Системы подготовки воздуха

Таблица 1.1. Зависимость свойств воздуха от температуры

Температура, К	Плотность, кг/м³	Динамическая вязкость, Па с	Кинематическая вязкость, м²/с
253 263 273 283 293 313 333 353 373	0,142 0,137 0,132 0,127 0,123 0,114 0,108 0,101 0,096	1,59 1,65 1,71 1,77 1,83 1,95 2,07 2,19 2,33	11,20 12,04 12,95 13,94 14,88 17,10 19,17 21,68 24,27

В неподвижном газе вся теплота, подводимая к газу, может расходоваться только на повышение запаса внутренней энергии и на работу расширения. Поэтому элементарное приращение энергии 1 кг газа равно алгебраической сумме

dЕ = dU + Аdе,

где dU - элементарное приращение внутренней энергии 1 кг массы газа, А - тепловой эквивалент работы, dе - приращение внешней работы 1 кг газа. Приведенное уравнение выражает первый закон термодинамики.

Если газ не совершает внешней работы, то процесс происходит при постоянном объеме, и уравнение первого закона термодинамики записывается в виде

dЕ = dU = с_V dT,

где с_V – удельная теплоемкость при постоянном объеме. Удельной теплоемкостью называется количество теплоты, которое необходимо, чтобы нагреть 1 кг массы газа на 1 К. Удельная теплоемкость при постоянном объеме для воздуха при 0 ^оС и 0,1 МПа равна 0,7196 Дж/кг К.

В случае переменного объема внешнее тепло расходуется не только на повышение внутренней энергии, но и на совершение внешней работы. В этом случае уравнение первого закона термодинамики запишется в виде

dЕ = с_V dT + ApdV.

Параметры воздуха в процессе работы подвергаются изменениям по различным законам. На практике часто можно пренебречь изменением какого-либо параметра и считать его во все время протекания термодинамического процесса постоянным. Если объем воздуха при изменении его состояния остается постоянным, то уравнение состояния принимает вид

р/T = const.

Такой термодинамический процесс носит название изохорического.

Часто имеют место медленно протекающие процессы, сопровождающиеся достаточно хорошим теплообменом с окружающей средой, температура которой приблизительно постоянна. В этом случае уравнение состояния имеет вид

р/ = const.

Такой термодинамический процесс называется изотермическим.

Адиабатическийпроцесс характеризуется тем, что он происходит без теплообмена с окружающей средой. Уравнение первого закона термодинамики для этого случая запишется в виде

с_V dT + Ap = 0

Процесс, протекающий при постоянной теплоемкости, называется политропическим.

Если процесс протекает при постоянном давлении, то

T = const.

Такой термодинамический процесс называется изобарическим.

Основными соотношениями, необходимыми для анализа работы пневматических устройств, являются соотношения, описывающие законы движения воздуха. Допустим, что воздух представляет собой идеальную жидкость, т. е. такую жидкость, в которой частицы перемещаются одна относительно другой без трения. Предположим, что движение установившееся, и свойства жидкости в данном сечении остаются постоянными, т. е. давление и температура не изменяются. Обозначим через C, р, g, и z соответственно скорость движения жидкости, давление, ускорение силы тяжести, плотность жидкости и высоту над плоскостью отсчета. Уравнение Бернулли в дифференциальной форме, выражающее закон сохранения энергии, записывается в виде

Интегрирование этого уравнения дает выражение закона движения жидкости:

Величина H - постоянная интегрирования, которая представляет собой полный напор, развиваемый движущейся средой. Он равен сумме напоров: скоростного - первое слагаемое в законе движения, пьезометрического - второе слагаемое и геометрического – третье слагаемое. Учитывая низкую плотность воздуха, величиной z обычно пренебрегают. Отсюда для воздуха можно записать, что

Для идеальной жидкости запас энергии в каждом сечении потока остается неизменным. У реальных жидкостей, имеющих трение, запас энергии от сечения к сечению по направлению движения жидкости убывает.

Пневматические системы связаны с газовым потоком в соединительных трубопроводах. Объемный поток характеризует объем газа, проходящего через заданное сечение в единицу времени. Число Рейнольдса определяет характер потока как

где – С скорость потока газа, d - диаметр трубопровода, - плотность газа и - коэффициент динамической вязкости газа. Если Re меньше критического значения для данного вида потока, то поток является ламинарным, в обратном случае - турбулентным. Турбулентный поток приводит к потере энергии через трение и может привести к преждевременному износу системы, поэтому ламинарный поток является номинальным для пневматических систем.

