1. Perslucht, inleiding en theorie

Transcriptie

1 1. Perslucht, inleiding en theorie 1.1. Inleiding Al rond 2500 jaar voor Christus vindt men de eerste toepassing van perslucht in de vorm van blaasbalgen. De behoefte aan blaasbalgen nam toe om het vuur aan te wakkeren, nodig om een voldoende hoge temperatuur te bereiken om ijzer uit ijzererts te smelten. De blaasbalg bleef lang de compressor voor het opwekken van perslucht, bijvoorbeeld in de smederij om het smidsvuur aan te wakkeren (Afb. 1.1) en ook in de orgelbouw. Maar ook in de traditionele koekoeksklok zit een balgje dat de perslucht opwekt om de koekoek de tijd te laten roepen. In 1868 kwam de Amerikaans tandarts George F. Green met een pneumatische tandartsboor waarbij de perslucht werd opgewekt met pedaal aangedreven blaasbalgen. Afb. 1.1 Blaasbalg in een smederij Vanaf het midden van de 19e eeuw werd perslucht systematisch in de techniek ingezet. Perslucht aangedreven gereedschappen, boorhamers, buizenpostinstallaties, locomotieven en andere hulpwerktuigen zijn voorbeelden van de steeds verdere uitbreiding van het toepassingsgebied. De echte opmars begon in de periode van mechanisering en automatisering rond het midden van de 20e eeuw: mechanisering is het vervangen van menselijke spierkracht door een door de mens bediende machine en automatisering is het vervangen van de menselijke spierkracht en hersenen door machines en besturingstechniek. Binnen de productieautomatisering neemt de pneumatische aandrijftechniek een belangrijke plaats in, met name in de voedingsmiddelen- en verpakkingsindustrie, de elektronica- en automotive industrie. Daarbij wordt niet alleen gebruik gemaakt van perslucht maar ook van vacuümtechniek, bijvoorbeeld om met zuignappen producten op te pakken. Afhankelijk van de toepassing kan vacuüm worden gecreëerd met perslucht en een ejector. Het woord pneumatiek is afgeleid van het Griekse woord pneuma dat adem betekent. Perslucht wordt gebruikt om motoren, machines en gereedschappen aan te drijven, onderdelen schoon te blazen, banden op te pompen, of als ademlucht voor de brandweer en in de duiksport door duikers. Ook in de medische wereld wordt gebruik gemaakt van perslucht, zogenaamde Medische perslucht van Farmacopee kwaliteit. Persluchtcompressoren Hst_1 V3.0 pagina 1 van 12

2 1.2. Afbakening Deze Technische leergang behandelt de zogenaamde dynamische en verdringer luchtcompressoren met de volgende afbakening: drukbereik: 3 tot 13 bar; te comprimeren medium: lucht. De natuurkundige begrippen die in dit hoofdstuk worden behandeld dienen als basis om de verschillende praktische aspecten die bij het comprimeren van lucht van belang zijn, uit te leggen en te begrijpen De samenstelling van lucht De lucht in de atmosfeer van de aarde is een natuurlijk gasmengsel. Lucht is onzichtbaar, reuk- en smaakloos mits het zuivere droge lucht is. Door comprimeren en koeling kan lucht vloeibaar worden gemaakt. Het heeft een kookpunt van -194 C. De atmosferische lucht is een mengsel van zuivere lucht (O2 en N2), waterdamp, diverse gassen en verontreinigingen zoals stofdeeltjes en roet. Gemiddeld heeft het gasmengsel lucht de volgende samenstelling (volumeprocent): stikstof N2: 78,03%; zuurstof O2: 20,90%; argon Ar: 0,94%; koolstofdioxide CO2: 0,03%; edelgassen waterstof, helium, neon, krypton, xenon in zeer kleine percentages. Afb. 1.2 Lucht is een gasmengsel en bestaat voor het grootste deel uit stikstof en zuurstof en circa 1% uit overige gassen Deze waarden gelden voor luchtlagen direct boven de zeespiegel; in industriegebieden kan de samenstelling aanzienlijk afwijken. De atmosferische lucht heeft meestal een hoog waterdampgehalte en wordt daarom vochtige lucht genoemd, dit in tegenstelling tot droge lucht Atomen en moleculen Materie is opgebouwd uit atomen en moleculen. Het allerkleinste deeltje dat nog alle eigenschappen van een materiaal bezit, heet een atoom. Het is de bouwsteen van het element: een element is een zuivere stof. Een atoom is opgebouwd uit een kern met positief geladen protonen en in het algemeen evenveel neutrale deeltjes, de neutronen. De protonen en neutronen in de kern geven het atoom massa. Deze massa wordt uitgedrukt in de atomaire massa-eenheid u: 1 u 1, kg. Om de kern draaien negatief geladen elektronen in zogenaamde schillen. Het aantal elektronen is gelijk aan het aantal protonen in de kern: het atoom is dus qua lading neutraal. Bevat de kern van een atoom 6 protonen en 6 neutronen dan bedraagt de atomaire massa-eenheid 12 u. De massa van elektronen (9,10938x10-31 kg) is verwaarloosbaar ten opzichten van die van de protonen en neutronen (Afb. 1.3). Persluchtcompressoren Hst_1 V3.0 pagina 2 van 12

3 Afb. 1.3 Koolstofatoom (C): de atoomkern bevat 6 protonen en 6 neutronen. De atoomkern geeft het atoom massa (m = 12 u). De 6 negatief geladen elektronen draaien in banen om de atoomkern Atomen van hetzelfde element of van verschillende elementen kunnen zich aan elkaar binden en vormen dan moleculen. Het woord molecuul is afgeleid van het Latijnse molecula ofwel kleine massa. De afmetingen van moleculen liggen in de orde van nanometers. (1 nm = m, één miljoenste millimeter ofwel 0, m). Een stikstofatoom is opgebouwd uit een kern met 7 protonen en 7 neutronen met daar omheen twee schillen waarin 7 negatief geladen elektronen draaien De atoom massa wordt bepaald door de 7 protonen en 7 neutronen: in dit geval een atoommassa van m =14 u. Losse atomen van dit element zijn zeer reactief en verbinden zich direct met andere stikstofatomen. Hierbij wordt meestal di-stikstof gevormd, N2 of moleculaire stikstof, wat de gangbare verschijningsvorm van stikstof is (Afb. 1.4). Een zuurstofatoom is opgebouwd uit een kern met 8 protonen en 8 neutronen met daar omheen twee schillen waarin 8 negatief geladen elektronen draaien De atoom massa m =16 u. Losse atomen van dit element zijn net als stikstof zeer reactief en verbinden zich direct met andere zuurstofatomen. Hierbij wordt meestal di-zuurstof gevormd, O2 of moleculaire zuurstof, wat de gangbare verschijningsvorm van zuurstof is (Afb. 1.4). Persluchtcompressoren Hst_1 V3.0 pagina 3 van 12

