva. Ez csak akkor fordul elő, ha a kompresszor megkerüli a levegőt a légkörbe, és a vezérlők lehetővé teszik a kompresszor számára a bemeneti nyílás modulálását, ami növeli a fojtószelep képességét és csökkenti az energiát. A potenciális megtakarítások számszerűsítéséhez ismételten szükség van a helyszínen korrigált teljesítménygörbékre.
A kompresszornak a fojtószelephez közel történő működtetését korlátozza a vezérlő algoritmusok, az alkalmazott fojtószelep-változó összetettsége és az, hogy a kompresszor PID hurkokat hogyan hangolják a rendszer dinamikájához viszonyítva. Az 1. ábra szemlélteti a kompresszor fojtószelep-határának konzervatív beállítástól hatékonyabbra történő beállításához kapcsolódó energiacsökkentést, a kompresszor PID hurokjának hangolásával, hogy a kompresszor reakciósebessége megegyezzen a kereslet változásának sebességével. A rendszervezérlők beállításával járó teljesítményváltozást úgy lehet megfigyelni, hogy az állandó nyomású vezetékről az 1. ábrán látható két függőleges szaggatott, lila és barna vonalra az 1. ábrán látható. Ennek a kompresszornak az ereje 160 lóerővel csökkent tőkebefektetés nélkül. A kompresszor még mindig megkerüli a levegőt a légkörbe, de az mennyiséget 980 scfm-rel csökkentették, ami a kompresszornak a fojtószelep-túlfeszültség értékéhez közelebbi modulálásához vezetett. Fontos megjegyezni, hogy a fojtószelep-szabályozás határértéke általában okból magas. A magas szintű beállításokat befolyásoló problémák meghatározásához megfelelő kiváltó ok elemzése szükséges. Az Ingersoll Rand mint szervezet, amely több száz centrifugális kompresszorrendszert ellenőrzött fejlett műszaki részletek és elemzések felhasználásával, rájön, hogy a korrekciós intézkedések jelentősen eltérhetnek a rendszerek között. Bizonyos helyzetekben hat számjegyes megtakarítás érhető el, ha egy összetett problémát kijavít egy 100 dolláros befektetéssel. Ezzel szemben a megtakarítások összetett és drága korrekciókat igényelhetnek, amelyek nem indokolhatók.
Centrifugális kompresszor teljesítményének értékelése
Fontos kiemelni, hogy a centrifugális kompresszor teljesítménye idővel drasztikusan megváltozhat a belső alkatrészek mechanikai lebomlása miatt. Bár a forgó egységekkel kapcsolatos fő problémák a megnövekedett vibrációs leolvasásokkal azonosíthatók, a járókerekek és a diffúzorok eróziója jelentősen csökkentheti a centrifugális kompresszor nyomásképességét, megbízhatóságát és hatékonyságát, és elhanyagolható hatással van a rezgésre. Ezért minden centrifugál kompresszor teljesítményét rendszeresen és minden energiamegtakarítási projekt részeként értékelni kell. A sűrített levegő rendszerének minden olyan értékelésénél, amely nem tartalmazza a kompresszor teljesítményének részletes vizsgálatát és elemzését, nem áll rendelkezésre elegendő vagy megkérdőjelezhető adat, és jelezheti az auditor centrifugális kompresszor kompetenciáját.
Fontos megjegyezni, hogy a centrifugális kompresszor korábbi javításai jelentősen megváltoztathatják a teljesítményt. Néhány utángyártott szolgáltató kicseréli a belső repülőgép alkatrészeit, amelyek nem felelnek meg az eredeti kialakításnak. Bizonyos esetekben a komponensek cseréje helyett költségeket lehet megtakarítani a járókerék lapáinak lecsiszolásával és az egységek kiegyensúlyozásával. Ez foglalkozik a rezgésproblémákkal, de drasztikusan megváltoztathatja a teljesítményt.
Az 1. ábrán látható görbére hivatkozva ez a kompresszor képes 135 psig nyomást biztosítani 95 ° F hőmérsékleten. Ha ezt a kompresszort 90 psig egységként értékesítik, akkor sok centrifugális szolgáltató teszteli a természetes túlfeszültség nyomást, és teljesítménytesztnek tekinti azt. Miután sok kompresszor repülési mérnökkel dolgoztunk a centrifugális kompresszor teljesítményének elemzése és a helyszínen nem zavaró vizsgálati eljárások kidolgozásán és ellenőrzésénél, biztonságos azt mondani, hogy lényegesen több van a kompresszor teljesítményének értékelésén, mint a túlfeszültség nyomásának és a rezgés tesztelésén. A szokásos centrifugális kompresszor szolgáltatási feltételezések normálisnak tekintik a tervezési nyomás fölötti 10-15% -nál nagyobb természetes túlfeszültség-hőmérsékletet, hőmérséklettől függetlenül. Következésképpen az 1. ábrán látható kompresszor túlfeszültség-tesztelését és 103 psig-nél nagyobb természetes túlfeszültség-nyomás elérését sok szervezet pozitív igazolásának tekinti a teljesítménynek. Ez nem rosszindulatú szándékkal történik, hanem a cikk elejéhez és a tapasztalatokkal és az észlelt tudással kapcsolatos kérdésekhez kapcsolódik. Csakúgy, mint a félreértett mérnök ártatlanul becsülheti meg a 100 000 dolláros megtakarítást, ha nincs ilyen, sok terepi szakember elvégzi azt, amit mondtak, egy teljesítményteszt, szándékosan elhanyagolva a kompresszor teljesítményét és megbízhatóságát.
--- http: //www.hqcompressor.com
