Расчет мощности безмасляного воздушного компрессора: исчерпывающее руководство по показателям CFM, PSI и рабочему циклу

Выбор безмасляного воздушного компрессора подходящей мощности — одно из самых важных решений, которые приходится принимать руководителю промышленного предприятия при выборе оборудования. Агрегат недостаточной мощности приводит к постоянным перепадам давления, что существенно снижает производительность. Агрегат, выбранный с избыточной мощностью, приводит к ненужным энергозатратам на сумму в десятки тысяч долларов в течение всего срока службы. В основе этого решения лежат три технических параметра — CFM, PSI и рабочий цикл — которые в процессе закупки часто неправильно понимаются, чрезмерно упрощаются или вовсе игнорируются. Настоящее руководство представляет собой методичную и технически обоснованную основу для расчета размера безмасляный воздушный компрессор чтобы ваше предприятие получало именно тот объем сжатого воздуха, который ему необходим, без дорогостоящих отклонений в ту или иную сторону.

Чтобы правильно подобрать безмасляный воздушный компрессор, необходимо рассчитать общую потребность в воздухе в кубических футах в минуту (CFM) для всех пневматических инструментов и оборудования, работающих одновременно, определить минимальное рабочее давление в фунтах на квадратный дюйм (PSI), требуемое для вашего наиболее чувствительного к давлению применения, и выбрать компрессор с номинальным рабочим циклом, превышающим ваш фактический режим эксплуатации — с учетом запаса прочности от 20% до 25%, а также высоты над уровнем моря, температуры и потерь в трубопроводах.

Неправильный выбор любого из этих трех параметров влечет за собой цепную реакцию, затрагивающую всю систему сжатого воздуха. Ошибка в расчете CFM приводит к остановке инструментов. Неправильная оценка PSI — к нестабильному качеству продукции. Несоответствие рабочего цикла приводит к преждевременному износу, перегреву и незапланированным простоям, которые не сможет покрыть ни один бюджет на техническое обслуживание. Хорошая новость заключается в том, что расчет параметров безмасляного компрессора — это повторяемая инженерная задача, а не дело догадок. В данной статье каждый параметр методично разбивается на составляющие, приводятся расчетные таблицы и рассматриваются реальные переменные — такие как высота над уровнем моря, температура окружающей среды, диаметр трубопроводов и схемы одновременного использования — которые отличают теоретически правильные технические характеристики от тех, которые действительно работают в производственных условиях. Оглавление данного руководства приведено ниже.

Оглавление

• Что такое CFM и почему это самый важный фактор при расчете размеров
• Как рассчитать давление в PSI, необходимое для вашего безмасляного компрессора
• Что такое рабочий цикл и почему он определяет срок службы компрессора
• Как подобрать безмасляный компрессор для конкретной области применения
• Распространенные ошибки при подборе размера, приводящие к преждевременному выходу компрессора из строя
• Безмасляные и масляные системы: факторы, влияющие на выбор размера для каждой технологии

Что такое CFM и почему это самый важный фактор при расчете размеров

CFM (кубические футы в минуту) — это объемный расход сжатого воздуха, подаваемого компрессором при заданном давлении. Это самый важный параметр при расчете мощности, поскольку каждый пневматический инструмент, привод и технологический процесс на вашем предприятии потребляет воздух с определённой скоростью в CFM — и компрессор должен обеспечивать поток не меньший, чем этот показатель, с учётом одновременного использования, утечек и будущего расширения производства.

