Температура воздуха и работа компрессора | Kraftmachine
Как температура окружающего воздуха влияет на производительность компрессора и рефрижераторного осушителя. Сравнение работы при +20, +30, +35, +40 и +45 °C
Как температура окружающего воздуха влияет на производительность компрессора и осушителя
Температура окружающего воздуха напрямую влияет на работу компрессора, систему охлаждения и производительность рефрижераторного осушителя. Оборудование, которое стабильно обеспечивает требуемые параметры при +20…+25 °C, летом при +35…+40 °C может работать уже на пределе возможностей.
При повышении температуры уменьшается плотность всасываемого воздуха, ухудшается охлаждение компрессора, повышается температура сжатого воздуха и значительно возрастает количество влаги, поступающей в пневмосистему. В статье разберём условия +20, +30, +35, +40 и +45 °C и покажем, почему компрессор и осушитель нельзя подбирать только по номинальным каталожным параметрам.
Что такое влияние температуры окружающего воздуха на компрессорную систему
Компрессор забирает воздух непосредственно из помещения или с улицы, поэтому параметры поступающего воздуха зависят от окружающей температуры, атмосферного давления и влажности.
При повышении температуры воздух расширяется и его плотность уменьшается. Через одинаковый объём всасывания компрессор получает меньшую массу воздуха.
Одновременно ухудшаются условия охлаждения. Радиатор компрессора должен отдавать тепло воздуху, который летом уже может иметь температуру +35…+40 °C.
После компрессора горячий сжатый воздух поступает в охладитель, сепараторы, фильтры и осушитель. Чем выше его температура, тем больше нагрузка на всю систему подготовки воздуха.
Особенно чувствителен к летней температуре рефрижераторный осушитель: ему необходимо одновременно охлаждать поступающий сжатый воздух и отводить тепло от холодильного конденсатора.
В результате одна высокая температура окружающей среды влияет сразу на несколько элементов компрессорной станции.
Как температура воздуха влияет на производительность компрессора
Основное физическое изменение при повышении температуры — уменьшение плотности воздуха.
При одинаковом атмосферном давлении плотность сухого воздуха приблизительно составляет:
| Температура | Плотность воздуха, кг/м³ | Относительно +20 °C |
|---|---|---|
| +20 °C | 1,204 | 100 % |
| +30 °C | 1,164 | 96,7 % |
| +35 °C | 1,145 | 95,1 % |
| +40 °C | 1,127 | 93,6 % |
| +45 °C | 1,109 | 92,1 % |
Таким образом, при повышении температуры с +20 до +40 °C плотность воздуха уменьшается примерно на 6,4 %, а при +45 °C — почти на 8 %.
Это не означает, что производительность любого винтового компрессора обязательно уменьшится ровно на такой процент. На фактическую производительность влияют конструкция винтового блока, регулирование всасывания, частотный привод, давление, температура масла и алгоритм контроллера.
Но физический принцип остаётся одинаковым: при одинаковом геометрическом объёме всасывания компрессор получает меньшую массу воздуха.
Пример для компрессора производительностью 20 м³/мин
Предположим, что компрессор при +20 °C условно принимает объём воздуха, соответствующий производительности 20 м³/мин.
Если оценивать только изменение плотности воздуха, получим:
| Температура | Условная эквивалентная производительность |
| +20 °C | 20,00 м³/мин |
| +30 °C | 19,34 м³/мин |
| +35 °C | 19,03 м³/мин |
| +40 °C | 18,72 м³/мин |
| +45 °C | 18,43 м³/мин |
Расчёт является иллюстрацией влияния плотности и не заменяет рабочую характеристику конкретного компрессора.
Если производство фактически требует 19,5–20 м³/мин, оборудование, подобранное без запаса, летом уже может не обеспечивать необходимое количество воздуха.
Почему компрессору сложнее охлаждаться при +35…+45 °C
Во время сжатия воздуха выделяется большое количество тепла. Радиатор компрессора должен передать это тепло окружающему воздуху.
При температуре помещения +20 °C запас между температурой масла и охлаждающим воздухом достаточно большой. При +40 °C эта разница существенно уменьшается.
В результате для отвода одинакового количества тепла требуется больший воздушный поток через радиатор и идеальное состояние системы охлаждения.
Загрязнённый радиатор, недостаточная вентиляция компрессорной или рециркуляция горячего воздуха при +20 °C могут быть практически незаметны, а при +35…+40 °C становятся причиной перегрева.
