Производство и распределение сжатого воздуха
Давление, которое непосредственно воздействует на поверхность земли, называется атмосферным давлением и обозначается Ратм. Это давление часто называют базовым.
Превышение абсолютного давления Рабс над атмосферным называют избыточным давлением (ризб), а недостаток абсолютного давления до атмосферного - вакуум метрическим давлением (Рвак). Абсолютное давление и избыточное связаны формулой:
Ризб = Рабе - Ратм
Это соотношение отражено на рис.1.1.
Рис. 1.1. Давление воздуха
Атмосферное давление не является постоянным. Оно изменяется в зависимости от географического места и погодных условий. Диапазон изменения давления, заключенный между линией абсолютного нуля и линией атмосферного давления, называется диапазоном вакуума, а диапазон, лежащий выше линии атмосферного давления, диапазоном избыточного давления. Абсолютное давление Рабс складывается из атмосферного и избыточного давления, которое измеряется приборами, т.е.
Рабс = Ратм + Ризб. Абсолютное давление приблизительно на 100 кПа (1 бар) больше избыточного давления.
В пневматике количество воздуха оценивается в так называемом нормальном состоянии. По стандарту DIN 1343 нормальным состоянием жидкостей или газов является то состояние, которое они принимают при нормальной температуре и нормальном давлении:
- нормальная температура Тн = 273,15 К = 0С,
- нормальное давление рн = 101325 Па = 1,01325 бар.
Характеристики воздуха
Для воздуха характерна незначительная сила сцепления между молекулами, поэтому в нормальных условиях ею можно пренебречь . Как и все газы, воздух не имеет собственной формы. Он полностью занимает предоставленный объем.
Рис. 1.2. Закон Бойля-Мариотта Закон Бойля-Мариотта
Воздух может сжиматься и расширяться. Это свойство описывается законом Бойля-Мариотта: При постоянной температуре объем данной массы газа обратно пропорционален абсолютному давлению, т.е. произведение абсолютного давления газа на его объем является постоянной величиной для данной массы газа.
p1 *V1 =.....= const
Пример расчета
Воздух, находящийся под атмосферным давлением, при помощи компрессора сжимается до 1/7 его прежнего объема. Какое давление зарегистрирует прибор в конце сжатия, если этот процесс происходил при постоянной температуре?
p1* V1 = р2* V2
p2 = p1*V1/V2, где: V2/V1 = 1/7
p1= ратм= 100 кПа = 1 бар Р2 = 1*7 = 700 кПа = 7 бар
По полученному выше абсолютному давлению определяется избыточное давление воздуха: ризб = рабс - ратм = (700 - 100) кПа = 600 кПа = 6 бар
Следовательно, компрессор, который сжимает воздух до избыточного давления в 600 кПа, должен иметь степень сжатия 1:7.
Закон Гей-Люссака
Если нагреть воздух, имеющий температуру 273 К, в условиях постоянного давления на 1 К, то его объем увеличится на 1/273 величины этого объема. Закон Гей-Люссака гласит: При постоянном давлении объем постоянной массы газа пропорционален его абсолютной температуре.
?, = І, ?2 тг где:
?1 - объем газа при температуре Ті, ?2 - объем газа при температуре Тг,
?
х =const Т
Изменение объема V определяется по формуле:
?,
Д? = ?г - Vi = -1 (Тг - Ті)
Ті
Для V2 следует:
v.
?г = Vi + Д? = Vi + -‘-(Тг-Ъ).
Ті
Воздух объемом 0,8 м3 при температуре T1 = 293 К (20 С) нагревается до температуры Т2 = 344 К (71 С). Каково изменение объема воздуха?
Пример расчета
Если во время нагревания объем воздуха поддерживается постоянным, то для изменения давления справедлива формула:
Ш _ L рг Тг
ИЛИ
const
Т
Закон Шарля
Уравнение состояния газа
Для постоянной замкнутой массы газа связь между его параметрами (давлением, объемом и температурой) устанавливается следующим уравнением состояния газа: рі. ?і _ рг - ?г Ті Тг
Из этого уравнения можно (как частные случаи) получить рассмотренные выше законы изменения параметров газа, если поочередно считать постоянными три параметра газа (р, V или Т):
- Давление р постоянно = изобарический процесс
- Температура Т постоянна = изохорический процесс
- Объем V постоянен = изотермический процесс
Глава 2Производство и распределение сжатого воздуха
Подготовка сжатого воздуха
С целью обеспечения надежности работы пневматической системы управления к ней необходимо подвести сжатый воздух высокого качества. При этом оцениваются следующие параметры воздуха:
- уровень давления,
- влажность воздуха,
- степень очистки воздуха.