Определение CFM: рабочий объём и подаваемый объём

Важное различие, которое упускают из виду многие покупатели, приобретающие компрессор впервые, заключается в разнице между номинальным расходом воздуха (CFM) и фактическим расходом воздуха — также известным как «пропускная способность в свободном воздухе» (FAD). Номинальный расход воздуха (CFM) представляет собой теоретический объем воздуха, всасываемого в впускное отверстие компрессора при атмосферном давлении, рассчитанный на основе геометрии поршня или размеров винтовых роторов. Фактический расход воздуха (CFM) — это объем воздуха, который действительно выходит из нагнетательного патрубка компрессора с учетом внутренних потерь, тепловыделения при сжатии и потерь, связанных с зазорами. Разница между этими двумя показателями может быть значительной: компрессор с номинальным рабочим объемом 100 CFM может обеспечивать фактический расход воздуха всего от 75 до 85 CFM при рабочем давлении. При подборе размера вашего безмасляный воздушный компрессор, всегда руководствуйтесь показателями FAD, а не значениями рабочего объёма. Это особенно важно для безмасляных машин, у которых более высокие рабочие температуры могут ещё больше снизить объёмную эффективность по сравнению с их масляными аналогами.

Начальные условия и их влияние на CFM

Номинальная производительность любого компрессора в кубических футах в минуту (CFM) указывается при стандартных условиях на входе — как правило, 68 °F (20 °C), 14,7 psia (на уровне моря) и относительной влажности 0%. При отклонении условий на входе от этих базовых значений фактическая производительность в кубических футах в минуту (CFM) значительно изменяется:

Для объектов, расположенных на большой высоте над уровнем моря — например, производственных предприятий в Денвере, Мехико или Боготе — перед сравнением номинальной производительности компрессора (в кубических футах в минуту, CFM) с потребностью инструмента необходимо применить понижающий коэффициент. Компрессор с номинальной производительностью 100 кубических футов в минуту на уровне моря на высоте 5 000 футов фактически становится агрегатом с производительностью 83 кубических футов в минуту. Если потребность вашего инструмента составляет 85 кубических футов в минуту, то этот агрегат с номинальной производительностью 100 кубических футов в минуту на уровне моря не сможет работать на высоте.

Составление таблицы расчета потребности в CFM

Правильный подход к расчету общей потребности в CFM является методичным и основанным на принципе «снизу вверх». Он начинается с инвентаризации всех пневматических устройств на объекте, а не только крупных. Применение приведенной ниже методологии позволяет получить оценку потребности, достаточно точную для принятия решений о закупках.

Шаг 1: Составьте список всех пневматических потребителей. Включите в список производственное оборудование, автоматические клапаны, пневматические ножи, сопла для продувки, пневматические цилиндры, пневматические насосы, а также любые технологические процессы, в которых используется сжатый воздух. Не забудьте про инструменты, используемые в ремонтной мастерской, даже если они применяются нечасто.

Шаг 2: Определить расход воздуха в кубических футах в минуту (CFM) для каждого устройства при его рабочем давлении. Эту информацию можно найти в технических паспортах производителя. Если указано только значение в SCFM (стандартных кубических футах в минуту), пересчитайте его в фактические кубические футы в минуту при вашем рабочем давлении по формуле:

ACFM = SCFM × (14,7 / (P + 14,7)) × ((T + 460) / 520)

Где P — давление по манометру в psig, а T — температура окружающей среды в °F.

Шаг 3: Примените коэффициент одновременного использования. Не все станки работают одновременно. Реалистичный коэффициент одновременного использования (также называемый коэффициентом разнообразия) для большинства типовых производственных сред составляет от 0,60 до 0,85. Для специализированных предприятий, таких как автомобильные сборочные заводы, он может приближаться к 0,90. Для производственных цехов с периодическим использованием инструментов может быть уместен коэффициент 0,50.

Шаг 4: Добавьте коэффициент утечки. Утечка сжатого воздуха в хорошо обслуживаемой системе в среднем составляет от 10% до 15% от общего потребления. На старых объектах утечки могут превышать 30%. По возможности проведите ультразвуковое обследование на наличие утечек; если это невозможно, заложите в расчет коэффициент утечки, равный 15%.

Шаг 5: Предусмотрите запас на рост. Запас мощности от 15% до 25% обеспечивает возможность будущего увеличения объемов производства без необходимости установки нового компрессора.

