Как высота влияет на выбор компрессора?

Давайте рассмотрим несколько значительных факторов при выборе компрессора воздуха для установок на большой высоте. Во-первых, это физика давления, температуры и относительной влажности. Во-вторых, это физический размер и мощность рассматриваемого компрессора, будь то тип сдвижного винта с положительным перемещением или динамический центробежный тип. Мы разберем и детализируем каждый из этих факторов.

Формулы и основы

pV = nRT — Уравнение состояния идеального газа

Для атмосферного воздуха значения n и R можно считать постоянными, поскольку воздух близок к идеальному газу.

Это упрощает уравнение до объединенного газового закона (включающего законы Чарльза и Бойля), что позволяет записать:

На практике, сравнивая условия на входе с стандартными условиями:

1. ICFM — Входной кубических метров в минуту (объемный расход)

2. SCFM — Стандартных кубических метров в минуту (определяется при 101,325 кПа, 15°C, 0% относительной влажности, что эквивалентно массовому расходу)

3. T₁ — Температура окружающей среды на объекте, в Кельвинах (°C + 273)

4. Tₛ — Стандартная температура, в Кельвинах (15°C + 273 в нашем случае)

5. P₁ — Атмосферное давление на объекте, в кПа

6. Pₛ — 101,325 кПа при уровне моря (в нашем случае)

7. ΔP — Номинальное падение давления на входном фильтре/трубопроводе, в кПа

8. P_v — Давление паров воды, кПа при T₁

9. RH — Относительная влажность на объекте, %

Факторы, связанные с большой высотой

Основные факторы окружающей среды для определения и выбора мощности компрессора воздуха включают атмосферное давление (P₁) или высоту, температуру входного воздуха (T₁) и относительную влажность (RH) при заданных условиях эксплуатации. Рассмотрим каждый из этих факторов.

Давление: Атмосферное давление уменьшается с увеличением высоты, поскольку плотность воздуха снижается. В том же объеме воздуха содержится меньше молекул или молей. Молекулы или масса являются энергетическим ресурсом для сжатого воздуха. Это означает, что входное давление на компрессор на определенной высоте заметно ниже, чем на уровне моря. Для достижения того же требуемого давления на выходе компрессору приходится работать усерднее, чтобы преодолеть увеличенное отношение давления. Понижение плотности воздуха линейно с увеличением высоты. Этот фактор Pₛ/(P₁ - ΔP) выше может достигать коррекционного коэффициента производительности до 40% выше уровня моря. Атмосферное давление на объекте является наиболее значимым фактором, который необходимо правильно определить.

Температура: С увеличением температуры окружающего воздуха молекулы расширяются, и плотность снижается. Как и при увеличении высоты, в том же объеме воздуха содержится меньше молекул или молей. Понижение плотности воздуха линейно с увеличением температуры и дает абсолютный температурный коэффициент отношения в Кельвинах. Этот фактор T₁/Tₛ выше может привести к коррекционному коэффициенту производительности до 7% выше стандартных условий.

Относительная влажность: С увеличением температуры окружающего воздуха парциальное давление воды также увеличивается. То есть, более теплый воздух способен удерживать больше влаги. Увеличение содержания паров воды экспоненциально. Этот фактор (P_v)(RH) выше может привести к коррекционному коэффициенту производительности до 6% и более выше стандартных условий.

Вода, как правило, несжимаема и не приносит полезного энергетического вклада в систему сжатого воздуха. Ее необходимо удалять. Обычно межступенчатое охлаждение компрессора, последующее охлаждение и дальнейшие осушители сжатого воздуха удаляют большую часть конденсированной влаги, попадающей в компрессор на входе, до того, как она попадет в систему сжатого воздуха.

После сжатия, как одноступенчатого, так и многоступенчатого, и финального охлаждения сжатый воздух все еще 100% насыщен при проектном давлении системы. Оставшееся содержание водяного пара или влаги составляет около 30% от первоначального объема влаги на входе компрессора и должно быть удалено или слито для поддержания сухой системы воздуха. Этот объем воды также является потерей производительности из-за первоначального объема влажного воздуха, поступающего на вход компрессора, и должен быть учтен.