Если не будут соблюдены перечисленные выше требования к параметрам воздуха, то это может привести к увеличению эксплуатационных расходов из-за роста времени простоя машин и установок, а также увеличению затрат на ремонт и замену вышедших из строя элементов.
Подготовка сжатого воздуха начинается уже с момента его производства, но, если не принять специальных мер, на пути к потребителям воздух может быть загрязнен. Тип компрессора и его техническое состояние оказывают большее или меньшее влияние на количество твердых частиц, масла и воды, которые могут попасть в пневматическую систему. В состав подсистемы подготовки воздуха входят следующие элементы:
- всасывающий фильтр,
- воздушный компрессор, - воздушный ресивер,
- осушитель воздуха,
- воздушный фильтр с влагоотделителем,
- редукционный клапан,
- маслораспылитель (при необходимости),
- дренажные (спускные) отверстия для удаления конденсата.
Из-за плохого качества воздуха увеличивается число аварий и сокращается срок службы пневматической системы, что проявляется в таких явлениях, как:
- быстрый износ уплотнений и подвижных частей пневмоаппаратов и исполнительных устройств,
- замасливание клапанов,
- загрязнение глушителей шума,
- коррозия трубопроводов, пневмоаппаратов, цилиндров и других элементов,
- вымывание смазки подвижных частей.
В случае плохой герметичности пневмосистемы утекающий воздух может попасть на обрабатываемые изделия (например, на пищевые продукты).
Уровень давления сжатого воздуха
Как правило, пневматические устройства промышленного назначения проектируются на максимальное рабочее давление 800... 1000 кПа (8... 10 бар). Однако опыт эксплуатации показал, что из экономических соображений целесообразнее использовать давление около 600 кПа (6 бар).
Сопротивление течению газа в отдельных элементах (например, дроссели) и в трубопроводах рассчитывается таким образом, чтобы суммарные потери давления в них составляли 10...50 кПа (0,1 ...0,5 бар). Поэтому для того, чтобы нормальное рабочее давление в пневмосистеме было не ниже 600 кПа (6 бар), давление компрессорной установки должно быть в пределах 650...700 кПа (6,5...7 бар).
Компрессоры
Выбор типа компрессора зависит от рабочего давления и необходимого потребителю расхода воздуха. Различают следующие типы компрессоров.
Рис. 2.1. Типы компрессоров
Поршневые компрессоры возвратно-поступательного действия
Объемный поршневой компрессор возвратно-поступательного действия сжимает воздух, поступающий в его рабочий объем через всасывающий клапан. Через напорный клапан воздух подается в пневмосеть.
Компрессоры возвратно-поступательного действия находят широкое применение, так как они обеспечивают получение сжатого воздуха в широком диапазоне давления и расхода. Для получения большого давления используют многоступенчатые компрессоры, в которых воздух охлаждается между отдельными ступенями компрессора.
Оптимальный диапазон давлений для таких компрессоров: до 400 кПа (4 бар) одноступенчатое сжатие
до 1500кПа (15 бар) двухступенчатое сжатие
свыше 1500кПа (15 бар) трех- или многоступенчатое сжатие
Возможные, но не всегда экономичные диапазоны давлений: до 1200кПа (12 бар) одноступенчатое сжатие,
до 3000 кПа (30 бар) двухступенчатое сжатие,
свыше 3000 кПа (30 бар) трех- или многоступенчатое сжатие
Мембранные компрессоры
Мембранные компрессоры принадлежат к группе объемных компрессоров возвратно-поступательного действия, в которых рабочий объем отделен от поршня мембраной. Достоинство этого типа компрессоров заключается в том, что компрессорное масло не может попасть в поток сжимаемого воздуха.
Это особенно важно там, где недопустимо попадание масла в воздух, например в пищевой, парфюмерной или химической промышленности.
Радиально-поршневые компрессоры
В радиально-поршневых компрессорах сжатие воздуха осуществляется во вращающихся цилиндрах. Во время процесса сжатия воздуха рабочий объем компрессора постепенно уменьшается.
Винтовые компрессоры
В таких компрессорах два вала с профилем винтовой формы вращаются друг относительно друга.
При этом профили, входящие один в другой, уменьшают рабочий объем, из которого сжимаемый воздух вытесняется в сеть.
Лопастные компрессоры
Для большинства применяемых лопастных компрессоров характерна большая производительность. Изготавливаются лопастные компрессоры с аксиальным и радиальным расположением лопастей. В них воздух приводится в движение с помощью одного или нескольких турбинных колес. В лопастных компрессорах кинетическая энергия движения воздуха преобразуется в потенциальную энергию давления.