Пример расчета CFM для небольшого производственного объекта

В данной ситуации компрессор с номинальной производительностью около 100 куб. футов в минуту (CFM) будет как минимум достаточным, однако агрегат производительностью 125 куб. футов в минуту (CFM) обеспечит комфортный запас мощности и позволит без риска падения давления справиться с умеренным увеличением нагрузки.

Как рассчитать давление в PSI, необходимое для вашего безмасляного компрессора

PSI (фунты на квадратный дюйм) — это выходное давление, при котором компрессор подает воздух в систему. Правильное значение PSI определяется путем выявления максимального требуемого давления среди всего подключенного оборудования, с последующим добавлением запаса на перепад давления в трубопроводах, потери в фильтрах и осушителях, а также запаса на регулирование — в результате чего заданное давление в системе обычно устанавливается на 15–25 PSI выше максимального требуемого давления для инструмента.

Разница между рабочим давлением и давлением в системе

Распространенной ошибкой является непосредственное соотнесение номинального давления компрессора с максимальным требованием к инструменту. Если станок с ЧПУ требует давления 90 PSI, то, согласно такому подходу, следует выбрать компрессор на 90 PSI. Такой подход гарантированно приведет к недостаточной производительности. Каждый компонент между выпуском компрессора и входом в инструмент приводит к потере давления: доохладители, осушители, фильтры, регуляторы, смазочные устройства, трение в трубопроводах, фитинги и быстроразъемные соединения — все они вызывают падение давления. Хорошо спроектированная система распределения сжатого воздуха с трубопроводами подходящего размера и в надлежащем техническом состоянии оборудование для подготовки сжатого воздуха Как правило, давление падает на 5–10 PSI от выхода компрессора до точки использования. В плохо спроектированной системе с трубопроводами недостаточного сечения потери давления могут достигать 20 PSI и более.

Расчет перепада давления: систематический подход

Падения давления суммируются, поэтому их необходимо учитывать при проектировании, а не выявлять уже после монтажа. В приведенной ниже таблице указаны типичные диапазоны падений давления для каждого компонента системы:

Пример расчета баланса давления

Предположим, что наиболее требовательный к давлению инструмент на предприятии требует давления 90 PSI на входе:

С учетом округления до стандартного заданного значения данная установка должна работать при давлении на выходе компрессора от 120 до 125 PSI. Выбор агрегата с давлением 150 PSI при том, что требуется всего 117 PSI, приводит к перерасходу энергии — каждые 2 PSI избыточного давления увеличивают энергопотребление компрессора примерно на 1%.

Энергетические затраты, связанные с избыточным давлением

Давление обходится дорого. Повышение давления в системе на 10 PSI для компрессора мощностью 100 HP, работающего 6 000 часов в год при тарифе $0,10/кВт·ч, приводит к увеличению годового счета за электроэнергию примерно на $4 500. За 10-летний срок службы это составляет $45 000 в виде ненужных затрат на электроэнергию. Решение о выборе мощности, принятое вами сегодня, сказывается на расходах каждый месяц, в течение которого работает компрессор.

Одноступенчатые и двухступенчатые безмасляные компрессоры

Безмасляные винтовые компрессоры, как правило, выпускаются в одноступенчатых конфигурациях для давления до 125–150 PSI и в двухступенчатых — для более высоких значений давления. Одноступенчатые агрегаты сжимают воздух от атмосферного давления до конечного за один этап, что делает их более энергоэффективными для применений с давлением ниже 125 PSI. Двухступенчатые агрегаты используют промежуточный охладитель между ступенями, что повышает эффективность при более высоких давлениях, но увеличивает сложность конструкции и стоимость. Для большинства областей применения в общем производстве, пищевой и напиточной промышленности, фармацевтике и электронике одноступенчатые безмасляные компрессоры, работающие в диапазоне 100–125 PSI, обеспечивают оптимальный баланс производительности и энергоэффективности.