Температура масла и воздуха после винтового блока растёт. Контроллер может включать вентилятор на максимальную производительность, а при дальнейшем росте температуры компрессор выдаёт предупреждение или аварийно останавливается.
На некоторых моделях оборудования Kraftmachine указывается максимальная температура окружающей среды +40 °C, а температура воздуха на выходе после охлаждения — около +15 °C к окружающей температуре. Поэтому точное допустимое значение необходимо проверять по паспорту конкретной модели.
Подробнее расчёт отвода тепла рассмотрен в статье «Вентиляция компрессорной: расчёт воздухообмена».
Как меняется температура сжатого воздуха после компрессора
Рассмотрим условие, при котором после штатного воздушного радиатора температура сжатого воздуха составляет примерно:
температура окружающего воздуха +15 °C.
Тогда получаем:
| Температура в компрессорной | Температура воздуха после охладителя |
| +20 °C | около +35 °C |
| +30 °C | около +45 °C |
| +35 °C | около +50 °C |
| +40 °C | около +55 °C |
| +45 °C | около +60 °C |
Последняя строка является расчётной иллюстрацией: если максимальная допустимая температура окружающей среды конкретного компрессора составляет +40 °C, эксплуатация при +45 °C уже выходит за паспортные условия.
Именно температура после охладителя особенно важна для оборудования подготовки воздуха.
Если зимой в осушитель поступает воздух +30…+35 °C, то летом его температура может увеличиться до +45…+55 °C.
При этом производительность компрессора может остаться визуально почти такой же, но нагрузка на осушитель изменится очень значительно.
Как температура окружающего воздуха влияет на рефрижераторный осушитель
Рефрижераторный осушитель охлаждает сжатый воздух примерно до точки росы под давлением около +3 °C. При охлаждении водяной пар конденсируется и удаляется из системы через сепаратор и конденсатоотводчик.
Чем выше температура поступающего воздуха, тем больше тепла необходимо отвести холодильному контуру.
Одновременно при высокой температуре окружающей среды ухудшается охлаждение конденсатора самого осушителя.
Таким образом, летом возникает двойная нагрузка:
растёт температура воздуха на входе + ухудшается охлаждение холодильной установки.
Поэтому производительность рефрижераторного осушителя при реальных условиях может быть значительно ниже его номинальной производительности, указанной для стандартных условий.
Производители осушителей используют специальные температурные и рабочие поправочные коэффициенты. Например, Parker прямо рекомендует выбирать рефрижераторный осушитель по максимальной летней температуре входящего воздуха, максимальной температуре окружающей среды, минимальному рабочему давлению и максимальному расходу.
Почему летом в сжатом воздухе становится намного больше воды
Температура влияет не только на охлаждение оборудования.
Тёплый атмосферный воздух способен содержать значительно больше водяного пара, чем холодный.
Рассмотрим воздух при одинаковой относительной влажности 60 %.
| Температура | Влага в атмосферном воздухе, примерно |
| +20 °C | 10,3 г/м³ |
| +30 °C | 18,2 г/м³ |
| +35 °C | 23,7 г/м³ |
| +40 °C | 30,6 г/м³ |
| +45 °C | 39,2 г/м³ |
При +45 °C и одинаковой относительной влажности в каждом кубическом метре атмосферного воздуха почти в четыре раза больше водяного пара, чем при +20 °C.
Поэтому летом сепараторы, ресиверы, магистральные фильтры и осушители получают значительно большую влаговую нагрузку.
Пример для компрессора 20 м³/мин
Компрессор производительностью 20 м³/мин за час всасывает:
20 × 60 = 1 200 м³ воздуха.
Количество водяного пара, поступающего вместе с этим воздухом при относительной влажности 60 %, ориентировочно составит:
| Температура | Влага, поступающая с 1 200 м³ воздуха |
| +20 °C | около 12,4 кг/ч |
| +30 °C | около 21,8 кг/ч |
| +35 °C | около 28,4 кг/ч |
| +40 °C | около 36,7 кг/ч |
| +45 °C | около 47,0 кг/ч |
Это количество влаги, поступающей на вход всей компрессорной системы, а не количество воды, которое обязательно дойдёт непосредственно до осушителя.
Значительная часть конденсата должна отделиться после охладителя компрессора, в циклонном сепараторе и ресивере.
Но таблица хорошо показывает масштаб изменения условий: при одинаковой относительной влажности летом система подготовки воздуха должна удалить во много раз больше воды.
