Snabbsvar
- Teoretisk sluttemperatur vid kompression från 20 °C till 8 bar i ett steg utan kylning: cirka 270 °C. Verkliga kolvkompressorer når ofta 150-220 °C i utloppet.
- Med två steg och mellankylning stannar varje steg vid cirka 130 °C och energibehovet blir ungefär 15 % lägre i teorin.
- Varje extra bar sluttryck kostar cirka 6-8 % mer energi.
- Nästan all elenergi som går in i en kompressor blir till slut värme, vilket gör värmeåtervinning intressant i större anläggningar.
En kompressor gör egentligen bara en sak: den minskar volymen på en mängd luft. Men den enkla processen styr nästan allt annat i ett tryckluftssystem: hur varm maskinen blir, hur mycket el den drar, hur mycket vatten som hamnar i tanken och varför vissa maskiner är byggda som de är.
Volym och tryck: Boyles lag
Om temperaturen hålls konstant är tryck × volym konstant (Boyles lag). Pressar du ihop 1 m³ luft vid atmosfärstryck till 8 bar övertryck, alltså cirka 9 bar absolut, blir volymen 1 × 1,013 ÷ 9,013 ≈ 0,11 m³. Tryckförhållandet är cirka 8,9 och det är det talet, inte manometerns 8, som bestämmer arbetet. Mer om skillnaden i bar, psi och tryck.
I verkligheten hålls temperaturen inte konstant. Kompressionen går så fort, i en kolvkompressor några hundradels sekund per slag, att värmen inte hinner ledas bort. Processen ligger då nära det som kallas adiabatisk kompression, där allt tillfört arbete stannar i luften som värme.
Varför luften blir så varm
För adiabatisk kompression gäller T2 = T1 × (p2 ÷ p1)(κ−1)/κ, där temperaturen räknas i kelvin och κ (kappa) är 1,4 för luft.
Räkneexempel: sluttemperatur i ett och två steg
Ett steg, 1 till 9 bar absolut från 20 °C (293 K): 293 × 90,286 ≈ 293 × 1,87 ≈ 549 K, alltså cirka 276 °C.
I en verklig kolvkompressor leds en del värme bort genom cylinderväggen redan under kompressionen. Med en polytropexponent på cirka 1,3 blir resultatet 293 × 90,23 ≈ 486 K, cirka 213 °C. Det stämmer med vad man mäter på tryckröret direkt efter ett hårt arbetande hobbyblock.
Två steg med mellankylning, tryckförhållande 3 per steg och kylning tillbaka till 20 °C mellan stegen: 293 × 30,286 ≈ 401 K, cirka 128 °C efter varje steg.
Den höga temperaturen har praktiska följder:
- Olja bryts ned snabbare vid höga temperaturer och kan bilda koksavlagringar på ventilplattan och i tryckröret. Rätt kompressorolja är formulerad för detta.
- Kolvringar och ventiler slits snabbare. Det är skälet till att kolvkompressorer har en begränsad intermittens: blocket måste få svalna.
- Vattnet följer med som ånga och fälls ut först när luften kyls i tank och slang. Hur mycket som bildas räknas fram i varför bildas kondens.
- Volymen krymper efteråt. Luft som kommer het in i tanken har högre tryck än samma luft när den svalnat. Därför sjunker tankens tryck något efter att kompressorn stängt av, utan att något läcker.
Oljeinsprutade skruvkompressorer hanterar värmen annorlunda: oljan som sprutas in i skruvelementet tar upp värmen direkt, så att luften lämnar elementet vid ungefär 70-100 °C. Oljan kyls sedan i en separat oljekylare. Se skruvkompressor.
Energin: vart tar elen vägen?
Arbetet för att komprimera luft kan räknas fram för tre idealfall. Siffrorna nedan gäller 1 m³ fri luft per minut komprimerad från 1,013 till 9 bar absolut (8 bar övertryck), utan några förluster i motor, transmission eller kompressor.
| Process | Teoretisk effekt | Kommentar |
|---|---|---|
| Isoterm (perfekt kylning) | cirka 3,7 kW | Teoretiskt minimum, ouppnåeligt |
| Adiabatisk, två steg med mellankylning | cirka 4,3 kW | Tvåstegs kolvkompressor, idealt |
| Adiabatisk, ett steg | cirka 5,1 kW | Enstegs kolvkompressor, idealt |
| Verklig bra skruvkompressor (7 bar) | cirka 7-8 kW elektriskt | Inklusive alla förluster |
Kompressor Koll-analys: Jämför man tabellens rader syns två saker. Tvåstegskompression sparar i teorin ungefär 15 % (4,3 mot 5,1 kW) genom att värmen tas bort halvvägs, innan den hunnit göra resten av kompressionen tyngre. Och även en bra verklig maskin använder ungefär dubbelt så mycket el som det isoterma minimumet. Skillnaden blir värme. Eftersom nästan all tillförd elenergi lämnar kompressorn som värme, i kylluft, olja och den heta tryckluften, kan en stor del återvinnas i anläggningar som går många timmar. En 15 kW skruvkompressor som går 2 000 timmar per år avger runt 30 000 kWh värme.