В осевых компрессорах воздух перемещается лопастями в осевом (аксиальном) направлении течения потока.
Регулирование компрессоров
Для того, чтобы производительность компрессора соответствовала потребляемому расходу воздуха, необходимо осуществлять регулирование компрессора. Производительность компрессора регулируется между максимальным и минимальным уровнями значения давления.
Имеются различные способы регулирования компрессора.
- Регулирование холостого хода компрессора
- регулирование сбросом
- регулирование запиранием,
- регулирование коротким замыканием;
- Регулирование по нагрузке
- регулирование числом оборотов,
- регулирование дросселированием на всасывании.
- Релейное регулирование
Регулирование холостого хода компрессора
При регулировании сбросом компрессор работает на предохранительный клапан. После достижения настроенного значения регулируемого давления открывается предохранительный клапан и воздух сбрасывается в окружающую среду.
При регулировании запиранием перекрывается всасывающая магистраль компрессора. Этот вид регулирования применяется прежде всего для радиально-поршневых компрессоров.
Для больших объемных компрессоров применяется регулирование коротким замыканием, при котором во время части цикла сжатия всасывающий клапан остается открытым. При этом рабочий объем компрессора оказывается соединенным со всасывающей магистралью и компрессор не может сжать воздух, т.е. повысить его давление.
Регулирование по нагрузке
При регулировании по нагрузке в зависимости от давления в напорной магистрали компрессора изменяется число оборотов приводного мотора компрессора.
При регулировании дросселированием на всасывании производительность компрессора поддерживается за счет изменения сопротивления дросселя, установленного во всасывающей магистрали компрессора.
Релейное регулирование (Регулирование включением/выключением)
При этом виде регулирования компрессор работает на полной нагрузке или останавливается. Приводной мотор компрессора выключается при достижении давления, превышающего максимальное рабочее давление Рмакс и включается при достижении минимального рабочего давления Рмин.
Продолжительность включения компрессора
Рекомендуется, чтобы продолжительность включенного состояния компрессора была не выше 75%. При этом необходимо, чтобы среднее и максимальное значения расхода воздуха пневматической установки были определены, что важно для выбора типа компрессора. Если предположить, что потребление воздуха при модернизации установки увеличится, то необходимо применять элементы системы управления и подготовки сжатого воздуха, рассчитанные на больший расход воздуха.
Иначе последующая модернизация системы будет связана с большими финансовыми расходами из-за необходимости модернизации компрессорной станции заводской пневматической сети.
Ресивер сжатого воздуха
Для стабилизации давления воздуха за компрессором устанавливается ресивер. Ресивер сжатого воздуха выравнивает колебания давления при отборе воздуха из системы. Если давление в ресивере опускается ниже определенного уровня, то компрессор заполняет его до тех пор, пока давление вновь не достигнет настроенного верхнего уровня.
Преимущество такого режима работы заключается в том, что компрессор не работает непрерывно.
Благодаря относительно большой площади поверхности ресивера сжатый воздух в нем охлаждается. При этом выделяется конденсат, который необходимо регулярно удалять через отводной кран.
Размеры ресивера сжатого воздуха зависят от следующих параметров системы:
- производительности компрессора,
- количества воздуха, потребляемого пневмосистемой,
- допустимой емкости ресивера,
- способа регулирования компрессора,
- допустимого колебания давления в сети сжатого воздуха.
Производительность компрессора Изменение давления Число переключений в час Результаты расчетов по диаграмме
Осушители воздуха
При всасывании компрессором воздуха из окружающей среды в него попадает вода. Влажность сжатого воздуха определяется его относительной влажностью, которая зависит от температуры и погодных условий.
Абсолютная влажность - это масса паров воды, содержащихся в 1 м3 воздуха. Влажность насыщенного пара - наибольшая масса паров воды, которая может содержаться в 1 м3 воздуха при данной температуре.
Относительная влажность, измеряемая в процентах, определяется по формуле:
Абсолютная влажность_ *100%
Относит. влажность = влажность насыщенного пара
Так как влажность насыщенного пара зависит от температуры, то относительная влажность изменяется с изменением температуры, даже если абсолютная влажность остается постоянной.
Точка росы
Точкой росы называется температура, при которой относительная влажность становится равной 100%. При понижении температуры ниже тонки росы начинается конденсация содержащихся в воздухе паров воды. Повышенная влажность воздуха уменьшает долговечность пневматической системы.
Поэтому для ее снижения необходимо устанавливать осушители. Применяются следующие способы осушки воздуха:
- сушка при низкой температуре (рефрижераторная сушка),
- адсорбционная сушка, - абсорбционная сушка.
