Основы применения сжатого воздуха

Мы узнаем и учимся обращаться с электричеством и электрическими приборами с самого раннего возраста, а знания о возможностях и преимуществах сжатого воздуха до сих пор скорее исключение, чем правило. Зачастую, даже люди, использующие сжатый воздух, плохо знают процессы, протекающие в системах сжатого воздуха. Предлагаем обобщенную информацию о возможностях сжатого воздуха и основах его применения в промышленности.

Рис. Машинное отделение компрессорной станции. Париж конец 18 века.

Системы распределения энергоносителей, в том числе сжатого воздуха и электричества имеют много общего. Их структуры очень похожи. Компрессор можно стравнить с электрогенератором, а подготовка сжатого воздуха (включающая, например, осушитель и последующий блок фильтров) — с преобразователем, который преобразует энергию в то качество, которое требуется питаемому оборудованию. Обе системы имеют сеть распределения и обе подают энергию потребителю через распределительные разъемы и штуцера.

Единицы измерения

Рассмотрение основных принципов технологий с применением сжатого воздуха не надо рассматривать как погружение в дебри физики. В действительности все, что требуется, это знать основные процессы и физические единицы, которые относятся к использованию сжатого воздуха. В этом отношении основные применяемые единицы — это метры (м), секунды (с), килограммы (кг), Амперы (А), молярная масса (моль) и Кельвин (К), а также производные единицы — Ньютон (Н), Паскаль (Па), атмосфера (атм), Бар (бар), Ом (Ом), Джоуль (Дж), Ватт (Вт), Вольт (В), градус Цельсия (°С), и Герц (Гц).

Давление

В дополнение к хорошо известным и широко применяемым на практике единицам давления приходиться встречать и редкие, приходящие к нам из-за рубежа. Для упрощения понимания и сопоставления величин давления они были обобщены и их соотношения были собраны в таблицу 1.

Таблица 1. Коэффициенты пересчета часто встречающихся единиц измерения давления

Важно также представлять различие между абсолютным давлением, атмосферным и избыточным. Абсолютное давление это давление, измеренное относительно абсолютного нуля (что соответствует абсолютному 100% вакууму). Избыточное давление, напротив, является практически относительной величиной, определяющей превышение над атмосферным давлением. Приведенные единицы не дают однозначного определения, о каком давлении идет речь, однако, иногда, для строгого определения к некоторым из них добавляется символ ати, bar(o), psig — если это избыточное давление, или ата, bar(а), psia — если это абсолютное давление. Следует отметить, что в настоящее время эти аббревиатуры практически не применяются.

Рассмотрение более тонких различий между избыточным и абсолютным давлением, несомненно, имеет смысл только с теоретической точки зрения, хотя само понятие особенно важно для инженерной практики. Правильное понимание и определение давления может сказаться на правильности выполненного проекта компрессорной станции, выборе диаметров пневмомагистралей и результирующих потерях давления, эффективности работы компрессорной станции и оборудования для подготовки сжатого воздуха. В производстве сжатого воздуха разница давления в 1 атмосферу означает, что потребление электроэнергии на его производство увеличивается или уменьшается на 10%.

Для более детального изучения свойств сжатого воздуха как энергоносителя, важным является тот факт, что мы имеем дело со смесью газов под давлением. Если давление газа увеличивается, то объем его уменьшается и поднимается температура. Температура давление и объем находятся в пропорции друг с другом. Сырьем для производства сжатого воздуха является атмосферный воздух. Обычно он состоит на 78% из азота, 21% кислорода и 1% прочих газов таких, как инертные газы.

Рис. Состав атмосферного воздуха.

Тип компрессора зависит от свойств газа, который необходимо сжать. Например, компрессоры для воздуха и азота почти идентичны. Однако, для сжатия кислорода необходима совершенно другая система. Для сжатия кислорода не могут быть использованы обычные воздушные компрессоры безмасляного сжатия, т.к. части этих компрессоров такие, как шестерни подшипники, все-таки подлежат смазке и не могут быть герметично изолированы от камер сжатия. Поэтому для сжатия кислорода должны применяться специальные системы.

Если бы атмосферный воздух действительно состоял только из трех основных компонентов, перечисленных выше, положение дел было бы значительно проще. Однако, воздух дополнительно содержит влагу, что наглядно видно во время тумана, дождя, или снегопада. Но атмосферный воздух, который всасывается и сжимается компрессором в сухую и теплую погоду, также содержит влагу. Это, однако, незаметно до тех пор, пока сжатый и поэтому нагревшийся воздух снова не начнет охлаждаться. Это приводит к образованию воды или точнее конденсата, который является практически постоянной проблемой и фактором риска для пневмосистем, где нет систем подготовки сжатого воздуха и, где он своевременно не удаляется. Хотя бы только по этой причине элементарная система подготовки сжатого воздуха необходима практически для любых применений. График изменения влагосодержания воздуха по годовому циклу построенный по среднемесячным значениям представлен на рисунке 1.

В дополнение к посторонним веществам природного происхождения, таким как вода, воздух также содержит большой ряд других загрязнителей природного и искусственного происхождения. Он включает пыльцу, гарь, мелкую песчаную пыль и частицы, источниками которых являются двигатели автомобилей, тепловые станции и промышленные предприятия. Кроме того, это масляные и углеводородные загрязнители. Например, содержание минерального масла в воздухе промышленных зданий может составлять до 12 мг/м3, а содержание газообразных углеводородов может достигать 14 мг/м3, и наконец другие химически активные загрязнители, такие как диоксид серы (SO2) приводят к тому, что образующийся конденсат является слабой кислотой, которая затем движется по трубопроводам и поступает в оборудование.

Объем

Также как в случае с давлением, необходимо точное понимание значения, вкладываемого в понятие объема. Например, объем воздуха часто выражают в м3. однако эта величина не отражает находиться ли воздух в сжатом или свободном состоянии. Часто принимаем, что речь идет о стандартном кубическом метре в соответствии с ДСТУ ISO 30093, величина которого должна быть определена при температуре 20°С, давлении 0,1 МПа и относительной влажности 65 % и при этих условиях имеет массу 1,182 кг. Существуют также другие стандарты — международный ISO 2533 и национальный стандарт Германии DIN 1343 определяющие отличные условия для определения стандартного кубического метра, в связи с чем его вес и соответственно плотность различны. Условия, при которых наиболее часто приводят значения объемов воздуха, приведены в таблице 2.

Таблица 2. Стандартные условия, часто применяемые для определения объема воздуха.

Техническая характеристика компрессоров — объемная производительность по воздуху на линии всасывания и линии нагнетания, непосредственно связана с параметрами окружающей среды в линии всасывания компрессора. Однако эти условия постоянно меняются. Подобные стандартные условия — это единственный простой метод для сравнения и проверки производительности компрессоров в любое время и в любом месте. В пневмопроводе после компрессора говорят о «сжатом кубическом метре» воздуха. Этот, так называемый действительный рабочий объем, обычно применяется как основа для вычисления размера трубопровода. Для пересчета объема воздуха при различных условиях используется главным образом формула универсальной газовой постоянной:

Автор: Змиевской Г.А. технический директор СП «ЭРСИТ»
Источник: Журнал «Оборудование и инструмент для профессионалов», №10,12, 2002г. г.Харьков.

<< назад