4 Afb. 1.4 Losse atomen stikstof en zuurstof vormen moleculen N2 en O2, de gebruikelijke verschijningsvorm in lucht Enkele eigenschappen van moleculen: tussen de moleculen van een stof bevinden zich ruimten: de intermoleculaire ruimten; moleculen trekken elkaar aan: de aantrekkingskracht tussen moleculen van dezelfde stof heet cohesie en tussen moleculen van verschillende stoffen adhesie; moleculen zijn voortdurend in beweging. Ze botsen tegen elkaar. Door deze botsingen kunnen moleculen van verschillende gassen of vloeistoffen, maar ook die van gassen en vloeistoffen zich met elkaar vermengen. Dit verschijnsel noemen we diffusie; bij stijging van de temperatuur neemt de gemiddelde snelheid van de moleculen (kinetische energie) toe; de moleculen botsen tegen de wand van een gesloten vat en dat veroorzaakt druk. Bij temperatuurverhoging neemt de botsingssnelheid van de moleculen toe en daarmee de druk. Door het volume van het vat te verkleinen of meer lucht in het vat te persen worden de botsingen heftiger en neemt de druk toe. Lucht is een mengsel van gassen. In een gas zijn de onderlinge afstanden tussen de moleculen zo groot, dat ze bijna geen kracht meer op elkaar uitoefenen. Ze kunnen vrij door de ruimte bewegen en worden in hun beweging alleen belemmerd door de botsingen tegen elkaar en tegen de wand van de ruimte waarin zij zich bevinden. Ze verspreiden zich dus in deze ruimte. Een gas heeft daarom geen vast volume. Omdat de intermoleculaire ruimte zo groot is, is een gas, en dus lucht, goed samendrukbaar. De wanden van vaten en apparaten die lucht bevatten, ondergaan een intense beschieting met luchtmoleculen. In lucht van 0 C (273K) en circa 1 bar wordt iedere cm 2 van een voorwerp getroffen door stoten per seconde. De druk van de lucht op de wanden van een voorwerp is het resultaat van alle moleculaire botsingen op deze wanden. Bij 0 C (273K) en circa 1 bar bevat 1 cm 3 lucht ongeveer (27 triljoen) moleculen. Hun snelheid bedraagt gemiddeld 500 m/s en deze snelheid neemt toe met de druk en de temperatuur. Persluchtcompressoren Hst_1 V3.0 pagina 4 van 12

5 1.5. Atmosferische druk De aarde trekt alles naar zich toe wat zich in haar omgeving bevindt (= zwaartekracht). Ieder voorwerp op aarde, dus ook lucht, heeft door deze zwaartekracht een bepaald gewicht en oefent een kracht uit op het oppervlak waarop het rust. Deze zogenaamde luchtdruk ontstaat dus door het eigen gewicht van de lucht. De luchtdruk schommelt van dag tot dag en de verschillen in luchtdruk hangen nauw samen met de bewegingen van luchtmassa s. De druk van de lucht breidt zich in alle richtingen gelijkmatig uit. De gemiddelde normale luchtdruk van de vrije atmosfeer bedraagt op zeeniveau 760 mm Hg (kwikkolom), wat overeen komt met ongeveer 1,014 bar. De luchtdruk geven we soms ook aan met de hoogte van een kolom water. Sinds 1 januari 1978 zijn voor druk de volgende drukeenheden toegestaan: pascal (Pa); bar (bar). 