Глава 2. Основы: физика сжатого воздуха

У сжатого воздуха странное свойство: за него никто не выставляет счёт. Электричество, газ, вода — на каждый есть счётчик и тариф. Сжатый воздух предприятие производит само из бесплатной атмосферы, и его как бы нет в сметах. Но если посчитать, что стоит его произвести, картина неприятная. По данным Министерства энергетики США, чтобы получить 1 кВт полезной механической работы через пневмосистему, нужно подвести к электродвигателю компрессора около 7–8 кВт электричества. Семь восьмых уходит в тепло, в потери, в утечки. На промышленные компрессоры в США приходится примерно 0,5 % всех выбросов CO₂ и счёт около полутора миллиардов долларов в год за электричество (Compressed Air & Best Practices, 2023). На отдельном предприятии это 8–15 % от общего электробаланса. Грамотная работа с компрессорной снижает эту долю на 20–50 % — это потенциал, многократно подтверждённый аудитами CABP и Compressed Air Challenge.

Из чего складывается эта цена — описывается термодинамикой сжатия. Эта глава вводит понятийный аппарат, на который опираются все расчётные методики книги: давление, температура, влажность, точка росы, работа сжатия, удельный расход. Без них КПД компрессорной остаётся словами; с ними появляется возможность считать.

Сжатый воздух как энергоноситель определяется через четыре параметра состояния: давление, температуру, объём и влажность. Эта глава вводит понятийный аппарат, на который опираются все расчётные методики в последующих главах: подбор компрессора (глава 6), расчёт сети (глава 8), осушка и фильтрация (глава 5), оценка утечек и удельного расхода (глава 14).

Содержание построено от физических величин — к инженерным следствиям. Там, где общепринятая теория допускает упрощения для практических расчётов, упрощение указывается явно с границами применимости.

Параметры состояния воздуха: давление, температура, плотность

Атмосферный воздух — смесь газов, в которой по объёму примерно 78,1 % азота, 20,9 % кислорода, 0,93 % аргона, 0,04 % углекислого газа и переменное количество водяного пара. Для инженерных расчётов сжатия воздух рассматривается как идеальный газ с приведёнными физическими свойствами; погрешность такого приближения в диапазоне рабочих давлений компрессорных установок до 16 бар не превышает 1–2 %.

Состояние идеального газа описывается уравнением Клапейрона:

$$p \times V = m \times R \times T$$

где $p$ — абсолютное давление, Па; $V$ — объём газа, м³; $m$ — масса газа, кг; $R$ — удельная газовая постоянная, для воздуха $R = 287$ Дж/(кг·К); $T$ — абсолютная температура в Кельвинах. Перевод: $T(\text{К}) = t(°\text{C}) + 273{,}15$. То есть 20 °C = 293,15 К. В термодинамических формулах температура всегда в Кельвинах: подстановка градусов Цельсия даёт неправильный знак и абсурдный результат.

▲ Замечание о двух формах газовой постоянной. В учебниках уравнение Клапейрона встречается в двух эквивалентных формах: $p \cdot V = m \cdot R \cdot T$ с удельной $R$ (Дж/(кг·К)) — здесь масса $m$ в кг; и $p \cdot V = n \cdot R_0 \cdot T$ с универсальной $R_0 = 8{,}314$ Дж/(моль·К) — здесь количество вещества $n$ в молях. Связь между ними через молярную массу газа: $R = R_0 / M$. Для воздуха ($M = 29{,}0$ г/моль) удельная $R = 8{,}314 / 0{,}029 = 287$ Дж/(кг·К). В технической литературе и в этой книге используется удельная форма — она работает с массой, которую инженер измеряет напрямую (через массовый расходомер или через произведение объёма на плотность). Молярная форма применяется чаще в химической технологии и аналитической химии.

Из уравнения следуют два практических вывода, которые встречаются в каждой задаче по сжатому воздуху:

При сжатии воздуха в замкнутом объёме ($V = \text{const}$) давление и температура растут пропорционально: $p_1/p_2 = T_1/T_2$. Это объясняет, почему после ступени сжатия воздух всегда нагрет и требует охлаждения перед подачей в сеть.

Один и тот же объём воздуха при разной температуре и давлении содержит разную массу. Поэтому производительность компрессора, выраженная «в кубометрах в минуту», без указания условий приведения — не имеет смысла. Корректные единицы — нм³/мин (по ISO 1217) или кг/мин.

