Aire presión influencias compresor alimentación del sistema - parte 2: La influencia de la presión del sistema en compresores centrífugos

Este es el segundo artículo de una serie de tres partes de aire por Mark Krisa, Director Global de servicios de soluciones, Ingersoll Rand

Es común ver a especialistas en energía evaluación tratamiento centrífugoCompresorescomo desplazamiento positivo intentar reducir la compresión de los compresores aire consumo de energía del sistema. Desafortunadamente, compresores centrífugos son normalmente mucho más grandes, y errores de cálculo fácilmente pueden representar cientos de miles de dólares en ahorros de energía sobrestimada. Estos errores no son maliciosos; resultan de prácticas excesivamente perpetuadas por personas con conocimientos limitados de compresor centrífugo. Este tipo de conocimiento no está fácilmente disponible y más especialistas de evaluación de energía no tienen acceso a equipos de ingeniería responsables del desarrollo técnico y diseño de compresores centrífugos. Desde una perspectiva de unidad, compresores centrífugos son una pequeña parte del mercado compresor técnicamente expertos recursos son limitados.

Identificación de técnicasCompresorRecursos

Es importante reconocer que personas de ventas de aire comprimido representan una de las mayores fuentes de información técnica asociada con los componentes y sistemas de aire comprimido. Aunque algunas personas de ventas son técnicamente competentes ingenieros, no es raro encontrar la palabra "ingeniero" utilizado como adjetivo en un título del trabajo. Si el ingeniero es un título en educación o función de trabajo, no garantiza información técnicamente correcta. Del mismo modo, la experiencia es un término frecuentemente usado para implica grandes conocimientos asociados con años de práctica. Experiencia puede tener valor para funciones con simple causa y efecto resultados o tareas repetitivas donde memoria muscular puede mejorar el rendimiento. Sin embargo, en una industria donde los resultados rara vez se miden utilizando instrumentación precisa en ambientes controlados, muchos mitos técnico fester y, a través de años de repetición, se supone que ser probado científicamente hechos. Por ejemplo, la primera parte de este artículo, que fue impresa el mes pasado, explicó cómo el poder de 1 por ciento a Asunción de 2 psi es abusado y por qué no es correcto.

Trabajo de Ingersoll Rand, uno de los más grandes fabricantes e innovadores de productos de aire comprimido, facilita oportunidades para muchas discusiones técnicas con ingenieros talentosos que diseñar compresores para ganarse la vida. Participación en el aire comprimido muchas relacionadas con equipos técnicos con ISO, técnicos y CSA también ofrece oportunidad para la discusión de nivel alto con ingenieros de otroscompresorfabricantes. Curiosamente, cada vez que discutir el tema de la presión y el poder para compresores, casi cada ingeniero regurgita el mismo poder de 1 por ciento a Asunción de 2 psi. Después de discutir la termodinámica y los atributos sistémicos, todos están de acuerdo que la declaración de 2:1 es incorrecta pero muchos asumen que es un hecho y relacionan con funcionamiento del compresor en relación con la presión en la tubería de la red. Como jóvenes ingenieros de nuevos a la industria, la declaración de 2:1 era compartido por ingenieros de conocimiento técnico. Confundir la experiencia y la edad de hecho científico, muchos supuestos inocentes fueron incuestionables.

Sea el cierre, la teoría parece originaria de principios de 1900 como una estimación razonable basada en una compleja ecuación utilizada para calcular los caballos de fuerza de freno para compresores reciprocantes grandes en relación con la presión dentro del cilindro. Esto no es aplicable teniendo en cuenta todos los componentes y cambios tecnológicos que hacen de compresores modernos. La teoría de 2:1 es como un rumor de que iterativamente se transforma en una historia diferente con interpretación de cada persona y la distribución posterior. Esto ocurre cuando el complejo contenido técnico es simplificado y generalizado antes de llegar a la gente de ventas de campo y otras personas compresor divulgación al mercado.

Características de funcionamiento de la centrífugaCompresores

A diferencia de los compresores de desplazamiento positivo en que la presión es una función de fuerzas mecánicas (energía) actuando sobre una superficie que es físicamente reduciendo un volumen cerrado, compresores centrífugos no pueden aumentar su capacidad de presión por aumento de potencia. Un compresor centrífugo, también conocido como un compresor dinámico, genera presión en una forma diferente. Una masa dada de aire se acelera a través de un impulsor e imparte energía cinética. El aire pasa a través de un difusor, reduce la velocidad y convierte una porción de la energía cinética en calor y energía potencial. Esto se manifiesta en forma de aumento de presión y temperatura. Dependiendo de los requerimientos de presión del compresor, el aire va por el mismo proceso a través de etapas posteriores y construye hacia los requisitos de presión de diseño. Para mejorar la eficiencia, algunas o todas las etapas el aire fresco antes de entrar en la siguiente etapa. Para propósitos de discusión, la explicación de funcionamiento se ha simplificado en un esfuerzo por permanecer dentro de alcance. Las capacidades de presión de un compresor centrífugo son dictadas por el diseño aerodinámico de los componentes internos, las condiciones ambientales, velocidad de rotación y el enfriamiento del aire entre etapas.

