Автоматический компрессор IMars CZK-3631

Автоматический компрессор — что в нем автоматизированно? И как вычислить без разбора, насколько он качественный? (но разбор все равно будет).



Я его выбрал, несмотря на то, что даже фотографий на странице товара не было: там только 3д модель, и не очень качественно прорисованная. Но чем-то он мне приглянулся сразу.

Начнем с заявленных характеристик:
Материал: пластик
Размеры: 26х10х17 см
Вес: 1.2 Кг
Напряжение: 12 Вольт, 120 Ватт
Максимальное давление 150 фунтов на квадратный дюйм, это 10.2 Атм.

Компрессор пришел в картонной коробке.



В комплекте с ним пакетик с принадлежностями: два конуса для накачивания непонятно чего, одна игла для накачивания мячей и запасной предохранитель на 15А в штекер прикуривателя.



Длина шланга 59 см, длина провода 2 м 78 см. Вес компрессора 810 грамм.









Сразу бросается в глаза, что этот компрессор отличается от большинства других цифровым манометром. Мне нравятся цифровые манометры. У меня было несколько стрелочных приборов в свое время. Все они показывали разное давление. И, хуже того, каждый из них показывал на одном и том же колесе разные значения при нескольких подряд сделанных измерениях. Все эти мучения кончились с покупкой цифрового прибора. Уж не знаю, что там внутри за датчик, но он явно точнее пружинок и упругих анероидных коробочек традиционных приборов. Потом я купил еще один цифровой манометр для дома. И еще пару на подарки. И все я тестировал. И все показывали одно и то же значение, плюс-минус 0,02 Атм. Так что теперь, когда цифровой манометр разместили на компрессоре, для меня это стало решающим фактором.

Но цифровой манометр открывает еще одну полезную возможность для компрессора. По его показаниям можно легко отключать мотор при достижении требуемого давления. Разумеется, эта возможность реализована в настоящем компрессоре.

Выглядит это так: при подсоединении разъема в гнездо прикуривателя, экран манометра включается и он начинает показывать текущее давление. Нажатиями на кнопку "+" или "-" можно настроить требуемое давление. Цифры несколько секунд мигают на экране, а потом обратно сменяются на актуальное значение давления.

Вот как это происходит:



Нажатиями на кнопку «М» можно переключить шкалу измерений. Доступные варианты:

Psi


Bar


KPa


Kg/cm2


Я сразу переключил на привычные мне атмосферы и проверил диапазон настройки: от 0.35 до 10.55 Атм. С шагом 0.05 Атм.





Для тестирования нашлось колесико размерностью 14 дюймов и с резиной 185/60. Для начала сверим показания манометров:

отдельный прибор: 0.97 Атм



Компрессор: 0.95 Атм.



Выставляем требуемое давление 2.0 Атм. Включаем насос, он автоматически останавливается при достижении 2.1 Атм по встроенному манометру.



Проверяем по прибору.



2.14 Атм. Можно сказать, что показания совпали.

Накачивание заняло около двух минут. Не буду утомлять вас роликом на все две минуты, я вырезал наиболее скучные фрагменты из видео.



Теперь немного расчетов.
Прикинем эффективность компрессора. Потребляемый ток мы знаем, напряжение тоже, вычислить мощность не составит труда. Но вот как оценить проделанную полезную работу? Перво-наперво, хорошо бы узнать объем колеса. Интуитивно кажется, этот объем по сути является полноторией, радиусы которой нам известны. Но это не так. Современная покрышка в сечении далека от окружности, так что формула объёма полнотория не годится.
Более-менее соответствует действительности такое приближение: форма полости колеса описывается прямоугольником, вращающимся вокруг оси колеса. В моем случае внутренний радиус фигуры r оказался порядка 18 см, внешний — 27, а ширина беговой дорожки — 16 см. При таких габаритах внутренний объем получается 21 литр, и учитывая, что у нас очень грубые прикидки, примем его за 0,02 м3.

Итак, поршень сжимает воздух, было 60 литров, стало 30, давление поднялось с 1 до 2 атмосфер. Сжимаем дальше, стало 20 литров, мы уже закачали весь воздух в колесо, давление стало 3 атмосферы (на 2 атмосферы выше атмосферного, именно эту двойку нам показывает шинный манометр).
А дальше нам поможет объединенный газовый закон — объединение трех независимых частных газовых законов: Гей-Люсака, Шарля, Бойля-Мариотта, уравнение, которое можно записать так:

P1 * V1 / T1 = P2 * V2 / T2,

Так? Так, да не так.