Почему осушитель нельзя выбирать только по цифре м³/мин
Предположим, производству требуется:
20 м³/мин.
Если купить осушитель с номинальной производительностью ровно 20 м³/мин, может показаться, что оборудование подобрано правильно.
Но номинальная производительность осушителя относится к определённым условиям:
- температуре входящего воздуха;
- температуре окружающей среды;
- рабочему давлению;
- требуемой точке росы.
При изменении этих параметров меняется и реальная пропускная способность.
Например, в одной из технических таблиц Parker номинальные значения рефрижераторных осушителей приводятся при температуре входящего воздуха +35 °C и температуре охлаждающего воздуха +25 °C. Для других условий необходимо применять поправочные коэффициенты.
Пример расчёта осушителя при +20…+45 °C
Рассмотрим условную компрессорную производительностью:
20 м³/мин.
Предположим также, что воздух после компрессора выходит примерно на 15 °C горячее окружающей среды.
Для наглядности применим температурные коэффициенты из технической документации одного из производителей рефрижераторных осушителей. Эти цифры нужны для демонстрации принципа и не являются коэффициентами для всех осушителей Kraftmachine. Для конкретной модели необходимо использовать её техническую документацию.
| Окружающая температура | Воздух на входе осушителя | Условный суммарный температурный коэффициент | Требуемая номинальная производительность для 20 м³/мин |
| +20 °C | +35 °C | ≈ 0,94 | ≈ 18,8 м³/мин |
| +30 °C | +45 °C | ≈ 1,50 | ≈ 30,0 м³/мин |
| +35 °C | +50 °C | ≈ 1,88 | ≈ 37,6 м³/мин |
| +40 °C | +55 °C | ≈ 2,40 | ≈ 48,0 м³/мин |
| +45 °C | +60 °C | ≈ 2,89 | ≈ 57,8 м³/мин |
Эта таблица хорошо показывает, почему нельзя универсально считать:
20 м³/мин компрессора = осушитель 20 м³/мин.
При тяжёлых летних условиях осушителю может требоваться значительно больший запас по номинальной производительности.
Другие модели осушителей имеют другие поправочные коэффициенты, поэтому окончательный подбор выполняется по таблицам конкретного производителя.
Что произойдёт с осушителем, подобранным «впритык»
Предположим, компрессор выдаёт 20 м³/мин, а установленный рефрижераторный осушитель также имеет паспортную производительность 20 м³/мин.
При +20…+25 °C система может работать нормально.
Летом температура в компрессорной повышается до +35 °C, а температура сжатого воздуха перед осушителем достигает +45…+50 °C.
Холодильному контуру уже необходимо отвести значительно больше тепла.
Если фактическая нагрузка превышает возможности осушителя, температура воздуха внутри теплообменника не снижается до расчётного значения.
В результате точка росы начинает повышаться.
Вместо расчётных:
+3 °C
на выходе может появиться более высокая точка росы, а дальше по холодным участкам пневмосети начинается образование конденсата.
На производстве это может проявляться как:
- вода в магистральных фильтрах;
- конденсат в трубопроводе;
- вода в пневмоинструменте;
- коррозия;
- нарушение окраски;
- нестабильная работа пневмоавтоматики;
- проблемы с технологическим оборудованием.
Максимальная температура окружающей среды для осушителя
Каждый рефрижераторный осушитель имеет ограничение по температуре окружающего воздуха.
Например, для рефрижераторного осушителя КМ-РО8,5 на сайте Kraftmachine указана максимальная окружающая температура +40 °C, производительность 8 500 л/мин и точка росы +3 °C.
Рефрижераторный осушитель КМ-РО8,5
Это означает, что температура +40 °C должна восприниматься не как нормальная точка для постоянной эксплуатации без проверки, а как верхняя паспортная граница для данной модели.
Если летом в помещении фактически бывает +42…+45 °C, необходимо сначала решить проблему вентиляции или предусмотреть оборудование, рассчитанное на такие условия.
Эксплуатация выше установленной производителем максимальной температуры может привести к перегреву холодильного контура и нарушению требуемой точки росы.
Основные температурные характеристики компрессора и осушителя
При проектировании компрессорной необходимо учитывать не одну температуру, а сразу несколько значений.
Температура окружающей среды
Это температура воздуха непосредственно вокруг оборудования.
Не следует автоматически принимать её равной температуре на улице.