Что такое рабочий цикл и почему он определяет срок службы компрессора

Рабочий цикл — это процент времени, в течение которого компрессор может безопасно работать в течение заданного периода (обычно 10 минут) без риска перегрева или ускоренного износа. Рабочий цикл 100% означает, что компрессор может работать непрерывно без перерывов. Для промышленных безмасляных компрессоров рабочий цикл 100% является обязательным требованием для любых применений, предполагающих постоянную потребность в воздухе. Выбор компрессора с недостаточным рабочим циклом приводит к тепловой перегрузке, выгоранию двигателя и резкому сокращению срока службы.

Объяснение классификации рабочих циклов

Рабочие циклы компрессоров подразделяются на три основные категории, и различие между ними является одним из важнейших факторов при подборе оборудования для конкретной области применения:

Для любого применение сжатого воздуха в промышленности если время безотказной работы оборудования зависит от наличия сжатого воздуха, допустим только рабочий цикл 100%. Компрессор с номинальным рабочим циклом 75%, работающий в непрерывном режиме, в течение нескольких минут превысит пределы своей тепловой нагрузки, что приведет к срабатыванию защиты от тепловой перегрузки или — что еще хуже — к ухудшению состояния изоляции обмотки и смазки подшипников, пока не произойдет катастрофический отказ.

Как рабочий цикл связан с расходом воздуха (CFM) и размером резервуара

Существует распространенное заблуждение, что большой расширительный бачок может компенсировать низкий рабочий цикл компрессора. Хотя увеличение объема расширительного бачка может сгладить кратковременные скачки нагрузки, оно не способно превратить компрессор с прерывистым режимом работы в агрегат непрерывного действия. Двигатель компрессора по-прежнему работает для пополнения резервуара, и если он рассчитан на рабочий цикл 70%, он всё равно будет перегреваться при работе более 7 минут из каждых 10, независимо от размера резервуара.

Логика правильного определения размера осуществляется в следующем порядке:

1. Рассчитайте общую потребность в CFM при требуемом давлении в PSI.
2. Если нагрузка носит непрерывный или почти непрерывный характер, выберите компрессор с номинальным рабочим циклом 100%.
3. Размер буферного резервуара следует рассчитывать с учетом пиковых переходных нагрузок, превышающих стационарную производительность компрессора, а не для компенсации недостаточной мощности компрессора.

Резервуар-накопитель, рассчитанный на соответствующий расход, обеспечивает объем хранения от 1 до 3 галлонов на каждый кубический фут в минуту (CFM) производительности компрессора, в зависимости от колебаний потребности. На объектах с сильно колеблющейся потребностью — например, где используются крупные пневматические инструменты, работающие с перерывами, — следует ориентироваться на верхнюю границу этого диапазона.

Привод с регулируемой скоростью и рабочий цикл

Безмасляные компрессоры, оснащенные технологией привода с регулируемой частотой вращения (VSD), регулируют частоту вращения двигателя — и, следовательно, производительность в кубических футах в минуту (CFM) — в режиме реального времени в соответствии с потребностью в воздухе. Эта возможность имеет значительное влияние на выбор размера оборудования и рабочий цикл:

• Компрессор с переменным рабочим объемом (VSD) способен эффективно работать в широком диапазоне регулирования, как правило, от 20% до 100% от максимальной производительности.
• Благодаря функции плавного пуска двигателей с частотно-регулируемым приводом (VSD) удается избежать высокого пускового тока, характерного для циклов запуска и остановки с фиксированной скоростью, что снижает требования к электросетевой инфраструктуре.
• Поскольку агрегаты VSD регулируют мощность, а не работают в режиме циклического включения-выключения, при работе с частичной нагрузкой они подвергаются меньшим тепловым нагрузкам и механическому износу.

Для предприятий, на которых в течение смен или производственных циклов наблюдается широкий диапазон потребностей в воздухе (CFM), безмасляный компрессор с частотно-регулируемым приводом (VSD), рассчитанный на мощность, близкую к среднему значению ожидаемого спроса, может обеспечить как эксплуатационную гибкость, так и значительную экономию энергии по сравнению с агрегатом с фиксированной скоростью, рассчитанным на пиковую нагрузку.