Varför varje bar kostar 6-8 %
Det adiabatiska arbetet är proportionellt mot (p2 ÷ p1)0,286 − 1. Från 7 till 8 bar övertryck går tryckförhållandet från 7,9 till 8,9 och uttrycket från 0,81 till 0,87, en ökning med cirka 7,6 %. Från 6 till 7 bar blir ökningen något större. Det är källan till den välkända tumregeln att en bar lägre systemtryck sparar 6-8 % energi. Hur det används i praktiken beskrivs i energieffektivitet och läckage, och vad energin kostar räknar du ut i elkostnadsräknaren.
Varför bygger man i två steg?
En tvåstegskompressor har en stor lågtryckscylinder som komprimerar till 2-3 bar och en mindre högtryckscylinder som tar det sista steget. Mellan dem sitter en mellankylare, oftast ett flänsat rör i fläktens luftström. Fördelarna följer av fysiken ovan:
- Lägre temperatur per steg, vilket ger mindre slitage, mindre oljenedbrytning och möjlighet att gå med högre intermittens.
- Bättre volymetrisk verkningsgrad. Med lägre tryckförhållande per steg blir återexpansionen i skadevolymen mindre, så en större del av slagvolymen blir avgiven luft. Se intagen och avgiven luft.
- Högre sluttryck möjligt. Tvåstegsmaskiner når ofta 11-15 bar, vilket är svårt att göra hållbart i ett steg.
- Lägre energi per liter luft, i teorin runt 15 % vid 8 bar, i praktiken beroende på hur bra mellankylningen är.
Nackdelen är pris, vikt och fler delar. För tryck upp till 8-10 bar och korta arbetspass är en enstegsmaskin ofta det rimliga valet.
Varning: Tryckrör, cylinderhuvud och mellankylare på en kolvkompressor kan hålla över 150 °C efter en stunds drift. Låt maskinen svalna innan service. Lukt av bränd olja eller missfärgat tryckrör tyder på överhettning, se överhettning.
Vanliga frågor
Är det normalt att kompressorn blir så varm?
Ja. Cylinderhuvud och tryckrör på en kolvkompressor blir för hett att röra vid efter några minuters drift, eftersom luften värms till 150-220 °C vid kompressionen. Onormalt är det om maskinen luktar bränt, om termoskyddet löser ut ofta eller om den går längre än intermittensen tillåter. Kontrollera då kylflänsar, fläkt och inloppsventiler.
Varför blir tanken varm och tryckluften kall vid verktyget?
Luften kommer het från blocket och kyls i tank och slang. När den sedan expanderar i verktyget eller blåspistolen sjunker temperaturen kraftigt, eftersom luften utför arbete när den expanderar. Därför kan en luftmotor bli kall och till och med frosta vid fuktig luft och långa arbetspass.
Hur mycket sparar en tvåstegskompressor?
I teorin cirka 15 % energi vid 8 bar jämfört med ett steg, under förutsättning att mellankylningen tar luften nära omgivningstemperatur. I praktiken beror besparingen på konstruktion och kylning. Den största vinsten för hobbyanvändare är ofta lägre temperatur och längre livslängd, snarare än elräkningen.
Kan man återvinna värmen från en kompressor?
Ja, i större anläggningar. Skruvkompressorer kan förses med värmeväxlare på oljekretsen som värmer vatten, eller så kan den varma kylluften ledas in i lokalen vintertid. Det lönar sig främst när kompressorn går många timmar per år och det finns ett jämnt värmebehov. För en hobbykompressor som går en timme i veckan är det inte meningsfullt.
Källor
- Atlas Copco, Compressed Air Manual (avsnitt om termodynamik, kompressionsarbete och flerstegskompression).
- Kaeser Kompressoren, Compressed Air Engineering (avsnitt om värmeåtervinning).
- U.S. Department of Energy, Improving Compressed Air System Performance: A Sourcebook for Industry.
- Energimyndigheten, information om energieffektiva tryckluftssystem (energimyndigheten.se).
Hittade du ett fel eller saknas något? Skriv till oss via kontaktsidan. Vi rättar sakfel och redovisar väsentliga ändringar på sidan Rättelser.