Если на улице +35 °C, из-за недостаточной вентиляции внутри компрессорной может быть +40…+45 °C.
Температура воздуха на всасывании компрессора
Она определяет плотность поступающего воздуха.
Чем она ниже, тем больше масса воздуха поступает в винтовой блок при одинаковом объёме всасывания.
Температура сжатого воздуха после компрессора
Она зависит от температуры окружающей среды, состояния радиатора и конструкции компрессора.
Именно этот параметр является одним из главных при подборе рефрижераторного осушителя.
Максимальная температура входа осушителя
Её необходимо обязательно проверять по паспорту.
Даже если осушитель подходит по м³/мин, он может не подходить по максимальной температуре входящего воздуха.
Максимальная температура окружающей среды осушителя
Холодильный конденсатор должен сбрасывать тепло в помещение.
Чем горячее воздух вокруг него, тем сложнее работает холодильный контур.
Точка росы
Для стандартного рефрижераторного осушителя типовое значение составляет около:
+3 °C под давлением.
Повышение температуры окружающей среды не должно приводить к ухудшению этого параметра при работе оборудования в допустимых условиях.
Преимущества и недостатки подбора оборудования с температурным запасом
Подбор компрессора и осушителя с учётом летних условий требует больших первоначальных затрат, но повышает стабильность всей системы.
Плюсы
- стабильная производительность летом;
- меньше риск перегрева компрессора;
- стабильная точка росы;
- запас по производительности осушителя;
- меньше вероятность появления конденсата;
- возможность работать при пиковом расходе;
- увеличивается ресурс холодильного оборудования;
- меньше аварийных остановок производства.
Минусы
- оборудование большего типоразмера стоит дороже;
- увеличиваются габариты;
- может потребоваться больший трубопровод;
- увеличивается первоначальная стоимость компрессорной станции.
При этом чрезмерно большой запас также не всегда оправдан.
Правильный подход заключается не в том, чтобы покупать оборудование «в два раза больше на всякий случай», а в расчёте реальных максимальных летних условий.
Где особенно важно учитывать температуру компрессорной
Температурный расчёт необходим практически для всех промышленных компрессорных.
Особенно важен он для предприятий, где оборудование работает круглосуточно или располагается в горячих производственных помещениях.
К таким объектам относятся:
- металлургические предприятия;
- литейные производства;
- машиностроительные заводы;
- лазерная резка;
- покрасочные линии;
- пищевые предприятия;
- фармацевтические производства;
- химические предприятия;
- котельные;
- компрессорные в контейнерах;
- производственные помещения под кровлей;
- помещения без кондиционирования;
- компрессорные с несколькими мощными агрегатами.
Отдельное внимание требуется контейнерным компрессорным станциям. Металлический контейнер летом дополнительно нагревается солнечным излучением, поэтому наружная температура +35 °C ещё не означает, что внутри будет столько же.
Как выбрать компрессор для работы при высокой температуре
Первое правило — не ориентироваться только на номинальную производительность в каталоге.
Необходимо определить максимальную температуру воздуха в компрессорной именно в летний период.
Далее следует проверить:
- максимально допустимую температуру окружающей среды компрессора;
- фактическую производительность при требуемом давлении;
- температуру воздуха после охладителя;
- производительность вентилятора;
- допустимое загрязнение радиатора;
- запас по расходу воздуха.
Если производство потребляет 20 м³/мин постоянно, компрессор с номинальной производительностью ровно 20 м³/мин не имеет практически никакого запаса на изменение температуры, загрязнение оборудования или увеличение потребления.
В промышленной системе разумно учитывать не только текущий средний расход, но и максимальный одновременный расход потребителей.
Каталог компрессорного оборудования представлен в разделе «Каталог Kraftmachine».
Как выбрать рефрижераторный осушитель для летней эксплуатации
Осушитель необходимо подбирать по наиболее тяжёлым рабочим условиям, а не по средней температуре за год.
Нужно определить:
- максимальный расход сжатого воздуха;
- минимальное рабочее давление;
- максимальную температуру после компрессора;
- максимальную температуру в помещении;
- требуемую точку росы.
После этого применяются поправочные коэффициенты конкретного производителя.
Общий принцип можно записать так:
Требуемая номинальная производительность осушителя = фактический расход × температурные и рабочие поправочные коэффициенты.
Если расчёт показывает, что для фактических 20 м³/мин при летних условиях требуется осушитель с номиналом 25 или 30 м³/мин, устанавливать модель 20 м³/мин только потому, что «компрессор тоже двадцатка», неправильно.