Температура точки росы
При сравнении различных осушительных установок между собой принимается во внимание значение рабочего давления установки и температура точки росы воздуха, т.е. температура, которая достигается в сушилке при рабочем давлении.
Температура точки росы осушаемого воздуха должна быть на 2 ... 3 С ниже температуры охлаждающей среды.
Снижение эксплуатационных расходов, сокращение времени простоя и повышение надежности пневмосистем относительно быстро окупают дополнительные затраты на установку осушителя воздуха.
Рефрижераторная сушка
Чаще всего в установках по осушке воздуха применяются рефрижераторные (холодильные) осушители. Протекающий воздух охлаждается в теплообменнике. Влага, содержащаяся в потоке воздуха, выделяется и собирается в отстойнике.
Входящий в осушитель воздух предварительно охлаждается потоком выходящего холодного воздуха, поступающего из теплообменника. Затем в рефрижераторном осушителе он охлаждается еще на 2 ...
5 С, Сухой воздух фильтруется. На выходе из рефрижераторного осушителя воздух нагревается в теплообменнике от потока входящего
Адсорбционный осушитель
Адсорбция - процесс поглощения вещества из газа или жидкости поверхностью твердого тела. Осушающее вещество, которое также называют гелем, имеет форму гранул, в состав которых обычно входит оксид силиция.
На практике всегда используются две емкости. Когда гель в одном из адсорберов пропитывается водой, поток воздуха переключается на другой адсорбер с сухим гелем, а первый тем временем осушается горячим воздухом.
Влажный воздух Абсорбционный осушитель
Абсорбция - это чисто химический процесс, при котором твердое тело или жидкость поглощает газообразное вещество. Из-за высоких эксплуатационных расходов этот вид сушки применяется очень редко.
С помощью фильтра на входе в осушитель воздух очищается от больших капель воды и масла. Это достигается за счет закручивания потока сжатого воздуха перед входом в сушильную камеру, где вода соединяется с флюсом, т.е. с осушающим веществом.
Затем это жидкое соединение поступает в сборник, размещенный в нижней части осушителя.
Получаемое соединение должно регулярно удаляться, а флюс регулярно заменяться.
Положительными сторонами процесса абсорбции являются:
- простота оборудования,
- низкий механический износ из-за отсутствия в осушителе
- подвижных частей,
- отсутствие подвода энергии извне.
На выходе осушителя должен быть установлен пылеулавливатель для отделения от воздуха частиц флюса.
При этом может быть получена температура точки росы ниже О С.
Рис. 2.7. Кривая точки росы Дано:
Производительность установки, приведенная к давлению
во всасывающей магистрали 1000 м3/час
Абсолютное давление 700 кПа (7 бар)
Производительность установки, приведенная
кдавлению в напорной магистрали 143 м3/час Температура воздуха
во всасывающей магистрали 293 К (20 С)
Температура воздуха
внапорной магистрали 313 К (40 С)
Относительная влажность 50%
Пример расчета
При 293 К (20 С) имеется следующая взаимосвязь относительной и абсолютной влажностей до сжатия воздуха:
100%-17,3 г/м3,
50% - 8,65 г/м3.
Отсюда определяется количество водяного пара, поступающего в систему:
8,65 г/ м3.1000 м3/час = 8650 г/час
При 313 К (40 С) имеется следующая взамосвязь относительной и абсолютной влажностей после сжатия воздуха:
100% *51,1 г/м3
Отсюда определяется предельное количество водяного пара, которое может содержатся в системе: 51,1 г/ м3.143 м3/час = 7307 г/час
При этом выделившееся после сжатия воздуха количество воды составляет:
8650 г/час - 7307 г/час = 1343 г/час
Распределение сжатого воздуха
Для того чтобы гарантировать надежную и безаварийную работу системы распределения воздуха, необходимо выполнить ряд требований. При этом, безусловно, важно соблюдение рекомендаций по размерам трубопроводов, материалам, из которых они выполнены, условному проходу местных сопротивлений, порядку расположения труб и правилам обслуживания пневмосистемы.
Размеры системы трубопроводов
На случай последующего монтажа новых пневмосистем следует предусмотреть возможность расширения сети сжатого воздуха. Поэтому размеры основной магистрали питания сжатым воздухом, определяемые техническими требованиями, должны быть рассчитаны с определенным запасом.
Это впоследствии позволит легко расширить систему, используя заглушки и отсечные клапаны.
Во всех трубопроводах имеются потери давления из-за сопротивления течению потока, причиной которых являются потери на трение и особенно потери в местных сопротивлениях (сужения, расширения проходных сечений, повороты потока, разветвления и т.п.). Эти потери должны преодолеваться напором (давлением) компрессора.