Как подобрать безмасляный компрессор для конкретной области применения

Различные отрасли предъявляют принципиально разные требования к системам сжатого воздуха. Безмасляный компрессор, правильно подобранный для линии по упаковке пищевых продуктов, может оказаться совершенно неподходящим для чистой комнаты на фармацевтическом производстве или для линии сборки электроники. Для подбора оборудования с учетом конкретных условий эксплуатации необходимо учитывать не только показатели CFM и PSI, но и класс качества воздуха, точку росы, предельные значения содержания твердых частиц, а также все соответствующие нормативные стандарты.

Рекомендации по подбору размера для конкретных приложений

Переработка продуктов питания и напитков

Сжатый воздух пищевого назначения должен соответствовать требованиям стандарта ISO 8573-1 класса 2.2.1 или выше, что подразумевает строгие ограничения по содержанию масляного аэрозоля, твердых частиц и влажности. Помимо расчета по показателям CFM и PSI, оборудование для подготовки сжатого воздуха Необходимо указать тип цепи, обеспечивающий подачу воздуха, пригодного для прямого и косвенного контакта с пищевыми продуктами. Типичные требования:

• Фильтрация твердых частиц до 0,01 микрона с помощью коалесцирующего фильтра
• Точка росы под давлением +3 °C (37 °F) при использовании холодосушителя для общего назначения или -40 °C (-40 °F) при использовании адсорбционного сушителя для критически важных применений
• Фильтрация с использованием активированного угля для удаления паров масла и запахов
• Трубопровод из нержавеющей стали, проложенный ниже сушилки, для предотвращения внутренней коррозии

При расчете мощности CFM для пищевой промышленности необходимо учитывать прерывистое, но одновременное использование нескольких пневматических приводов на упаковочных линиях, розливных машинах, укупорочных машинах и этикетировочных машинах. Для высокоскоростных упаковочных линий типичным является коэффициент разнообразия в диапазоне от 0,80 до 0,90.

Фармацевтическое производство

Фармацевтический сжатый воздух относится к числу самых требовательных с точки зрения чистоты. Обычно предписывается соответствие стандарту ISO 8573-1 класса 1.2.1 или класса 0. Сам безмасляный компрессор — сертифицированный по стандарту ISO 8573-1 класса 0 по содержанию масла — является лишь отправной точкой. Последующая очистка должна обеспечивать точку росы под давлением на уровне -40 °C или ниже, чтобы предотвратить любой потенциальный рост микроорганизмов в распределительных трубопроводах. При расчете мощности также необходимо учитывать расход воздуха на продувку безтепловых или нагреваемых адсорбционных осушителей, которые могут потреблять от 10% до 18% номинальной производительности компрессора для регенерации. Если для технологического процесса требуется 250 кубических футов в минуту чистого сухого воздуха, а адсорбционный осушитель потребляет 15% на продувку, компрессор должен подавать примерно 294 кубических футов в минуту на входе в осушитель.

Производство электроники и полупроводников

Сжатый воздух, используемый в производстве электроники, должен быть исключительно чистым и сухим. Минимальным стандартом является ISO 8573-1, класс 1.2.1, при этом многие полупроводниковые заводы требуют класса 0.1.1 или выше. Предельные значения содержания твердых частиц измеряются с точностью до 0,1 микрона, а точка росы под давлением должна составлять -70 °C (-94 °F) или ниже — что достижимо только с помощью адсорбционных осушителей. При подборе оборудования для электронной промышленности необходимо учитывать:

• Высокий расход воздуха для продувки осушителей с точкой росы -70 °C (до 20% от номинального расхода)
• Потребность в CFM для нескольких одновременно работающих машин типа «pick-and-place», тестовых манипуляторов и систем автоматического оптического контроля
• Строго стабильная подача давления — машины для установки полупроводниковых компонентов (SMT) особенно чувствительны к колебаниям давления