1 Pa = 1 N/m 2 = 10-5 bar 1 bar = Pa = 100 kpa = 0,1 Mpa 1 mbar = 100 Pa = 1 hpa = 100 N/m 2 De bar is geen SI-eenheid van druk, maar is wel een blijvend erkende eenheid die in de industrie en het dagelijkse leven veel gebruikt wordt. De SI-eenheid voor druk is de pascal (Pa). Eerder werd in de meteorologie de luchtdruk uitgedrukt in millibar (mbar); tegenwoordig wordt daar de eenheid hectopascal (hpa) voor gebruikt, die precies dezelfde waarde vertegenwoordigt. Zo wordt de druk in een autoband (bandenspanning) vaak uitgedrukt in kpa maar ook wel in bar, bijvoorbeeld 220 kpa of 2,2 bar. In de pneumatiek en hydrauliek wordt overwegend gewerkt met de eenheid bar. Manometers met de druk in Pa of MPa zijn in die branche zeldzaam. In de praktijk worden veel manometers toegepast met een schaalverdeling in bar en wordt teven de druk in de Angelsaksische eenheid psi, pound per square inch, aangegeven (Afb. 1.5) waarbij 1 bar =14,5 psi (zie ook omrekentabel tabel 1) Afb. 1.5 Manometer met een drukbereik tot 16 bar (buitenste schaalverdeling). De binnenste schaalverdeling geeft de druk in psi waarbij 1 bar = 14,5 psi Druk p N/m 2 (Pa) bar psi (lb/in 2 ) N/m 2 (Pa) , bar ,5 psi (lb/in 2 ) 6, , Tabel 1.1 verband tussen de verschillende drukeenheden Manometers geven de druk aan ten opzichte van de buitenluchtdruk. Als de druk in een vat gelijk is aan de buitenluchtdruk staat de manometer meter op 0 bar. Zodra de druk in het vat hoger wordt dan de buitenluchtdruk geeft de meter dat aan. Als de manometer 3 bar aangeeft is dat dus een overdruk van 3 bar: 3 bar meer dan de buitenluchtdruk (Afb. 1.6). Bij een atmosferische luchtdruk van 1 bar komt de 3 bar(o) die door de meter wordt aangegeven overeen met een absolute druk van 4 bar(a). In de praktijk wordt gewerkt met de waarde die de manometer aangeeft: de overdruk. Persluchtcompressoren Hst_1 V3.0 pagina 5 van 12

6 In de persluchttechniek wordt het onderscheid tussen absolute druk en overdruk tot uitdrukking gebracht door een letter toe te voegen aan de eenheid. De absolute druk wordt dan aangegeven door bijvoorbeeld bar(a), en de overdruk door bar(o) of bar(g) (bar gauge). Als een manometer de waarde nul aangeeft, dan is dat nul bar(o). Afb. 1.6 Manometers geven de druk ten opzichte van de op dat moment heersende atmosferische druk. Om de absolute druk te bepalen moet de omgevingsdruk bij de druk op de manometer worden opgeteld. In de persluchttechniek geeft men dat in de eenheid aan door het toevoegen van een a of een o 1.6. Vochtige lucht De atmosferische- of buitenlucht bevat altijd een bepaalde hoeveelheid waterdamp. Des te hoger de temperatuur des te meer waterdamp kan de lucht opnemen. Vocht speelt een grote rol bij het comprimeren van lucht. Om hier inzicht in te krijgen wordt een aantal belangrijke begrippen behandeld. Absolute vochtigheidsgraad. Bij iedere temperatuur kan lucht, onafhankelijk van de luchtdruk, een vaste maximale hoeveelheid (g/m 3 ) waterdamp bevatten (tabel 1.2). Men noemt dat de absolute vochtigheidsgraad. Zo kan atmosferische lucht van 23 C maximaal 20 g waterdamp per m 3 bevatten. De absolute vochtigheidsgraad is dan 20 g/m 3. Dauwpunt De temperatuur waarbij de maximale hoeveelheid waterdamp wordt bereikt noemt men het verzadigingspunt of dauwpunt en men spreekt van verzadigde lucht. Heeft atmosferische lucht van 23 C een absolute vochtigheidsgraad van 20 g/m 3, het maximaal mogelijke, dan zal er bij verdere temperatuurdaling vocht condenseren. Het dauwpunt van deze lucht bedraagt dan 23 C. Relatieve vochtigheidsgraad De relatieve vochtigheidsgraad RV is bij het