Системы подготовки воздуха

Системы подготовки воздуха предназначены для обработки атмосферного воздуха до состояния, требуемого по техническим характеристикам пневмоустройства, подключаемого к линии в виде нагрузки.

Типичная система подготовки воздуха показана на рис. 1.2.

Рис. 1.2. Система подготовки воздуха

Источником сжатого воздуха являются компрессорные установки. Они могут быть стационарными или передвижными и осуществлять централизованное питание нескольких различных по назначению потребителей сжатого воздуха или индивидуальное питание потребителя.

Воздух, который попадает в воздухозаборник из окружающей среды, как правило, содержит пыль, которая вызывает износ деталей компрессора. Поэтому перед компрессором устанавливают специальные пылеуловители или фильтры. Основными требованиями к фильтру являются тонкость фильтрации и минимальное сопротивление потоку воздуха.

Компрессорный фильтр для очистки воздуха

Из компрессора нагретый в процессе сжатия воздух поступает в водяной охладитель, который обычно входит в конструкцию самого компрессора. Охлаждение воздуха приводит к конденсации паров воды, которые попадают в компрессор вместе с всасываемым воздухом, и паров масел, используемых в компрессоре для смазки трущихся поверхностей.

Водяной охладитель

В связи с этим после охладителя воздух пропускается через фильтр-влагоотделитель, который фильтрует воздух и одновременно осушает его.

Работа фильтра-влагоотделителя происходит следующим образом. Сжатый воздух проходит через элементы конструкции, которые за счет сообщают воздуху вихревое вращательное движение. Мелкие частицы воды и масла, находящиеся в потоке воздуха, под действием центробежных сил отбрасываются к стенкам корпуса и стекают вниз в зону, отделенную заслонкой, которая препятствует конденсату, собранному в этой зоне, снова попадать в поток воздуха. Корпус обычно изготавливают из прозрачного материала для легкости визуального определения уровня конденсата. При достижении предельного уровня конденсата в стакане открывается запорный кран, и конденсат выводится под действием сжатого воздуха. Вместе с конденсатом удаляются и твердые частицы, задержанные фильтрующим элементом.

Фильтр-влагоотделитель

Наибольшую сложность представляет удаление из потока воздуха компрессорного масла, которое содержится в воздухе в виде аэрозоля с частицами размером меньше микрона. Из-за малости этих частиц нельзя удалить их в устройстве центробежного действия, поэтому воздух из фильтра-влагоотделителя поступает в химический осушитель, в котором влага адсорбируется при прохождении воздуха через адсорбент, в качестве которого может использоваться активированный уголь, активная окись алюминия или силикагель.

Осушитель воздуха

После осушения воздух попадает в ресивер. Он выполняют несколько функций. Ресивер создает запас сжатого воздуха для использования в моменты максимального потребления, сглаживает пульсацию подачи воздуха, которая возникает при использовании компрессоров объемного типа, а также отделяет влагу, содержащуюся в потоке воздуха, которая выпадает в виде конденсата в процессе расширения воздуха при заполнении ресивера и при движении воздуха по нему.

Воздушный ресивер для компрессора

Для обеспечения нормальной работы ресивер снабжается манометром для контроля давления, предохранительным пневмоклапаном, ограничивающим верхний предел давления в нем, и конденсатоотводчиком. Для лучшего влагоотделения ввод воздуха делают в средней части ресивера, загибая входной трубопровод вниз, а отвод - из верхней части. Внутри ресивера устанавливают перегородки, заставляющие воздух изменять направление движения, создавая тем самым центробежные силы, которые, как и в фильтре-влагоотделителе, способствуют осушению воздуха. Конденсат собирается в нижней части ресивера и через конденсатоотводчик периодически вручную или автоматически сливается. Объем ресивера определяют в зависимости от производительности компрессора и цикличности потребления сжатого воздуха. При этом объем ресивера не должен быть меньше, чем половина объема свободного воздуха при атмосферном давлении и нормальной температуре, всасываемого компрессором за 1 мин.

Маслораспылитель обеспечивает смазку трущихся деталей пневмодвигателей за счет подачи в поток воздуха распыленного жидкого смазочного материала, обычно минеральных масел. В машиностроении наибольшее распространение получили маслораспылители эжекторного типа. В них подача масла в поток воздуха происходит за счет разности между величиной давления над жидкостью в емкости маслораспылителя и давления в том месте потока воздуха, где в него вводится масло.

Маслораспылитель

Отработанный воздух выходит в атмосферу через глушитель, который служит для снижения уровня шума, возникающего при работе пневмодвигателей. Этот шум может быть механического и аэродинамического происхождения. Механический шум возникает, в основном, при ударах подвижных деталей в пневматических двигателях и устройствах управления. Снижение уровня шума механического происхождения достигается за счет оптимизации конструктивных решений и за счет применения тормозных и амортизирующих устройств. Механический шум в пневмосистемах, как правило, не превышает уровень шума другого работающего на участке оборудования и имеет относительно невысокую частоту.