Особенно важно учитывать температуру сжатого воздуха после радиатора.
Иногда вместо значительного увеличения осушителя экономически выгоднее улучшить вентиляцию компрессорной или установить дополнительный доохладитель перед системой подготовки воздуха.
Что даёт улучшение вентиляции компрессорной
Предположим, летом наружная температура составляет:
+32 °C.
Из-за неправильной вентиляции температура внутри помещения достигает:
+42 °C.
Если модернизировать приточно-вытяжную систему и снизить температуру помещения до +35 °C, одновременно улучшаются условия работы сразу нескольких элементов.
Компрессор получает более плотный воздух.
Радиатор эффективнее отводит тепло.
Снижается температура воздуха после компрессора.
Уменьшается тепловая нагрузка на рефрижераторный осушитель.
Холодильный конденсатор осушителя также работает в более благоприятных условиях.
Поэтому правильно рассчитанная вентиляция может оказаться дешевле, чем постоянная борьба с перегревом оборудования.
Подробный расчёт приведён в статье «Как рассчитать вентиляцию компрессорной».
Типичные ошибки при эксплуатации компрессора летом
Осушитель подобран ровно по производительности компрессора
Компрессор 10 м³/мин и осушитель 10 м³/мин не обязательно являются правильной парой.
Необходимо проверить реальные температурные условия.
Не учитывается температура воздуха после компрессора
Для рефрижераторного осушителя этот параметр часто важнее температуры самого помещения.
Компрессор забирает горячий воздух из помещения
Если приток организован неправильно, компрессор постоянно всасывает уже нагретый воздух.
Горячий воздух от радиатора возвращается обратно
Возникает рециркуляция.
Температура постепенно увеличивается, даже если общая производительность вентиляторов кажется достаточной.
Радиатор загрязнён
Пыль, масло и производственные загрязнения уменьшают теплоотдачу.
Летом эффект проявляется значительно сильнее.
Вентиляция рассчитывается только по площади помещения
Компрессорную нельзя вентилировать по принципу обычного производственного помещения.
Количество воздуха определяется в первую очередь тепловыделением установленного оборудования.
Не учитывается рост влажности
При жаркой и влажной погоде нагрузка на систему удаления конденсата может увеличиться в несколько раз.
Практический пример: компрессорная 20 м³/мин зимой и летом
Рассмотрим станцию с одним компрессором производительностью около 20 м³/мин.
При +20 °C
Плотность всасываемого воздуха максимальная среди рассматриваемых режимов.
После охладителя температура сжатого воздуха условно составляет около +35 °C.
Рефрижераторный осушитель работает в относительно лёгких условиях.
При +30 °C
Плотность воздуха уменьшается примерно на 3,3 % относительно +20 °C.
Температура после компрессора может достигнуть порядка +45 °C.
Нагрузка на осушитель заметно увеличивается.
При +35 °C
Плотность ниже примерно на 4,9 %.
Температура после охладителя может достигать около +50 °C.
При высокой влажности количество воды, поступающей вместе с атмосферным воздухом, уже более чем в два раза превышает уровень при +20 °C.
При +40 °C
Плотность ниже приблизительно на 6,4 %.
Воздух после охладителя может иметь температуру около +55 °C.
Компрессор и осушитель находятся близко к максимальным температурным режимам многих стандартных исполнений.
При +45 °C
Плотность воздуха примерно на 7,9 % ниже, чем при +20 °C.
Для оборудования, рассчитанного на максимальную окружающую температуру +40 °C, такой режим уже недопустим.
Необходимо снижать температуру помещения либо использовать специальное высокотемпературное исполнение оборудования.
Заключение
Температура окружающего воздуха влияет на всю компрессорную систему одновременно. При переходе от +20 к +40 °C уменьшается плотность всасываемого воздуха, сокращается запас системы охлаждения компрессора, повышается температура сжатого воздуха и резко возрастает влаговая нагрузка на систему подготовки воздуха.
Поэтому компрессор и рефрижераторный осушитель необходимо подбирать не по среднегодовым условиям и не «м³/мин в м³/мин», а по максимальной летней температуре, максимальному расходу, рабочему давлению и реальной температуре воздуха после компрессора. Если оборудование уже установлено и летом возникает перегрев или повышается точка росы, проверять нужно не только сам компрессор или осушитель, но и вентиляцию всей компрессорной.