Дело в том, что при сжатии воздух нагревается. А партия учит нас, что газы при нагревании расширяются. В цилиндре компрессора конечно поди расширься, но тенденция эта сильно осложняет компрессору жизнь. Чем яростнее мы сжимаем, тем больше энергии уходит на нагрев. Так происходит и в дизельном двигателе, там вообще смесь воспламеняется сама — не от искры свечи, а от нагрева при сжатии. Теоретически, мы конечно можем сжимать медленно и печально, тогда тепло от сжатия успеет рассеяться в среде и не будет нам мешать. Но не выйдет ли за это время воздух через неплотности в паре цилиндр-поршень, а самое главное захотим ли мы столько ждать — это вопрос.

Рассмотрим процесс накачивания колеса до 2 атмосфер. Сжатие воздуха происходит довольно быстро, теплопередача от него к стенкам цилиндра компрессора конечно присутствует, относительный ее вклад в расход энергии невелик, поэтому будем считать процесс адиабатным, т.е. без обмена энергией с окружающей средой.
Так весь наш расчет и покажет, сколько энергии уходит на полезное сжатие воздуха, а сколько на лишнее тепло.

Для адиабаты

p*V^k=const

где k — показатель адиабаты, для сухого воздуха 1.4

Считаем:

p1*60^1.4 = p2*20^1.4
p2 = 1 * 60^1.4 / 20^1/4
p2 = 4.65 Атм.

То есть, если мы быстро сожмем необходимый для накачивания колеса воздух и не дадим ему остыть, то он так нагреется, что давление станет 4,65 атмосфер! Потом, когда колесо остынет, давление вернется к положенным 3 атмосферам, конечно. А манометр наш покажет 2, он показывает превышение давления над уровнем окружающего.

Кстати, можно узнать и температуру воздуха, подвергшегося адиабатному сжатию до таких давлений. p*V/T=const. Или

T*V^(k-1)=const

Так что если при 60 литрах 273 К, то при 20 литрах будет:

273 * 60^0.4 = T2 * 20^0.4
T2 = 273 * 60^0.4 / 20^0.4
T2 = 424K = 151 °C

Это теоретический предел, до которого может нагреться воздух при закачивании в колесо. Потом все конечно остынет. Только когда поршень толкает воздух — ему не интересно, что будет потом, он преодолевает повышенное давление. Поэтому энергию надо затрачивать на сжимание нагревшегося воздуха. И силу надо прикладывать для преодоления большого давления.

Затраченная энергия обычно называется работой и рассчитывается как интеграл PdV в интервале от стартового объема до финишного. С учетом того, что p=const/V^k, интеграл будет:

А = (p1*V1 — p2*V2)/(k-1)

Чтобы получить привычные нам Джоули, заранее приведем все размерности в СИ: 1 Атм = 101325 Па, 4.65 Атм — 471161 Па, 20 литров — 0.02 м3, 60 литров — 0.06 м3.

Получаем:

А = (471161 * 0.02 — 101325 * 0.06) / 0.4 = 8359 Дж

Такую работу потребуется произвести компрессору для накачивания полностью сдутого моего колеса до давления 2 атмосферы.
Но в моем эксперименте я поленился сдувать колесо полностью, так что накачивал с исходного давления в 1 атм.
Проведя аналогичные вычисления для стартового давления, получим давление в конце работы 2.64 Атм и работу в 3237 Дж.

Выходит, что компрессор, подняв давления в колесе с 1 до 2 атм, произвел работу

8359 — 3237 = 5122 Дж.

И сделал он это приблизительно за две минуты 20 секунд, т.е. 140 секунд. Вычисляем полезную мощность, поделив работу на время:

P1 = A / t

5122 / 140 = 37 Дж/с = Вт.

37 Ватт ушло на накачивание колеса. А сколько потреблял компрессор?

Напряжение питания поддерживалось 12 вольт, ток плавно возрастал с 5.2 до 6 А. Будем считать, что средний ток был около 5.6 А. На самом деле рос он конечно не линейно, но мы уже сделали столько допущений, что это погоды не сделает. Получается, средняя потребляемая мощность компрессора, произведения напряжения на ток:

P2 = U * I

12 * 5.6 = 67 Ватт.