dauwpunt 100%. Zit er bij een bepaalde temperatuur minder waterdamp in de lucht dan het maximaal mogelijke, dan spreekt men over onverzadigde vochtige lucht. Daarbij ligt de relatieve vochtigheidsgraad RV onder de 100%. De relatieve vochtigheidsgraad geeft dus aan hoeveel waterdamp aanwezig is ten opzichte van het maximaal haalbare: bij stijgende temperatuur kan de lucht meer vocht opnemen; daardoor daalt de relatieve vochtigheid; bij dalende temperatuur stijgt de relatieve vochtigheid omdat de lucht minder vocht kan bevatten of opnemen. Persluchtcompressoren Hst_1 V3.0 pagina 6 van 12

7 Bovenstaande begrippen worden uitgelegd aan de hand van enkele voorbeelden. Hoeveelheid waterdamp in verzadigde lucht (RV = 100%) T ( C) Waterdamp (g/m 3 ) -20 0,9-10 2,1 0 4,9 10 9, , Tabel 1.2 Hoeveelheid waterdamp in verzadigde lucht (g/m 3 ); de maximale hoeveelheid waterdamp hangt af van de temperatuur en is onafhankelijk van de druk. Voorbeeld 1 Uit tabel 1.2 blijkt dat bij 23 C 1 m 3 verzadigde lucht/perslucht (RV=100%) ongeveer 20 g waterdamp bevat. Bij 10 C kan 1 m 3 verzadigde lucht/perslucht (RV=100%) ongeveer 9,4 g waterdamp bevatten. Dus als 1 m 3 verzadigde lucht van 23 C afkoelt tot 10 C condenseert er 20 gram 9,4 gram =10,6 gram waterdamp tot water (Afb. 1.7). Afb. 1.7 Voorbeeld 1 en 2. Links: maximaal 20 gram waterdamp in 1 m 3 lucht van 23 ºC. Rechts: na afkoeling tot 10 ºC kan de lucht van 10 ºC nog maar 9,4 gram waterdamp bevatten in plaats van 20 gram 10,6 gram waterdamp condenseert tot water Voorbeeld 2 De relatieve vochtigheidsgraad RV geeft aan hoeveel waterdamp aanwezig is ten opzichte van het maximaal haalbare. Als het aandeel waterdamp in het volume lucht van 1 m 3 en 23 C in Afb. 1.7 links 16 gram bedraagt is de relatieve vochtigheidsgraad: RV =16 gram/20 gram = 0,8 = 80%. Als deze lucht afkoelt tot 20 C treedt geen condensatie op. Bij 20 C kan de lucht namelijk 17,2 gram waterdamp bevatten en er zit maar 16 gram waterdamp in geen condensatie. Bij 20 C is de relatieve vochtigheid wel opgelopen namelijk tot RV =16 gram/17,2 gram = 0,93 = 93%. Pas als de luchttemperatuur gedaald is tot 19 C wordt het dauwpunt bereikt (Afb RV=100%) en zal bij verdere daling van de temperatuur condensatie optreden. Voorbeeld 3 Persluchtcompressoren Hst_1 V3.0 pagina 7 van 12

8 Bij 23 C kan verzadigde lucht/perslucht ongeveer 20 g/m 3 waterdamp bevatten. Als een volume verzadigde lucht van 1 m 3 met een druk van 100 kpa (1 bar absoluut) en een relatieve vochtigheidsgraad van 100% wordt gecomprimeerd tot 200 kpa (2 bar absoluut = 1 bar overdruk) halveert bij dezelfde temperatuur het volume en daarmee ook de maximale hoeveelheid oplosbare waterdamp. Er zal dus de helft van 20 g ofwel 10 g waterdamp condenseren (Afb. 1.8). Afb. 1.8 Voorbeeld 3. Links: maximaal 20 gram waterdamp in 1 m 3 lucht van 23 ºC. Rechts: na compressie tot het halve volume kan de lucht van 23 ºC nog maar 10 gram waterdamp bevatten in plaats van 20 gram 10 gram waterdamp condenseert tot water Drukdauwpunt Zoals al eerder aangegeven, bedraagt de RV bij het dauwpunt 100%. Het dauwpunt heeft betrekking op atmosferische lucht (atmosferische luchtdruk). De