Las relaciones entre flujo, presión y potencia para un compresor centrífugo se expresan normalmente usando una curva de rendimiento basada en condiciones ambiente, agua de enfriamiento y aplicar los componentes internos. Como resultado, el desempeño — y especialmente — capacidades de presión cambian como cambian las condiciones ambientales durante todo el año. Una curva de trabajo que consta de datos superpuestos de tres conjuntos de condiciones ambientales se utiliza para ilustrar este efecto en la figura 1.

Figura 1: curvas de rendimiento del compresor centrífugo

La curva de rendimiento se compone de dos partes: la curva de flujo de presión y la curva de flujo de potencia. La curva de presión-flujo tiene presión en el eje vertical y el flujo en el eje horizontal. La curva de flujo de potencia tiene potencia en el eje vertical y el flujo en el eje horizontal. Los valores de flujo para cada eje horizontal alinean cada curva de presión-flujo tiene una curva de flujo de potencia correspondiente. Observe cómo la curva natural se mueve hacia arriba y hacia la derecha a medida que disminuye la temperatura ambiente. Mirando las curvas de rojo para la energía y la presión con respecto a flujo, moviéndose de izquierda a derecha, una línea vertical que corte ambas curvas muestra la presión de diseño y el poder de ese flujo y las condiciones ambientales. Moviéndose de izquierda a derecha, observe cómo el poder inicialmente aumenta a medida que desciende la presión y luego disminuye como una se mueve más a la derecha. Esto ilustra cómo la energía no es directamente proporcional a un cambio en la presión. Esta relación se basa en el diseño aerodinámico de los componentes internos. Algunos compresores que utilizan una hélice de diseño radial tienen eficacia máxima en la parte superior de la curva justo antes de la oleada natural. Un diseño que se inclina hacia atrás puede aumentar la eficiencia como la presión disminuye o puede alcanzar un rendimiento óptimo en algún punto de la curva y entonces disminuir a presiones más bajas.

Hace referencia a la curva de presión-flujo rojo, tenga en cuenta que a medida que la presión disminuye, aumenta el flujo para el compresor. Un compresor centrífugo de realiza en relación con la curva natural cuando la Asamblea de entrada es abierta 100 por ciento, o que abriendo la Asamblea más no tiene ningún impacto en la presión de entrada de la garganta. Un compresor en el máximo estado de funcionamiento se refiere a veces como de funcionamiento a plena carga, o en la parte activa de la curva donde el flujo cambia con respecto a la presión. Aumentos de flujo como presión es reducida pero Observe cómo cambia la pendiente de la curva como decae la presión. Finalmente la curva se vuelve asintótica, hacia arriba y hacia abajo, cuando el compresor se mueve en una región conocida como estrangulador o muro de piedra.

En este punto, cayendo presión tiene poco a ningún cambio en el flujo o energía. No disminución de la potencia cuando el compresor funciona en o por debajo del cebador. Cuando el compresor está en choque, velocidad ha alcanzado un umbral de sonic en algunos puntos dentro del compresor. Posteriormente, el compresor mantiene presión interna a un valor mínimo independiente de la presión de descarga externa para el compresor. En esencia, la presión interna disminuye con respecto a la presión externa hasta alcanzar una presión interna mínima. Debajo de este valor mínimo, sólo disminuye la presión en el sistema mientras que la presión interna se mantiene en el mínimo valor limitado por el límite de la velocidad del sonido.

La presión superior está limitada por la capacidad del compresor para convertir energía cinética en presión. En un equilibrio de energía, presión generada es menor que la presión interna, causando a veces se denomina reversión de flujo o aumento de la inestabilidad. Funcionamiento del compresor es inestable en, o cerca de, la presión de la oleada. La capacidad de presión o presión de oleada natural, sólo puede aumentar si aumenta la densidad del aire de entrada. Este mismo fenómeno se produce en una condición de flujo estable mínimo llamada el aumento de la aceleración. Si la demanda de aire es menor que el suministro para una presión requerida, el ensamblaje de entrada modula, reducción de flujo y presión de entrada de la garganta. Esto se conoce comúnmente como un compresor opera en modulación, en el acelerador o a presión constante.

La influencia de la presión en energía del compresor centrífugo

Mirando el rendimiento dentro de la parte activa de la curva, figura 2 ilustra los cambios detallados de flujo y poder en relación con la presión de descarga.