Давление

В практике сжатого воздуха различают три давления:

Абсолютное давление (бар абс., bar(a)) — отсчитывается от вакуума. Используется во всех термодинамических уравнениях.

Избыточное давление (бар изб., bar(g)) — превышение над атмосферным. Это давление показывают манометры на ресивере, регуляторах, точках отбора. В паспорте компрессора и в технологической документации указывается, как правило, избыточное давление.

Атмосферное давление (бар) — давление окружающей среды. Стандартное значение по ISO 2533 — 1,01325 бар на уровне моря при 15 °C; для Минска (отметка ~220 м) среднегодовое значение около 0,988 бар.

Связь между ними:

$$p_{абс} = p_{изб} + p_{атм}$$

▲ Типовая ошибка: подставлять избыточное давление в формулы политропного сжатия или в уравнение Клапейрона. Результат будет занижен на ~14 % при рабочем давлении 7 бар изб. Все расчётные методики этой книги используют абсолютное давление, если иное не оговорено явно.

Перевод единиц давления:

1 бар = 100 кПа = 0,1 МПа = 14,504 psi = 1,0197 кгс/см²
1 МПа = 10 бар = 145,04 psi
1 атм = 1,01325 бар = 14,696 psi
1 psi = 0,06895 бар = 6,895 кПа
1 мм рт.ст. = 133,32 Па = 0,001333 бар

► Практика: на манометрах, поставляемых из стран ЕС, шкала размечена в барах изб.; на манометрах из США — в psi (избыточное по умолчанию). При закупке оборудования из разных регионов проверяйте единицы шкалы — несовпадение приводит к неверной настройке регуляторов и аварийному срабатыванию предохранительных клапанов.

Температура

В термодинамических уравнениях температура всегда абсолютная (по шкале Кельвина). Перевод:

$$T,\ \text{К} = t,\ °\text{C} + 273{,}15$$

Температура воздуха на входе в компрессор (всасывание) — один из определяющих параметров производительности. С её ростом плотность воздуха падает; объёмная производительность остаётся номинальной, а массовая снижается. Производитель указывает производительность по ISO 1217 при температуре всасывания 20 °C. Каждые +10 °C на всасывании дают потерю массовой производительности примерно 3,4 %.

Температура воздуха на нагнетании после ступени сжатия определяется политропным процессом (см. 1.3) и обычно лежит в диапазоне 70–100 °C для маслозаполненных винтовых компрессоров и 150–200 °C для безмасляных. Концевой охладитель снижает её до значений, превышающих температуру окружающей среды на 8–15 °C.

▲ Размещение всаса компрессора над собственным горячим корпусом или у вытяжной шахты повышает температуру всасывания на 10–20 °C и приводит к скрытой потере производительности. Воздухозабор организуется снаружи помещения или из зоны с устойчиво низкой температурой — см. главу 10.

Плотность и нормальные условия

Плотность воздуха $\rho$ при заданных $p$ и $T$:

$$\rho = \frac{p}{R \times T}$$

При стандартных условиях (1,01325 бар абс., 15 °C, относительная влажность 0 %) плотность сухого воздуха равна 1,225 кг/м³. При условиях по ISO 1217 (1 бар абс., 20 °C, 0 %) — 1,189 кг/м³.

Из-за зависимости плотности от давления, температуры и влажности производительность компрессоров приводят к стандартным условиям. В нормативной и технической документации используются три набора:

ISO 1217 (приёмочные испытания компрессоров): 1 бар абс., 20 °C, относительная влажность 0 %. Единица — нм³/мин или м³/мин в условиях ISO 1217.

ГОСТ 2939-63 (стандартные условия для измерений): 760 мм рт.ст. (1,01325 бар абс.), 20 °C, относительная влажность 0 %. Единица — нм³/ч или нм³/мин.

Нормальные физические условия (НФУ, 0 °C и 1,01325 бар) — встречаются в химических и теплотехнических расчётах; в каталогах компрессорного оборудования применяются редко.

▲ Несовпадение базы приведения — частая причина расхождения паспортных и фактических данных по производительности. При сравнении предложений от разных поставщиков фиксируйте единую базу (ISO 1217) и требуйте пересчёта.