Осушение сжатого воздуха дополнительно снижает содержание водяного пара, помогая избежать конденсации в трубопроводах и приборах системы, а также связанных с этим проблем. Осушители сжатого воздуха разработаны для снижения точки росы при конечном давлении, таким образом, чтобы не происходило дальнейшей конденсации, если температура сжатого воздуха остается выше проектной точки росы системы. Эти значения точки росы давления обычно составляют от -1,7°C до +10°C для систем с охлаждением до 2–10°C (примерно 4% содержания водяного пара остается при -1,7°C) и до -40°C для систем с осушением до силикозных осушителей (примерно 0,1% содержания водяного пара остается).

Мы все знаем основные соображения при выборе размеров, сравнивая номинальную производительность производителя и реальные условия работы на объекте.

Компрессор воздуха подбирается на основе физического объема на входе. Система сжатого воздуха проектируется на основе количества полезной энергии, которая подается в виде массового расхода сжатого воздуха. Относительное сравнение чаще всего очевидно при рассмотрении объема или входных кубических метров в минуту (ICFM) по сравнению с доставляемым массовым расходом, выраженным в стандартных кубических метрах в минуту (SCFM). Существует как минимум полдюжины общих и приемлемых стандартных определений для SCFM, используемых в различных отраслях и разных частях мира. Убедитесь, что вы последовательно оцениваете параметры. В данном обсуждении мы определяем SCFM при условиях 101,325 кПа, 15°C и сухого воздуха.

Рассмотрим пример, включающий все факторы:

Клиент нуждается в компрессоре воздуха на 1000 SCFM, рассчитанном на летний день при 35°C, 80% относительной влажности и высоте 1609 метров, что соответствует 83 кПа. Необходимо рассчитать требуемый ICFM для доставки 1000 SCFM.

Используя вышеуказанное уравнение, получаем:

Итого, выбор компрессора должен быть примерно на 40% больше, чем на уровне моря, чтобы выполнить ту же работу.

Другой способ увидеть эффект водяного пара и относительной влажности — рассмотреть объем конденсата, который необходимо удалить. Для нашего случая при 689 кПа, 35°C и 1000 SCFM получается примерно 2,25 кг конденсата на 1000 кубических метров воздуха, или 1,02 литра в минуту (примерно один литр), или 61,3 литра в час (примерно 23 литра) при входе компрессора.

Вес атмосферного воздуха при 101,325 кПа и 35°C составляет примерно 31,75 кг на 1000 кубических метров. На высоте 1609 метров вес составляет около 26,3 кг.

При 80% относительной влажности эти же 26,3 кг воздуха включают 2,25 кг водяного пара. Таким образом, почти 4% от общего веса входного воздуха приходится на водяной вес, который бесполезен для системы сжатого воздуха и должен быть удален в вышеуказанных количествах.

Заключение

Не стоит экономить на выборе номинального компрессора на 1000 кубических метров в минуту с, возможно, двигателем мощностью 250 кВт. Необходимо рассмотреть компрессор с номинальным ICFM около 1500 m³/мин с двигателем мощностью 350–400 кВт, чтобы получить требуемый массовый расход в 1000 SCFM, доставляемый в систему сжатого воздуха.

Для справки, используя приведенный выше расчет при стандартных условиях 15°C и сухой день на высоте 3048 метров, требование 1000 SCFM потребует компрессора, рассчитанного на 1480 ICFM. Все подборы размеров компрессоров воздуха для вышеупомянутых районов обычно находятся в диапазоне 150% ICFM по отношению к SCFM для эквивалентного массового расхода (полезной энергии сжатого воздуха).

Выбор компрессора для работы на большой высоте

При выборе между винтовыми компрессорами и центробежными компрессорами для установок на большой высоте необходимо учитывать специфические условия местоположения клиента. В то время как центробежные компрессоры часто подбираются с учетом условий конкретного заказчика, винтовые компрессоры обычно проектируются для работы на уровне моря. Поэтому при установке винтового компрессора на большой высоте необходимо пересчитать параметры компрессора, чтобы обеспечить оптимальную и правильную работу в условиях атмосферы.