temperatuur waarbij de maximale hoeveelheid waterdamp wordt bereikt noemt men ook wel het drukdauwpunt. Dit wordt uitgelegd aan de hand van Afb.1.9. In beide situaties van Afb.1.9 gaat het om 1 m 3 lucht met een RV van 100%. Het linker vat bevat atmosferische lucht (1 bar(a)) en het middelste vat lucht van 8 bar(a). De maximale hoeveelheid waterdamp hangt alleen maar af van de temperatuur en omdat deze in beide gevallen 23 C bedraagt bevat elk vat bij RV =100% 20 gram waterdamp. Het dauwpunt van het linker vat met atmosferische lucht is dus 23 C. Het drukdauwpunt van het middelste vat bedraagt dus ook 23 C. Afkoeling van beide vaten zal leiden tot condensatie van waterdamp. Waarom dan een onderscheid tussen dauwpunt en drukdauwpunt? Bij het middelste vat is het drukdauwpunt van 23 C gegeven bij een druk van 8 bar(a) en niet bij atmosferische druk. Daarom moet dit worden aangegeven als drukdauwpunt bij 8 bar(a). Laat men de lucht in het middelste vat bij constante temperatuur expanderen tot een volume van 2 m 3 (rechter vat) dan wordt de lucht droger: de 20 gram water wordt dan verdeeld over 2 m 3 ofwel 20/2 = 10 g/m 3 bij een druk van 4 bar(a). Dat komt overeen met een RV = 10/20 = 0,5 =50% en een drukdauwpunt van 11 C bij 4 bar. Bij een expansie tot 4 m 3 wordt dit 20/4 = 5 g/m 3 en een drukdauwpunt van 4 C bij 2 bar(a). Bij een expansie tot 8 m 3 wordt de lucht geëxpandeerd tot atmosferische druk en wordt de absolute vochtigheid 20/8 = 2,5 g/m 3, de RV = 2,5/20 = 0,125 =12,5% en een dauwpunt van -8 C bij atmosferische druk. Het dauwpunt van luchtdrogers wordt vaak als drukdauwpunt opgegeven. Daarom is het belangrijk bij het drukdauwpunt ook de bijbehorende druk aan te geven zodat er geen misverstand ontstaat ten aanzien van de aangegeven waardes. Persluchtcompressoren Hst_1 V3.0 pagina 8 van 12

9 Afb.1.9 In het linker vat is het dauwpunt 23 C. In het middelste vat is het drukdauwpunt 23 C bij 8 bar(a). Expandeert de lucht uit het middelste vat tot een volume van 2 m 3 (situatie rechter vat) dan wordt de lucht droger en bedraagt het drukdauwpunt 11 C bij 4 bar(a) Relatieve vochtigheid in de praktijk In de praktijk is vooral de relatieve vochtigheid RV belangrijk, omdat deze een idee geeft of de lucht bij de gegeven temperatuur droog of vochtig is. De gemiddelde relatieve vochtigheid van de atmosferische lucht bedraagt in Nederland tussen 73 en 89% en hangt af van de temperatuur. Bij het oplopen van de temperatuur kan de lucht meer vocht opnemen en daalt de relatieve vochtigheid RV; Bij het afnemen van de temperatuur kan de lucht minder vocht opnemen en stijgt de relatieve vochtigheid RV. Afb Verband tussen temperatuur, watergehalte en relatieve vochtigheidsgraad Op een droge winterdag met een RV=40% bevat de lucht bij -0 C 40% van 4,9 g/m 3 (tabel 1.2) = 2,0 g waterdamp per kubieke meter. Op een zwoele zomerdag met een RV=80% bevat de lucht bij 30 C 80% van 30 g/m 3 = 24 g waterdamp per kubieke meter. Het dauwpunt ligt in dat geval op 26 C waardoor het door de meeste mensen ervaren wordt als een klammerige benauwde atmosfeer. Persluchtcompressoren Hst_1 V3.0 pagina 9 van 12