Пересчёт между условиями выполняется через уравнение Клапейрона. Объёмная производительность $Q$ при условиях $(p, T)$ пересчитывается к условиям $(p_0, T_0)$:

$$Q_0 = Q \times \frac{p}{p_0} \times \frac{T_0}{T}$$

Полная таблица пересчёта объёмов между ISO 1217, ГОСТ 2939-63 и НФУ — в Приложении А.

Производительность: по условиям всасывания, не на выходе

Это место, где у инженеров и эксплуатантов чаще всего возникает путаница, и где из-за неверной интерпретации цифр недоплачивают деньги, переплачивают за оборудование и неправильно проектируют сеть. Запомните формулировку и держите её перед глазами всю книгу:

■ Производительность компрессора всегда указывается по условиям всасывания. То есть: сколько кубометров атмосферного воздуха машина забирает на входе в единицу времени — а не сколько кубометров сжатого воздуха выходит в сеть.

Это согласуется с международным стандартом ISO 1217 и принято всеми основными производителями (Atlas Copco, Kaeser, Ingersoll Rand, Boge, Sullair, Compair, центробежные машины — отдельная история, см. 2.3). На паспортной табличке компрессора указано, например: «Q = 10 м³/мин, P = 10 бар изб., t = 20 °C». Это означает: компрессор всасывает 10 м³ атмосферного воздуха в минуту при условиях ISO 1217 (1 бар абс., 20 °C, влажность 0 %) и сжимает их до 10 бар избыточного.

Иллюстрация: один и тот же воздух — два разных объёма.

На входе компрессор «глотает» 10 м³ атмосферного воздуха в минуту. На выходе при сжатии в 10 раз получается 1 м³ сжатого воздуха в минуту. В паспорте указано именно 10, а не 1.

Логика простая: масса воздуха сохраняется (никуда не делась), а объём — нет. При сжатии в N раз объём уменьшается в N раз (см. 1.1.3, уравнение pV = mRT). Если на всасе 10 м³, после сжатия до 10 бар изб. (≈11 бар абс.) объём составит примерно 10 / 11 ≈ 0,91 м³. Для практических прикидок в этой книге используется «грубое деление»: при 10 бар выход в 10 раз меньше всаса. При 7 бар — в 7 раз меньше. И так далее.

► Практика. Когда поставщик называет производительность «10 кубов», это автоматически объём по всасу. Если вы хотите узнать, сколько на самом деле литров сжатого воздуха в минуту получит сеть при рабочих 7 бар — делите на 8 (7 бар изб. + 1 бар атм = 8 бар абс). 10 / 8 ≈ 1,25 м³/мин сжатого воздуха при сетевом давлении. На этой цифре проверяется, хватит ли производительности всем потребителям.

▲ Откуда путаница. Бытовое мышление подсказывает: «компрессор выдаёт сжатый воздух, значит производительность — это сколько он выдаёт сжатого». Это логично, но неверно для индустриального стандарта. Если бы производительность указывали по выходу, она зависела бы от давления сети — а конкретного потребителя не зная, у машины не было бы паспортной цифры. Поэтому все привязывают к всасу: условия известны заранее (ISO 1217: 1 бар абс., 20 °C, 0 % влажности), и цифра однозначна.

Эта же логика будет работать дальше — при расчёте сети (глава 8), при подборе компрессора (глава 6), при анализе утечек (глава 14). Везде, где встречается «м³/мин», подразумеваются условия по ISO 1217, то есть условия всасывания.

■ Исключение: центробежные машины. Для них в каталогах часто указывают расход в условиях, согласованных по заказу (давление, температура, влажность). Но даже там — это всас, не выход. Подробно — §3.3.

Влажность воздуха и точка росы

Атмосферный воздух всегда содержит водяной пар. Его количество ограничено температурой воздуха: чем выше температура, тем больше пара может содержаться в единице объёма. Эта зависимость — основа всей логики осушки сжатого воздуха.

Абсолютная и относительная влажность

Абсолютная влажность d — масса водяного пара, приходящаяся на единицу массы сухого воздуха, г/кг сух. возд. (в зарубежной литературе — g/kg).

Относительная влажность $\varphi$ — отношение фактического содержания пара к максимально возможному при той же температуре, выраженное в процентах:

$$\varphi = \frac{p_{пара}}{p_{насыщ}} \times 100\ \%$$

где $p_{пара}$ — парциальное давление водяного пара в воздухе, $p_{насыщ}$ — давление насыщенного пара при той же температуре (определяется по таблицам термодинамических свойств воды; при 20 °C равно 23,4 мбар, при 40 °C — 73,8 мбар).