Винтовые компрессоры с положительным перемещением работают за счет захвата воздуха между двумя взаимозависящими спиральными винтами и уменьшения объема для увеличения давления. Эти компрессоры известны своей эффективностью, надежностью и относительно низкими требованиями к обслуживанию. Они широко используются в различных приложениях, но при работе на большой высоте необходимо внести корректировки для учета пониженного атмосферного давления. Обратите внимание на наш пример, где номинальный ICFM увеличился на 40%.

Центробежные компрессоры работают за счет ускорения воздуха радиально наружу от импеллера и преобразования кинетической энергии в давление. При выборе центробежных компрессоров всегда учитываются такие факторы, как высота и специфические условия на объекте, чтобы обеспечить оптимальную и правильную работу.

При выборе между винтовыми и центробежными компрессорами для установок на большой высоте следует учитывать несколько факторов:

1. Корректировка высоты: Для винтовых компрессоров необходимо внести корректировки, чтобы учесть пониженное атмосферное давление на большой высоте и обеспечить оптимальную работу.

2. Условия конкретного заказчика: Центробежные компрессоры обычно подбираются с учетом специфических условий заказчика, включая высоту, потребление воздуха и другие факторы на объекте.

3. Энергоэффективность: Оцените энергоэффективность каждого типа компрессоров в условиях конкретной эксплуатации заказчика, чтобы минимизировать потребление энергии и эксплуатационные расходы.

4. Требования к обслуживанию: Учтите потребности в обслуживании и связанные с этим расходы для каждого типа компрессоров, чтобы обеспечить надежную работу на протяжении всего срока службы компрессоров.

Размер, площадь и вес винтового компрессора с положительным перемещением значительно увеличиваются с ростом рейтинга ICFM. Динамический центробежный компрессор также увеличивается, но более умеренно. Модель, рама и размер двигателя увеличиваются пропорционально, что напрямую связано с увеличением стоимости. Постарайтесь максимально использовать пределы емкости рамы, чтобы получить необходимый поток.

Операционные факторы на большой высоте включают большее охлаждение для двигателя, требующее двигателей с рейтингом для большой высоты, большее охлаждение VFD и, безусловно, большее воздушное охлаждение для воздушно-охлаждаемых компрессоров. Эти более крупные варианты пакетов и рейтингов необходимо учитывать для получения надежного работающего оборудования.

В заключение, как винтовые, так и центробежные компрессоры воздуха предлагают уникальные преимущества и подходят для различных приложений. При выборе компрессора для установок на большой высоте необходимо учитывать все специфические условия эксплуатации и требования местоположения заказчика, чтобы обеспечить оптимальную и правильную мощность, производительность и эффективность для вашего местоположения.

FAQ

Как влияет большая высота на производительность компрессора?

На большой высоте снижается атмосферное давление и плотность воздуха, что приводит к следующим изменениям в работе компрессора:

1. Уменьшение объема входного воздуха: Меньшая плотность воздуха требует увеличения объема входящего воздуха (ICFM) для достижения той же производительности (SCFM).

2. Повышенная нагрузка на компрессор: Компрессору нужно работать интенсивнее, чтобы достичь необходимого давления, что увеличивает энергопотребление.

3. Необходимость дополнительного охлаждения: Снижение эффективности охлаждения из-за менее плотного воздуха требует усиления систем охлаждения.

4. Снижение общей производительности: Производительность компрессора может снизиться до 40% от уровня моря, требуя выбора более мощного оборудования.

Каково влияние увеличения высоты на производительность одноступенчатых поршневых компрессоров?

Для одноступенчатых поршневых компрессоров большая высота влияет следующим образом:

1. Снижение эффективности сжатия: Меньшая плотность воздуха уменьшает количество воздуха, сжимаемого за один цикл, что снижает производительность.

2. Необходимость увеличения объема входного воздуха: Требуется больший объем входящего воздуха (ICFM) для достижения нужного стандартного объема (SCFM).

3. Увеличение энергопотребления: Для компенсации снижения плотности воздуха нужен более мощный двигатель, что повышает энергозатраты.

4. Больше тепла и износ оборудования: Повышенная нагрузка приводит к большему тепловыделению и ускоренному износу компонентов, требуя частого обслуживания.