А коэффициент полезного действия

nu = P1/P2

37 / 67 = 0.55

Много это или мало? Это почти соответствует обычному кпд современного большого промышленного поршневого компрессора (0.6 — 0.8). А учитывая, что этот коэффициент является произведением кпд мотора, редуктора и цилиндро-поршневой группы, можно сказать, что ни один из этих элементов не портит общий показатель. Другими словами, мы могли даже не разбирать компрессор, чтобы точно сказать, что мотор не перегревается, редуктор не подклинивает, а уплотнения в паре цилиндр-поршень достаточно герметичны. 23 ватта уходят на нагрев проводов и цилиндра, шум, перемешивание смазки в подшипниках и газодинамические потери. Но этого всего, увы, не избежать в любом случае.

А вот, кстати, о шуме. Автомобильные компрессоры противно тарахтят, что многим не нравится. Этот в меру громкий, без раздражительных ноток и трезвучий.
Я замерил фоновый шум перед включением компрессора.



57 децибел. При запуске шум вблизи компрессора становится 86 децибел.



Вполне приемлемо.

Теперь можно вооружиться отверткой и разобрать компрессор.



Корпус пластиковый, собран из двух половинок, скрепленных шестью шурупами. Сверху крепится ручка на трех модных шурупах с внутренним шестигранником. Снизу присутствует крышка с прорезями для вентиляции и притока воздуха. Она на тугих защелках. Это решение мне не понравилось. На дороге обычно пыль и грязь, не самая хорошая идея забирать воздух с самого низа для закачивания его в колесо.



Внутри смонтирован мотор постоянного тока на постоянных магнитах. Параллельно мотору включен конденсатор для фильтрации помех.



Кроме мотора, имеются выполненные единой отливкой цилиндр с корпусом редуктора. Кроме того, присутствует фонарь, два выключателя, плата с реле включения и манометр с датчиком давления.

Цилиндр отлит из легкого сплава, похожего на силумин.



Присутствует умеренное оребрение для охлаждения и прочности.



Ведущая шестерня напрессована на вал мотора. Она металлическая.



Ведомая шестерня пластиковая.



вращается совместно с противовесом.



Шатун поршня из пластика, установлен на подшипник. Поршень выполнен зацело с шатуном.



Диаметр цилиндра 22 мм, ход поршня 14 мм.



Встроенный фонарь на четырех светодиодах, отражатель и линза Френеля пластиковые, радиаторов нет.



Но и по яркости не скажешь, что они там нужны. Для того, чтобы осветить колесо света достаточно, а больше и не нужно, это все-таки компрессор, а не фонарь.



Реле рассчитано на 10 ампер постоянного тока, что вполне достаточно для потребностей электромотора.



Датчик давления подсоединен к насосу отрезком шланга на пластиковой стяжке для кабелей. Мне не понравилось это решение. Но оно работает. Если будут проблемы — переделаю.



Собираем компрессор обратно.

Впереди стресс-тест.
У меня имеется приборчик для определения неисправностей свечей и катушек зажигания. Я сделал его сам из фильтра от мойки. В прозрачную колбу фильтра устанавливается свеча. Затем накачивается давления и на свечу подается напряжение. По давлению прекращения искрообразования можно судить о качестве свечи. Для контроля давления установлен манометр.

Выставляем давление — 10 атмосфер. Включаем прибор:



Довольно быстро давление в 10 атмосфер было достигнуто. После остановки компрессора оно начало падать, но это из-за неплотной установки свечи. Сам же компрессор, как показало накачивание колеса, совершенно не травит воздух после отключения мотора.

Сверим показания манометров:

3.85 Атм



4.40 Атм



4.85 Атм



5.6 Атм



6.4 Атм



Как видим, во всем диапазоне шкалы давление более-менее совпадает.

Подводим итог:

Компрессор работает исправно. Я нахожу весьма приятным, что можно выставить желаемое давление и он сам отключится в нужный момент. Длина провода, шланга, форма штекера прикуривателя, яркость и расположение фонаря — все это достаточно удобно.

Плюсы:
— автоматическое отключение
— точный манометр
— высокий кпд
— встроенный в штекер предохранитель
— фонарь
— компрессор совершенно не травит после окончания накачки

Минусы:
— прорези для забора воздуха на дне корпуса
— хомутик из кабельной стяжки на датчике давления
— пластиковые поршень и ведомая шестерня редуктора