Атмосферный воздух средней полосы Беларуси имеет среднегодовую относительную влажность 75–80 %. В летний день при 25 °C и φ = 70 % абсолютная влажность составляет около 14 г/кг.

▲ Какие параметры влажности от чего зависят. Параметров влажности в стандартах и каталогах больше шести; путаница между ними — главный источник ошибок в техническом задании. Сводная таблица того, что меняется с давлением и температурой, а что остаётся неизменным:

Принципиально: при сжатии воздуха меняются только величины, привязанные к объёму (абсолютная влажность, относительная влажность, точка росы под давлением). Величины, привязанные к массе или молярной доле (влагосодержание г/кг, атмосферная точка росы, ppm$_{об}$), остаются неизменными — потому что сама масса воды в воздухе при сжатии не меняется. Это объясняет, почему в каталогах генераторов азота указывают ppm$_{об}$, в стандартах сжатого воздуха — точку росы под давлением, а в кондиционировании — относительную влажность: каждый параметр оптимален для своего применения. Подробнее о связи между этими величинами и примерах пересчёта — §4.2.2.

Точка росы

Точка росы (Tр) — температура, до которой нужно охладить воздух при неизменном содержании влаги, чтобы относительная влажность достигла 100 % и пар начал конденсироваться. Это основной параметр качества сжатого воздуха по содержанию влаги (ISO 8573-1, см. главу 3).

Точка росы зависит от давления. Различают:

Точку росы при атмосферном давлении (atmospheric dew point) — для исходного воздуха, до сжатия.

Точку росы под давлением (pressure dew point, PDP) — для сжатого воздуха в сети при рабочем давлении. Это рабочий показатель, к которому привязаны классы качества по ISO 8573-1 и характеристики осушителей.

При сжатии воздуха в N раз парциальное давление водяного пара также растёт в N раз. Это означает, что точка росы под давлением всегда выше, чем при атмосферном давлении. Воздух с Tр = +3 °C под давлением 7 бар изб. при сбросе в атмосферу имеет Tр = −22 °C.

► Практика: при формулировании требований к качеству воздуха в техническом задании всегда указывайте, для какого давления приведена точка росы. Запись «Tр = +3 °C» без оговорки трактуется производителями как точка росы под рабочим давлением — но проверять формулировку обязательно.

▲ Формула пересчёта точки росы между разными давлениями. Когда осушитель паспортизован на давление $p_1$ (типично 7 бар изб.), а сеть работает на давлении $p_2$ — фактическая точка росы под давлением в сети отличается от паспортной. Связь — через парциальное давление водяного пара:

$$p_{пара}(p_2) = p_{пара}(p_1) \times \frac{p_2 + 1}{p_1 + 1}$$

где $p_1$ и $p_2$ — рабочие давления в бар изб. Через эту формулу: давление падает → парциальное давление пара падает → точка росы падает. Численно для типовых давлений сети, если паспорт осушителя «PDP = +3 °C при 7 бар изб.»:

Для PET-выдува (40 бар) и аналогичных применений паспортный PDP = +3 °C при 7 бар становится PDP = +15…+18 °C при 40 бар — то есть осушитель, рассчитанный на «класс 4», на повышенном давлении даёт класс 7. Подбор осушителя для нестандартных давлений — обязательно с пересчётом.

Сколько воды образуется при сжатии

Базовый расчёт. Воздух при 25 °C и относительной влажности 70 % содержит ~14 г воды на 1 кг сухого воздуха. Винтовой компрессор производительностью 5 м³/мин при условиях ISO 1217 за час всасывает примерно 350 кг воздуха, то есть около 4,9 кг воды.

Часть воды конденсируется в концевом охладителе компрессора (60–80 % при охлаждении до +35 °C), часть выпадает в ресивере и магистрали, остаток уносится в сеть. При плановых параметрах работы компрессорной (концевой охладитель + рефрижераторный осушитель с Tр = +3 °C) в сеть поступает воздух, в котором содержание влаги соответствует точке росы под рабочим давлением.

Подробный расчёт количества конденсата с учётом ступеней охлаждения — в главе 9.

■ Класс качества по содержанию влаги — ISO 8573-1; типовая практика для общепромышленной пневматики — класс 4 (Tр ≤ +3 °C при рабочем давлении). Подробно — глава 4.