10 Afb geeft het verband tussen temperatuur, watergehalte en relatieve vochtigheidsgraad. De groene verticale lijn geeft weer hoe lucht van 40 C en een relatieve vochtigheidsgraad van 60% afkoelt tot 20 C. Bij 30 C begint er damp te condenseren en uiteindelijk zal er bij 20 C 30,00 g 17,15 g = 12,85 g water gecondenseerd zijn. De principes van condensatie spelen een grote rol bij het comprimeren en conditioneren van perslucht Comprimeren van lucht Als een volume gas wordt gecomprimeerd nemen de druk en temperatuur toe. Het verband tussen volume V, druk p en temperatuur T wordt gegeven door de algemene gaswet, de Wet van Boyle Gay- Lussac. Deze wet luidt: p1 V1 T1 p2 V2 T2 Waarbij: p1 = absolute begindruk (bar(a)) V1 = beginvolume (l) T1 = absolute begintemperatuur (K) P2 = absolute einddruk (bar(a)) V2 = eindvolume (l) T2 = absolute eindtemperatuur (K) Absolute temperatuur Onder de absolute temperatuur verstaat men de temperatuur in K (kelvin). Het absolute nulpunt is het punt waarbij er geen beweging van de moleculen meer optreedt en dat punt wordt aangeduid met T = 0 K. Dit komt overeen met een temperatuur van 273 C. Een kamertemperatuur van 20 C komt dus overeen met =293 K. Bij berekeningen met de Wet van Boyle Gay-Lussac wordt gerekend met de absolute temperatuur. Voorbeeld Een persluchtfles met een inhoud van 12 l wordt gevuld met lucht van 200 bar. De aangezogen lucht heeft een temperatuur van 15 C. Door het comprimeren is de luchttemperatuur opgelopen tot 55 C (Afb. 1.11). Afb Links: de beginsituatie van de omgevingslucht, rechts de eindsituatie na het vullen van de fles. De aangegeven drukken zijn absolute drukken. Een manometer op de fles zou 199 bar aangeven. Gevraagd: hoeveel liter omgevingslucht van 1 bar is er gecomprimeerd tot 200 bar absoluut (=199 bar overdruk)? Oplossing: Persluchtcompressoren Hst_1 V3.0 pagina 10 van 12

11 p1 V1 T1 p2 V2 T2 1bar V1 200 bar l2 liter 288 K 328 K 200 bar12 liter 288 K V K 1bar 2107,3 liter 1.8. Dichtheid van lucht De dichtheid of soortelijke massa ρ van atmosferische lucht met een druk van 1,013 bar, bij een temperatuur van 0 C en een relatieve vochtigheid van 85% bedraagt 1,27 kg/m³ = 0,00127 g/cm³. De dichtheid heeft geen constante waarde maar hangt af van de druk p, de temperatuur T en voor een deel ook van het vochtgehalte van de lucht. Tabel 1.3 geeft de dichtheid bij verschillende temperaturen van droge lucht op atmosferische druk (1,013 bar). Temperatuur ( C) Dichtheid ρ (kg/m 3 ) -10 C 1,342-5 C 1,316 0 C 1,293 5 C 1, C 1, C 1, C 1, C 1, C 1,165 Tabel 1.3 Dichtheid ρ van droge lucht bij een atmosferische druk van 1,013 bar (zeeniveau) Voorbeeld: als een compressor q v=12 m 3 /min lucht 1 aanzuigt van 10 C (ρ = 1,247 kg/m 3 ) en 1,013 bar dan komt dat overeen met een massastroom q m (kg/min): q 3 3 m q v 12 m /min 1,247 kg/m 14,96 kg/min [1] Als diezelfde compressor 12 m 3 /min lucht van 30 C aanzuigt (ρ = 1,165 kg/m 3 ) komt dat overeen met een massastroom van: q 3 3 m q v 12 m /min 1,165 kg/m 13,98 kg/min [2] Waarbij: qm = massastroom (kg/min) qv = volumestroom (m 3 /min) ρ = dichtheid of soortelijke massa (kg/m 3 ) In situatie [2] zal de compressor dus meer volume lucht in het drukvat