Figura 2 – muestra datos de rendimiento de compresor centrífugo

Los datos en la figura 2 se basan en el probado rendimiento de un compresor centrífugo específico. Mirando el funcionamiento del compresor en psig 121 y 111 psig, reduciendo la presión de 121 a 111 psig sólo reduce la potencia 5 caballos de fuerza. Esto representa menos del 0.35% reducción en el poder del eje. El.5 por ciento por regla psig (descrito en la parte 1: sistema presión influencias compresor de poderío aéreo que funcionó en la edición de julio de las mejores prácticas de aire comprimido) no se aplica. Se habría predicho una reducción de 5 por ciento de energía con un ahorro estimado de $50.000 por año, en comparación con los $3.000 que se dio cuenta. En este ejemplo, estimaciones de ahorro podrían ser exageradas groseramente a más de 16 veces el valor real.

Puesto que el compresor en este ejemplo está funcionando dentro de la gama activa de la curva, el flujo aumenta ~ 100 scfm. Suponiendo que la demanda mantiene igual y los cambios de potencia del compresor directamente proporcionales al cambio en el flujo, la energía del eje del compresor se reduce por un total de 27 caballos de fuerza o 1,8 por ciento. Esto es menos de 36 por ciento de los ahorros mediante el.5% psig por regla general, entrega de $18.000 de ahorro en comparación con $50.000 mediante el cálculo incorrectamente aplicado. Si el compresor funciona normalmente en un estado modulado utilizando una paletas de guía de entrada correctamente aplicado, potencia del eje es reducido 1,7 por ciento.

Es importante señalar que a diferencia de los compresores de tornillo rotativo, compresor centrífugo modelo números no representan necesariamente rendimiento del compresor. Varias combinaciones diferentes de impulsor/difusor pueden utilizarse para un bastidor externo determinado, diseño y motor. La combinación de impulsores y difusores es comúnmente como el "aero" del compresor. Varios diferentes paquetes aerodinámicos pueden ser utilizados para un número de modelo del compresor dada y cada uno tiene su propia capacidad de funcionamiento único. Uno no puede utilizar una curva genérica — o incluso una curva desde el mismo modelo de compresor, a menos que el fabricante confirma que los compresores se fabrican usando el mismo aero.

Es igualmente importante garantizar datos es corregidos para las condiciones del sitio o un rango de condiciones si el ambiente cambia con respecto al tiempo. Referencia Figura 1, las tres curvas (de izquierda a derecha) representan datos de ambiente a 70 ° F y 95 ° F y 30 ° F. Basado en cómo cambia la curva de rendimiento en relación con la temperatura, no es raro encontrar compresores que operan en estrangulador durante varios meses al año. Esto es significativo ya que los presupuestos para ahorros de energía asociados con la presión hay que tener en cuenta tiempo, temperatura y ubicación en la curva. Sin estos datos, cualquier intento de estimar ahorros asociados con la presión puede ser confuso. En algunos casos, poder puede aumentar ya que la presión se reduce.

Ahorro de energía para compresores centrífugos

Capacidades de presión máxima del compresor específico se basan en el paquete aero, condiciones ambientales y estado mecánico. La presión de funcionamiento máxima está limitada por el compresor que se alza en la parte superior de la curva. Este punto se llama la presión de aumento natural. Referencia Figura 1, la línea horizontal rosa representa la línea de presión constante. Cuando la demanda es menor que el caudal máximo del compresor, válvulas reguladoras de la entrada para reducir el flujo. Con paletas de guía de entrada, la eficiencia permanece razonablemente constante mientras el compresor está estrangulando. La energía sofocada se muestra en la curva inferior del flujo de energía – como la línea diagonal. El caudal mínimo de mariposa para un compresor centrífugo es limitado basado en el diseño. Siguiendo la línea horizontal rosa en la figura 1 a la izquierda, el mínimo flujo estable se basa en el punto donde la línea de presión constante se cruza con la línea de la oleada de acelerador. Si el compresor intenta limitar el flujo a menos que este punto de intersección, surge el compresor. Por razones obvias, esto se llama una oleada de gas. La línea de la oleada de gas puede verse en la Fig. 1 como la línea diagonal azul en el diagrama de presión-flujo.