Работа сжатия. Изотермический, адиабатический и политропный процессы

Сжатие воздуха в компрессоре сопровождается совершением механической работы. Эта работа в конечном счёте превращается в две составляющие: повышение потенциальной энергии давления и тепло. Соотношение между ними зависит от условий теплообмена с окружающей средой и определяет три предельных модели процесса: изотермический, адиабатический и реальный — политропный.

Понимание различий между ними нужно для трёх практических задач:

Оценка минимальной теоретической мощности, требуемой для сжатия (предел эффективности).

Расчёт температуры воздуха после ступени сжатия (для подбора охладителей и оценки температурного режима).

Понимание принципа многоступенчатого сжатия с промежуточным охлаждением.

Изотермический процесс

Идеальный случай: тепло, выделяющееся при сжатии, полностью отводится в окружающую среду. Температура воздуха остаётся постоянной ($T = \text{const}$), уравнение процесса:

$$p \times V = \text{const} \quad (p_1 \times V_1 = p_2 \times V_2)$$

Удельная работа изотермического сжатия 1 кг воздуха от давления $p_1$ до $p_2$:

$$w_{изот} = R \times T \times \ln\left(\frac{p_2}{p_1}\right)$$

где $R = 287$ Дж/(кг·К), $T$ — абсолютная температура воздуха, К; $\ln$ — натуральный логарифм.

Изотермический процесс даёт минимально возможную работу сжатия — это нижний предел потребляемой мощности. В реальной машине его достичь нельзя: интенсивный теплоотвод требует бесконечно медленного процесса. Изотермическая работа используется как эталон при оценке эффективности компрессора (см. главу 6).

Адиабатический процесс

Противоположный предел: теплообмен с окружающей средой полностью отсутствует, всё выделившееся тепло остаётся в воздухе. Уравнение процесса:

$$p \times V^k = \text{const} \quad (p_1 \times V_1^k = p_2 \times V_2^k)$$

где $k$ — показатель адиабаты, для воздуха $k = 1{,}4$.

Температура воздуха после адиабатического сжатия от $p_1$ до $p_2$:

$$T_2 = T_1 \times \left(\frac{p_2}{p_1}\right)^{\frac{k-1}{k}}$$

Для воздуха показатель $(k-1)/k = 0{,}286$. Подставим практические значения: всас при 20 °C ($T_1 = 293$ К), сжатие от 1 до 8 бар абс. (степень сжатия 8):

$$T_2 = 293 \times 8^{0{,}286} = 293 \times 1{,}811 = 531\ \text{К} = 258\ °\text{C}$$

Такая температура воздуха после одноступенчатого адиабатического сжатия объясняет, почему все промышленные компрессоры, начиная с давления 7–8 бар, имеют охлаждение масла и/или промежуточное охлаждение между ступенями. При температуре выше 200 °C масло теряет смазочные свойства, при 250 °C — начинается термическое разложение с образованием отложений.

Удельная работа адиабатического сжатия:

$$w_{адиаб} = \frac{k}{k-1} \times R \times T_1 \times \left[\left(\frac{p_2}{p_1}\right)^{\frac{k-1}{k}} - 1\right]$$

Для сравнения с изотермическим случаем при тех же условиях ($T_1 = 293$ К, $p_2/p_1 = 8$): $w_{изот} \approx 175$ кДж/кг, $w_{адиаб} \approx 239$ кДж/кг. Адиабатическое сжатие требует на 36 % больше работы. Эта разница — энергия, ушедшая в нагрев воздуха.

Политропный (реальный) процесс

Процесс в реальном компрессоре проходит между двумя пределами: часть тепла отводится через стенки цилиндра и охлаждающий контур, часть остаётся в воздухе. Описывается уравнением политропы:

$$p \times V^n = \text{const}$$

где $n$ — показатель политропы, лежит в диапазоне от 1 (изотермический предел) до $k = 1{,}4$ (адиабатический предел). Для реальных воздушных компрессоров $n$ обычно принимают:

Поршневой одноступенчатый компрессор с воздушным охлаждением — n ≈ 1,30…1,35.

Поршневой с водяным охлаждением — n ≈ 1,25…1,30.

Винтовой маслозаполненный — n ≈ 1,15…1,25 (масло выполняет роль интенсивного теплоносителя внутри камеры сжатия).