Потери давления во всей сети должны быть, по возможности, меньшими.
Для расчета потерь давления необходимо знать общую приведенную длину трубопроводов. Местные сопротивления при расчете заменяются сопротивлением трубопроводов эквивалентной длины.
Внутренний диаметр трубопроводов, который лучше всего определять с помощью специальных номограмм, также зависит от рабочего давления и производительности компрессора.
Потери давления
Любое препятствие на пути потока воздуха или изменение направления его движения внутри системы трубопроводов вызывает падение давления (увеличение сопротивления потоку). Это приводит к постоянным потерям давления в системе трубопроводов.
Так как любая система питания сжатым воздухом не может обойтись без различных поворотов, разветвлений, элементов соединений трубопроводов, вентилей, задвижек и т.п., то избежать такого падения давления не удается.
Но его можно значительно снизить за счет оптимальной конфигурации системы трубопроводов и выбора подходящего материала для них, а также правильного соединения и установки в них необходимых элементов.
Материал трубопроводов
Современные системы питания сжатым воздухом предъявляют определенные требования к сети трубопроводов, которая должна обеспечивать:
- минимальные потери давления,
- герметичность,
- стойкость против коррозии,
- возможность модернизации системы.
При этом обращается внимание не только на стоимость труб и других элементов системы сжатого воздуха, но также и на стоимость монтажа. Наименьшая стоимость монтажа у пластмассовых трубопроводов.
Применение герметиков при стыковке пластмассовых трубопроводов обеспечивает 100% герметичность и облегчает перемонтаж в случае модернизации системы.
Медные и стальные трубопроводы более дешевы, но требуют антикоррозийного покрытия, а их сопряжение друг с другом осуществляется с помощью сварки или резьбовых соединений. Если монтаж такой системы трубопроводов произведен небрежно, то в нее могут попасть кусочки окалины, стружки, застывшие капли металла или обрезки уплотнительного материала, что может привести ко многим неисправностям.
Для систем с трубопроводами, имеющими небольшой и средний размер внутреннего диаметра, самыми подходящими с точки зрения стоимости, удобства монтажа, обслуживания и возможности модернизации являются пластмассовые трубопроводы.
Необходимо обеспечивать надежный монтаж трубопроводов, так как иначе может возникнуть разгерметизация трубопровода из-за раскручивания соединений.
Рис. 2.8. Система снабжения сжатым воздухом Расположение трубопроводов
Кроме правильного выбора размеров и материала трубопроводов, решающим фактором в обеспечении экономичной работы системы питания сжатым воздухом является расположение трубопроводов (конфигурация системы трубопроводов). Сжатый воздух поступаете систему от компрессора не непрерывным потоком, а по мере необходимости. При этом часто бывает так, что воздух расходуется потребителем в большом количестве лишь в короткие промежутки времени.
Все это может привести к сбою в работе системы питания. Поэтому основной линии питания рекомендуется придавать кольцевую форму, так как это обеспечивает относительное постоянство давления в магистрали питания.
Рис. 2.9. Кольцевой трубопровод
Для того, чтобы ремонт и модернизация трубопроводов не нарушали работу всей системы питания, желательно с помощью запорных клапанов разделить ее на отдельные секции.
Благодаря применению тройниковых соединений и трубопроводов с заглушками на концах появляется возможность, по мере надобности, подключения ответвлений для новых устройств, потребляющих сжатый воздух. Эти ответвления должны оборудоваться стандартными запорными кранами или обратными клапанами.
Рис. 2.10. Сеть трубопроводов
Несмотря на самое тщательное отделение и отвод конденсата в установках по производству сжатого воздуха, падение давления и охлаждение окружающим воздухом могут вызвать образование конденсата и в системе трубопроводов. Чтобы он не увлекался потоком воздуха к потребителям, а собирался в определенных местах, откуда его было бы удобно отвести, все трубопроводы при
установке должны иметь уклон к горизонтали 1-2%. Это можно осуществить независимо на отдельных участках трубопровода.
Конденсат должен выводиться из самой нижней точки сети трубопроводов.
Система подготовки сжатого воздуха
Различные функции системы подготовки сжатого воздуха (фильтрация, регулирование и смазка элементов пневмосистемы) могут выполняться отдельными элементами или одним устройством -блоком подготовки сжатого воздуха.
Фильтр сжатого воздуха
В современных пневматических системах подача смазки в сжатый воздух не всегда нужна. Это делается только в случае необходимости и, прежде всего, для смазки элементов исполнительной части системы.