Si la demanda de aire es menor que esta restricción mínima, exceso de aire se descarga a la atmósfera para compensar la diferencia entre flujo estable mínimo y requisitos de la demanda. Desafortunadamente, después de que el compresor deja de regulación, el poder no cambia. En consecuencia se pierde todo el aire que se descarga a la atmósfera. Para un compresor que opera con frecuencia con el aire que pasa por alto a la atmósfera, reducir la presión reduce el flujo donde ocurre aumento del acelerador. Después de ajustar los ajustes de control, un compresor que opera a caudal mínimo todavía reduce la potencia al aumentar las capacidades del acelerador en relación con el flujo de aumento de aceleración reducida. Esto es solamente el caso si el compresor pasa por alto de aire en la atmósfera y los controles permiten el compresor modular la entrada, que aumenta las capacidades del acelerador y disminuye la potencia. Una vez más, el sitio corregido curvas son necesarias para cuantificar los ahorros potenciales.

La capacidad para operar un compresor cerca de picos de aceleración está limitada por la complejidad de los algoritmos de control variable de la válvula reguladora utilizada, y cómo se ajustan los lazos PID del compresor en relación con la dinámica de sistemas. Figura 1 ilustra la reducción de energía asociada con el ajuste el límite de acelerador de compresor de un ajuste conservador a un ajuste más eficiente mediante la regulación del compresor del lazo PID para velocidades de reacción del compresor coincida con la tasa de cambios de la demanda. Mirando las dos líneas discontinuas, púrpura y marrón vertical desde la línea de presión constante a la línea de mariposa en la figura 1 se aprecia el cambio en el poder asociado con los ajustes en los controles del sistema. Para este compresor, potencia se redujo a 160 caballos de fuerza con ninguna inversión de capital. El compresor todavía omite aire a la atmósfera, pero la cantidad era reducida scfm 980, asociadas con la modulación del compresor más cerca para el valor de aumento de aceleración. Es importante tener en cuenta que el límite de control de oleada de gas está normalmente situado por una razón. Análisis de causa raíz apropiada es necesaria para definir los problemas que influyen en la configuración elevada. Como una organización que ha revisado cientos de sistemas de compresor centrífugo con detalles técnicos avanzados y analytics, Ingersoll Rand realiza acciones correctivas pueden variar significativamente entre los sistemas. En algunas situaciones, seis ahorros de figura pueden realizarse mediante la corrección de un problema complejo con una inversión de $100. Inversamente, el ahorro puede requerir correcciones complejas y costosas que no son justificables.

Evaluación del rendimiento del compresor centrífugo

Es importante señalar que el rendimiento de un compresor centrífugo puede cambiar dramáticamente con el tiempo debido a la degradación mecánica de los componentes internos. Aunque cuestiones importantes con asambleas de rotación pueden ser identificadas a través de lecturas de vibración elevada, erosión de impulsores y difusores puede reducir significativamente las capacidades de presión, fiabilidad y eficiencia de un compresor centrífugo con insignificante impacto en vibración. Por esta razón, debe hacerse una evaluación de desempeño para cada compresor centrífugo regularmente y como parte de cualquier proyecto de conservación de energía. Cualquier evaluación del sistema de aire comprimido que incluye pruebas detalladas y análisis de rendimiento del compresor tienen datos insuficientes o cuestionables y pueden ser una indicación de la capacidad de compresor centrífugo del auditor.

También es importante tener en cuenta que anterior reparación de un compresor centrífugo de puede haber cambiado significativamente rendimiento. Algunos proveedores de servicios de posventa sustituir componentes internos aerodinámicos que no coinciden con el diseño original. En algunas ocasiones, en lugar de sustituir componentes, coste puede guardarse por abajo de las láminas de rotor y de reequilibrio de las Asambleas. Esto resuelve problemas de vibración, pero puede alterar dramáticamente el rendimiento.

Hace referencia a la curva en la figura 1, este compresor es capaz de entregar 135 psig en la condición de 95 ° F. Si este compresor se vende como una unidad psig 90, muchos proveedores de servicios centrífugas oleada natural presión de prueba y lo consideran una prueba de rendimiento. Haber trabajado con muchos aero-compresor de ingenieros en el desarrollo y verificación de los análisis de rendimiento del compresor centrífugo y procedimientos de pruebas no intrusiva in situ, es seguro decir que hay mucho más para evaluar el rendimiento del compresor que pruebas de oleada de presión y vibración. Comunes supuestos del servicio de compresor centrífugo consideran una presión de oleada natural superior a 10-15 por ciento por encima de la presión de diseño a ser normal, independientemente de la temperatura. En consecuencia, surge prueba el compresor en la figura 1 y logrando una presión de oleada natural mayor que 103 psig se considera la verificación positiva de rendimiento por muchas organizaciones. Esto no se hace con intención maliciosa, lazos a principio de este artículo y los problemas asociados con experiencia y percepción conocimiento. Así como el ingeniero desinformado inocente podría estimar $100.000 de ahorro cuando no hay ninguno, muchos técnicos de campo ejecutaría lo que dijeron es una prueba de rendimiento, sin querer descuidar identificar el funcionamiento del compresor degradado y fiabilidad.

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