Производство азота

Установки, производящие азот на месте с использованием технологии PSA или мембранной технологии, нуждаются в сжатом воздухе в качестве исходного сырья. Потребность в воздухе у система генерации азота обычно составляет от 2,5 до 7,0 раз больше объема производимого азота, в зависимости от требуемой степени чистоты. Для установки, производящей 100 кубических футов в минуту (CFM) азота чистоты 99,999%, может потребоваться от 500 до 700 кубических футов в минуту (CFM) сжатого воздуха под давлением от 8 до 10 бар. Компрессор должен рассчитываться с учётом этого коэффициента, а не на основе объёма производимого азота, что делает производство азота одним из самых компрессороемких процессов в промышленности.

Справочная таблица по подбору размеров приложений

Распространенные ошибки при подборе размера, приводящие к преждевременному выходу компрессора из строя

К наиболее распространённым ошибкам при расчёте мощности, приводящим к преждевременному выходу компрессора из строя, относятся: покупка оборудования с ориентацией на мощность в лошадиных силах, а не на расход воздуха в кубических футах в минуту (CFM); игнорирование понижения мощности в зависимости от высоты над уровнем моря; недооценка потерь на утечки; допущение, что все инструменты работают одновременно; а также неучет падения давления в системах очистки воздуха — каждая из этих ошибок может снизить эффективную производительность системы на 15%–40%.

Ошибка № 1: выбор компрессора по мощности в лошадиных силах

Лошадиная сила — это номинальная мощность на входе, а не на выходе. Два разных компрессора мощностью 50 HP от разных производителей могут обеспечивать существенно разные значения производительности в кубических футах в минуту (CFM) при одном и том же давлении, что зависит от эффективности воздушного блока, эффективности двигателя, потерь в приводе и оптимизации конструкции. Высокоэффективный безмасляный компрессор мощностью 50 HP может обеспечивать производительность 200 CFM при давлении 125 PSI, в то время как модель с более низким КПД обеспечивает лишь 170 CFM. Разница — 30 CFM — эквивалентна потреблению нескольких пневматических инструментов или целой упаковочной машины. Всегда ориентируйтесь на фактическую производительность (CFM) при требуемом давлении, а не на мощность двигателя в лошадиных силах.

Ошибка № 2: Неучёт влияния высоты над уровнем моря

Как подробно описано в разделе «CFM», с увеличением высоты над уровнем моря плотность воздуха снижается, а значит, уменьшается и производительность компрессора. Предприятие, расположенное на высоте 4 000 футов, которое приобретает компрессор с номинальной производительностью 150 CFM на уровне моря, фактически получает лишь около 128 CFM. Если расчетная потребность оборудования составляет 135 CFM, система будет постоянно испытывать дефицит подаваемого воздуха. Решением может служить либо выбор компрессора большей мощности с номинальной производительностью на уровне моря, скорректированной с учетом высоты над уровнем моря, либо сотрудничество с производителем, предоставляющим кривые производительности с поправкой на высоту над уровнем моря.

Ошибка № 3: Недооценка нагрузки, связанной с утечками

Утечки сжатого воздуха — это невидимые и бесшумные «похитители» энергии. Даже одно отверстие диаметром 1/8 дюйма в трубопроводе сжатого воздуха при давлении 100 PSI приводит к утечке примерно 25 CFM. За год непрерывной работы эта единственная утечка обходится примерно в $3,500 на электроэнергию. Промышленные предприятия с неэффективной системой технического обслуживания обычно теряют от 20% до 35% сжатого воздуха из-за утечек. При подборе нового компрессора необходимо измерить объем утечек в существующей системе — в идеале с помощью ультразвукового обследования — и либо устранить их до ввода нового компрессора в эксплуатацию, либо четко учесть их в расчете потребности в CFM.