moeten pompen om dezelfde massa (kg) lucht in het vat te krijgen dan in situatie [1]. Voor perslucht en gassen gaat het niet zozeer om de productie en levering van een massastroom q m (kg/min) maar om volumestroom, bijvoorbeeld q v= 12 m 3 /min. Bij voorkeur volumes die steeds dezelfde druk, temperatuur en vochtgehalte hebben. Daarom is de normaal kubieke meter ingevoerd De capaciteit van een compressor Uit het voorgaande blijkt dat de opgegeven capaciteit (m 3 /min) van een compressor sterk afhangt van de omgevingstemperatuur en druk. Om de capaciteit van compressoren onderling te kunnen vergelijken, moet deze worden gemeten onder identieke gespecificeerde omstandigheden. Om die reden is de normaal kubieke meter Nm 3 ingevoerd. Normaal kubieke meter Nm 3 1 De officiële SI-eenheid voor volumestroom qv: m 3 /s, voor massastroom qm: kg/s. De hier gebruikte afwijkende eenheden worden in de praktijk gehanteerd Persluchtcompressoren Hst_1 V3.0 pagina 11 van 12

12 De normaal kubieke meter (Nm 3 ) is de eenheid waarin het volume van gassen, dus ook het volume van perslucht wordt uitgedrukt. Hiervoor zijn verschillende standaarden. In de compressorindustrie komt men nog wel tegen: DIN 1343: p N=1,013 bar (101,3 kpa of 1013 mbar), T N= 0 C (273 K) en RV= 0% ISO 2533: p N=1,013 bar (101,3 kpa of 1013 mbar), T N= 15 C (288 K) en RV= 0% De norm waarmee in Europa gewerkt wordt en die ook in deze Technische Leergang wordt aangehouden is: ISO 1217: p N=1,000 bar (1000 kpa of 1000 mbar), T N= 20 C (293 K) en RV= 0% bij een absolute druk aan de persaansluiting van 7 bar(a). FAD Een aan het bovenstaande gerelateerd begrip is FAD ofwel Free Air Delivery. Dit is de opbrengst van de compressor, teruggerekend naar de inlaatomstandigheden conform ISO In de documentatie van compressorleveranciers wordt de compressorcapaciteit dan ook aangeduid met FAD, in het metrische stelsel uitgedrukt in kubieke meter per minuut (m 3 /min) en in het imperiale stelsel in cubic feet per minute (CFM). Alleen op deze manier zijn de prestaties van systemen onderling te vergelijken en is er geen discussie over wat een systeem moet leveren. Levert een compressor 15 Nm 3 /min volgens ISO 1217 dan wordt dat als volgt aangegeven: q v is 15 m 3 /min 293K1,000bar en dit is dus de FAD van deze compressor. Voorbeeld: Een compressor zuigt lucht aan van 35 C (308 K) bij een buitenluchtdruk van 1,020 bar. De compressor heeft een FAD = 20 m 3 /min (=Nm 3 /min293k1,000bar conform ISO 1217). Hoeveel m 3 lucht moet er onder die omstandigheden worden gecomprimeerd om 1 Nm 3 te krijgen? Oplossing: pn VN TN p2 V2 T2 1,000 bar 1m 3 V 1,020 bar K 308 K V 2 1,000 bar 1m K 293 K 1,020 bar 1,0306 m 3 Om een FAD van 20 m 3 /min te leveren moet er dus 1,0306 x 20 m 3 /min = 20,6 m 3 /min worden aangezogen en gecomprimeerd. Dit komt overeen met 3,06 % meer. Benodigde capaciteit Als men het maximale luchtverbruik heeft uitgerekend kan een compressor worden geselecteerd. Een vuistregel is om de FAD 20% groter te kiezen zodat ook op een benauwde, vochtige zomerse dag de compressor de benodigde hoeveelheid perslucht nog kan leveren. Persluchtcompressoren Hst_1 V3.0 pagina 12 van 12