Винтовой безмасляный — n ≈ 1,35…1,40 (нет внутреннего охлаждения).

Центробежный — n ≈ 1,40 для одной ступени без охлаждения.

Температура и удельная работа в политропном процессе рассчитываются по тем же формулам, что и для адиабатического, с заменой $k$ на $n$:

$$T_2 = T_1 \times \left(\frac{p_2}{p_1}\right)^{\frac{n-1}{n}}$$

$$w_{полит} = \frac{n}{n-1} \times R \times T_1 \times \left[\left(\frac{p_2}{p_1}\right)^{\frac{n-1}{n}} - 1\right]$$

► Практика: подставив паспортные данные компрессора (температура нагнетания при заданном давлении) в формулу для $T_2$, можно вычислить фактический показатель политропы $n$ для конкретной машины и далее — её термодинамический КПД. Это часть методики приёмочных испытаний по ISO 1217 (см. главу 6 и главу 14).

Многоступенчатое сжатие с промежуточным охлаждением

Из формулы $T_2 = T_1 \times (p_2/p_1)^{(n-1)/n}$ видно, что температура нагнетания растёт со степенью сжатия. При сжатии до 10 бар изб. (степень 11) в одну ступень температура для адиабатического процесса достигает ~310 °C — недопустимо много. Решение — разбиение сжатия на ступени с охлаждением воздуха между ними.

При двухступенчатом сжатии от $p_1$ до $p_3$ оптимальное промежуточное давление, минимизирующее суммарную работу при одинаковых температурах на входе каждой ступени, определяется как среднее геометрическое:

$$p_2 = \sqrt{p_1 \times p_3}$$

Для сжатия от 1 до 10 бар абс. оптимальное промежуточное давление $p_2 = \sqrt{10} \approx 3{,}16$ бар абс. (≈ 2,16 бар изб.). Степени сжатия по ступеням получаются одинаковыми: 3,16. Соответствующая температура нагнетания при адиабатическом процессе и охлаждении после первой ступени до 30 °C:

$$T_2 = 303 \times 3{,}16^{0{,}286} = 303 \times 1{,}388 = 421\ \text{К} = 148\ °\text{C}$$

Сравните с 310 °C при одноступенчатом сжатии — разница принципиальная для долговечности оборудования.

■ Промежуточное охлаждение обязательно для всех компрессоров, работающих на давлении выше 8–10 бар изб. На рабочих давлениях 6–8 бар винтовые компрессоры выпускаются одноступенчатыми за счёт интенсивного охлаждения через масло; поршневые — обычно двухступенчатые уже от 8 бар.

Подробное рассмотрение типов компрессоров и их термодинамических схем — в главе 3. Расчёт мощности привода с учётом термодинамического и механического КПД — в главе 6.

КПД компрессора и удельный расход электроэнергии

Между теоретической работой сжатия и фактически потребляемой электроэнергией стоят два уровня потерь: термодинамические (отклонение реального процесса от идеального) и механические (трение в подшипниках, привод вспомогательных систем, нагрев обмоток электродвигателя). Их учитывают через систему КПД.

Изотермический и адиабатический КПД

Изотермический КПД — отношение минимальной теоретической (изотермической) работы к фактической работе, подведённой к валу компрессора:

$$\eta_{изот} = \frac{w_{изот}}{w_{факт}}$$

Используется для медленных процессов с интенсивным охлаждением: поршневых машин с водяным охлаждением, многоступенчатых установок с межступенчатыми холодильниками. Типовые значения для современных промышленных компрессоров — 0,55…0,70.

Адиабатический (изоэнтропийный) КПД — отношение работы идеального адиабатического процесса к фактической:

$$\eta_{адиаб} = \frac{w_{адиаб}}{w_{факт}}$$

Применяется для машин без промежуточного охлаждения: центробежных, винтовых на номинальной нагрузке, поршневых одноступенчатых. Типовые значения — 0,70…0,85.

▲ При сравнении предложений разных производителей сверяйте, по какому КПД приводятся данные. Цифра «КПД 80 %» сама по себе не означает одинаковую эффективность: адиабатический 80 % и изотермический 80 % соответствуют машинам с разной потребляемой мощностью.