Ошибка № 4: Неучет предельного давления в системе очистки

Каждый осушитель, фильтр и регулятор, установленный между компрессором и точкой использования, приводит к потере давления в системе. Компрессор, рассчитанный строго на требуемое давление для конкретного инструмента без учета перепада давления в системе очистки, будет обеспечивать давление на входе инструмента ниже номинального. Рекомендации по расчету перепада давления, приведенные в разделе «PSI» данной статьи, следует строго соблюдать.

Ошибка № 5: Указание пикового спроса в качестве непрерывного спроса

Многие предприятия рассчитывают размер компрессора исходя из теоретического сценария, при котором все пневматические устройства работают одновременно на полной нагрузке. На практике такой сценарий практически никогда не возникает. Выбор компрессора с избыточной мощностью, основанный на принципе «пиковая нагрузка плюс всё остальное», приводит к тому, что компрессор большую часть своего срока службы работает при частичной нагрузке — в режиме, при котором машины с фиксированной скоростью значительно менее эффективны. Методика расчёта коэффициента одновременного использования, описанная в разделе CFM, позволяет получить более реалистичные и экономически эффективные технические характеристики.

Ошибка № 6: игнорирование влияния температуры окружающей среды

Производительность компрессора снижается по мере повышения температуры окружающей среды. Плотность входящего воздуха при температуре 100°F примерно на 6% ниже, чем при 68°F, что приводит к снижению массового расхода. Кроме того, вентиляция компрессорного помещения, недостаточная для отвода тепла от оборудования, может создать замкнутый цикл: повышение температуры в помещении снижает производительность компрессора, что приводит к увеличению времени его работы, а это, в свою очередь, генерирует больше тепла. Правильно рассчитанная система вентиляции компрессорного помещения должна поддерживать температуру окружающей среды в пределах диапазона, указанного производителем, который для безмасляных винтовых компрессоров обычно составляет от 40 °F до 105 °F.

Безмасляные и масляные системы: факторы, влияющие на выбор размера для каждой технологии

Безмасляные и масляные компрессоры предъявляют разные требования к расчету мощности. Безмасляные агрегаты, как правило, работают при более высоких внутренних температурах, что снижает объемный КПД по сравнению с масляным компрессором аналогичной мощности. Однако безмасляные компрессоры исключают риск попадания масла в поток сжатого воздуха, что делает их единственным приемлемым выбором для применений, требующих качества воздуха класса 1 или класса 0 по стандарту ISO 8573-1. Выбор между этими двумя технологиями при расчете параметров предполагает поиск компромисса между первоначальными капитальными затратами, требованиями к качеству воздуха и эксплуатационными затратами в течение всего срока службы.

Сравнение объемной эффективности

В винтовой компрессор с масляной смазкой, впрыскиваемое масло выполняет три функции: смазку, уплотнение зазора между роторами и отвод тепла, образующегося при сжатии. Масляное уплотнение значительно повышает объемный КПД — отношение фактического расхода воздуха к теоретическому рабочему объему. Безмасляные винтовые компрессоры обеспечивают синхронизацию роторов с помощью зубчатых колес и полагаются на жесткие производственные допуски, а не на масляную пленку для уплотнения. В результате разница в объемной эффективности при эквивалентной мощности составляет примерно от 5% до 12%:

При заданной потребности в воздухе в кубических футах в минуту (CFM) безмасляный компрессор, как правило, требует установки двигателя большей мощности, более крупного воздушного блока или и того, и другого по сравнению со своим масляным аналогом. Это не означает, что безмасляная технология менее эффективна в абсолютном выражении — общая эффективность системы часто оказывается выше у безмасляных моделей, если учесть нагрузку на последующие фильтры в масляной системе. Каждый коалесцирующий фильтр в цепочке подготовки сжатого воздуха в масляной системе вызывает падение давления на 1–3 PSI и требует постоянной замены элементов, что приводит к дополнительному энергопотреблению и увеличению затрат на техническое обслуживание.