Механический и общий КПД

Полный путь энергии от электросети до сжатого воздуха:

Электросеть

↓ $\eta_{двиг} = 0{,}92…0{,}96$

Вал электродвигателя

↓ $\eta_{мех} = 0{,}95…0{,}98$

Вал компрессорной ступени

↓ $\eta_{адиаб}$ (или $\eta_{изот}$)

Полезная работа сжатия

Общий (электрический) КПД установки:

$$\eta_{общ} = \eta_{двиг} \times \eta_{мех} \times \eta_{адиаб}$$

Для современного винтового маслозаполненного компрессора $\eta_{общ}$ обычно лежит в диапазоне 0,65…0,75; для центробежного с большим расходом — до 0,80; для бытового и полупромышленного поршневого — 0,50…0,60.

Удельный расход электроэнергии

Главный эксплуатационный показатель эффективности компрессорной — удельный расход электроэнергии $w$, кВт·ч на 1 м³ выработанного сжатого воздуха при заданном давлении:

$$w_{уд} = \frac{P_{потр}}{Q} \quad \left[\frac{\text{кВт·ч}}{\text{м}^3}\right] = \frac{[\text{кВт}]}{[\text{м}^3/\text{ч}]}$$

где $P_{потр}$ — фактическая электрическая мощность, потребляемая компрессорной установкой, кВт; $Q$ — фактическая производительность, м³/ч при условиях ISO 1217.

Ориентиры для рабочего давления 7 бар изб.:

Современный винтовой маслозаполненный компрессор с прямым приводом и постоянной производительностью — 0,100…0,115 кВт·ч/м³.

Винтовой с частотным регулированием (VSD), работающий в рабочем диапазоне 40–90 % номинала, — 0,095…0,110 кВт·ч/м³.

Винтовой безмасляный двухступенчатый — 0,115…0,130 кВт·ч/м³.

Поршневой одноступенчатый — 0,130…0,160 кВт·ч/м³.

Центробежный (для крупных потребителей от 30 м³/мин) — 0,090…0,105 кВт·ч/м³.

► Практика: удельный расход — единственный показатель, который имеет смысл сравнивать между компрессорными разной мощности и разных производителей. Цены за киловатт мощности или за единицу производительности при сопоставлении неинформативны. Удельный расход — основа экономического обоснования (см. главы 14, 15, Ж).

Удельный расход — нормируемый показатель по форме 12-ТЭК (см. §Ж.2). Перерасход относительно нормы, утверждённой по предприятию, относится к сверхнормативным затратам и при исчислении налога на прибыль не учитывается (подп. 1.7 п. 1 ст. 131 Особенной части Налогового кодекса РБ; детально — §Ж.8).

Резюме главы

Что нужно унести из главы 2 в практическую работу:

В термодинамических уравнениях используется абсолютное давление и абсолютная температура. Манометрическое (избыточное) давление — только в технологических документах и на шкалах приборов.

Производительность всегда приводится к стандартным условиям. Базовая для практики Беларуси и ЕАЭС — ISO 1217 (1 бар абс., 20 °C, 0 % влажности). Без указания базы цифры производительности несопоставимы.

Точка росы под рабочим давлением (PDP) — единственная корректная форма указания влажности сжатого воздуха. Точка росы при атмосферном давлении и относительная влажность для сжатого воздуха в сети не применяются.

При сжатии 1 м³ атмосферного воздуха при 25 °C и относительной влажности 70 % в воздух поступает ~14 г воды на 1 кг сухого воздуха. Большая часть конденсируется в концевом охладителе и осушителе, остаток уносится в сеть.

Реальный процесс сжатия — политропный, между изотермическим и адиабатическим пределами. Показатель политропы n зависит от типа машины: винтовой маслозаполненный — 1,15…1,25; поршневой — 1,25…1,35; безмасляный винтовой и центробежный — 1,35…1,40.

Температура нагнетания при одноступенчатом сжатии с давлением выше 8–10 бар недопустимо высока. Стандартная мера — многоступенчатое сжатие с промежуточным охлаждением. Оптимальное промежуточное давление равно среднему геометрическому начального и конечного.

Главный эксплуатационный показатель — удельный расход электроэнергии, кВт·ч/м³. Используется при подборе компрессора (глава 6), оценке потерь (глава 14), нормировании ТЭР (глава 13), отчётности по 12-ТЭК (см. §Ж.2).

Глава 3 разбирает конкретные типы компрессоров — винтовые, поршневые, центробежные, спиральные, роторно-пластинчатые — с привязкой к термодинамическим показателям, введённым здесь.