Когда использование безмасляных систем является обязательным условием

В некоторых областях применения в соответствии с нормативными требованиями или технологическими условиями требуется безмасляный сжатый воздух, что делает сравнение технических характеристик с масляными системами бессмысленным:

• Производство фармацевтической продукции: в соответствии с требованиями 21 CFR, часть 211, Управления по контролю за продуктами и лекарствами США (FDA) и Приложения 1 к Директиве ЕС по надлежащей производственной практике (GMP) сжатый воздух, контактирующий с продукцией, должен быть свободен от загрязнений, в том числе от масла.
• Переработка продуктов питания и напитков: стандарты SQF, BRC и FSSC 22000 предписывают использование безмасляного сжатого воздуха при прямом и косвенном контакте с пищевыми продуктами. Минимальным требованием является соответствие стандарту ISO 8573-1, класс 1.
• Электроника и производство полупроводников: масляный аэрозоль загрязняет среду чистых помещений и негативно сказывается на процессах сборки печатных плат.
• Производство медицинских изделий: системы качества, соответствующие стандарту ISO 13485, требуют подтвержденной чистоты воздуха, соответствующей классу 1.2.1 стандарта ISO 8573-1 или более высокому.
• Окраска распылением и порошковое покрытие: попадание масла приводит к появлению дефектов поверхности — «рыбьих глаз», кратеров и нарушений адгезии — в готовых покрытиях.

В таких случаях при выборе оборудования вопрос перестает сводиться к тому, “бесмасляный компрессор или компрессор с масляной смазкой”, а становится следующим: “Какая конфигурация бесмасляного компрессора наилучшим образом соответствует моим требованиям, и какая система последующей обработки воздуха потребуется?”

Сравнение затрат на протяжении жизненного цикла

В качестве препятствия часто называют более высокую первоначальную стоимость безмасляных технологий. Однако анализ совокупной стоимости владения с учетом 10-летнего срока службы зачастую приводит к противоположному выводу:

Если учесть затраты на электроэнергию и техническое обслуживание, общая разница в затратах за 10 лет между безмасляными и масляными компрессорами оказывается чрезвычайно небольшой — а для областей применения, где риск попадания масла в систему влечет за собой финансовые последствия, безмасляные компрессоры являются более безопасным и зачастую более экономичным выбором. Энергоэффективность современных безмасляных компрессоров, оснащенных частотно-регулируемым приводом (VSD), в сочетании с отсутствием затрат на техническое обслуживание и утилизацию масла за последнее десятилетие существенно сократила разрыв в стоимости жизненного цикла.

Заключение

Подбор мощности безмасляного воздушного компрессора — это, по сути, задача, требующая тщательных инженерных расчетов, а не приблизительных оценок. Каждый из трёх параметров — CFM, PSI и рабочий цикл — должен быть определён путём методичного анализа «снизу вверх», основанного на фактической потребности в пневматической энергии на вашем предприятии. Расчетная таблица потребности в CFM, учитывающая одновременное использование, утечки, запас на рост и понижение производительности в зависимости от высоты над уровнем моря, является самым ценным документом в процессе закупки. Бюджет давления, учитывающий каждый компонент на пути от нагнетания компрессора до входа в пневмоинструмент, позволяет избежать хронической недостаточной производительности, которая является бичом систем с заниженными техническими характеристиками. А спецификация рабочего цикла 100% является минимально допустимым показателем для любого промышленного применения, где производство зависит от доступности сжатого воздуха.

Решения по подбору размеров, принимаемые при выборе оборудования, влекут за собой финансовые последствия, которые накапливаются на протяжении всего срока службы машины. Компрессор, размер которого занижен, приводит к снижению объема производства в каждую смену. Компрессор, размер которого превышает необходимый, приводит к потере энергии в течение каждого часа работы. Неправильно выбранное заданное значение давления приводит к увеличению счетов за электроэнергию каждый месяц. Правильный подбор размеров — а также документирование инженерного обоснования каждого параметра — является важнейшей инвестицией, которую вы можете сделать в долгосрочную надежность и экономическую эффективность вашей системы сжатого воздуха.

Часто задаваемые вопросы