Шум аэродинамического происхождения возникает из-за турбулентного смешивания отработанного воздуха с окружающей средой при выхлопе. В пневмосистемах высокого давления истечение воздуха в атмосферу при выхлопе происходит со скоростью, близкой к скорости звука, а интенсивность аэродинамического шума пропорциональна восьмой степени скорости струи воздуха. Уровень аэродинамического шума при работе большинства пневмодвигателей, не оснащенных средствами его снижения, достигает 100 децибел, причем наибольший уровень расположен в высокочастотной части звукового спектра, что существенно усугубляет вредное воздействие на человека. Для снижения уровня аэродинамического шума применяют глушители, задачей которых является снижение скорости воздуха при выхлопе.

В промышленных пневмосистемах широко применяют активные глушители, в которых скорость гасится при прохождении воздуха через пористый проницаемый материал. Наиболее эффективны такие глушители с порами размером до 100 микрон. Простота и низкая стоимость таких глушителей позволяет использовать их индивидуально на выходе каждого пневмодвигателя. Однако через такие глушители проходят аэрозольные частицы масел, которые были внесены в поток воздуха маслораспылителями, что приводит к загрязнению окружающей среды в производственных помещениях. В связи с этим при повышенных требованиях к улавливанию масляных аэрозолей используют специальные глушители комбинированного типа, а именно фильтры-глушители.

В фильтре-глушителе воздух проходит через мелкопористый слой фильтрующего элемента, в котором аэрозольные частицы объединяются в более крупные капли, а затем через грубоволокнистый фильтрующий элемент. Расширение воздуха во втором слое фильтра приводит к значительному снижению скорости воздуха, и капли масла под действием силы тяжести стекают на дно устройства. Выхлоп воздуха в атмосферу происходит через обычный глушитель трения, т.е. активный глушитель. Фильтры-глушители эффективно снижают уровень шума и улавливают аэрозоли масла. Однако, учитывая более сложную конструкцию и более высокую стоимость, фильтры-глушители обычно устанавливают на общем выхлопном трубопроводе, объединяющем выхлоп нескольких пневмодвигателей.

Глушитель

В пневмолинии подготовка сжатого воздуха до ресивера относится к первичной подготовке воздуха, а после ресивера - к вторичной подготовке. Рабочее давление на нагрузке обычно бывает меньше давления питания, поэтому сжатый воздух поступает в пневматический редуктор. Редуктор понижает уровень давления на выходе и поддерживает его постоянным в процессе работы за счет регулируемого дросселирования через мембранно-пружинный механизм. После редукционного клапана воздух поступает к нагрузке.

Дополнительные фильтры, фильтры-влагоотделители и химические осушители обычно устанавливают перед пневмоэлементом или блоком пневмоэлементов, при работе которых к воздуху предъявляются повышенные требования по чистоте и влажности. Особенно это важно в том случае, если сжатый воздух от источника питания подводится к пневмоэлементам по длинным трубопроводам. В процессе движения воздуха по трубопроводу происходит его охлаждение и выпадение конденсата паров влаги, а также загрязнение воздуха частицами окалины или ржавчины.

Сжатый воздух в пневмосистемах транспортируется по пневмолиниям, конструкция трубопроводов которых зависит от рабочего давления. В магистральных пневмолиниях высокого давления воздух, как правило, транспортируется по жестким металлическим трубопроводам, выполненным из стали, алюминия, меди или латуни. Трубы из меди, медных и алюминиевых сплавов отличаются высокой гибкостью, удобны для коротких участков пневмолинии со сложными изгибами и для подгонки размера в процессе монтажа. Эти преимущества в наибольшей степени проявляются при диаметрах до диаметров 25 мм. Кроме того, трубы из цветных металлов не требуют антикоррозийных покрытий. Однако их стоимость значительно выше стоимости стальных труб, которые обычно применяют для больших диаметров. Эти трубы изготавливают из углеродистой стали и предохраняют от коррозии за счет специального покрытия.

Подвод воздуха к пневмодвигателям происходит по гибким резиновым шлангам с текстильным каркасом. Соединение трубопроводов и присоединение их к пневмоагрегатам как для жестких трубопроводов, так и для резиновых шлангов осуществляют с помощью соединительной арматуры.

В пневмолиниях низкого давления, как правило, используются пластмассовые трубопроводы, выполненные из полиэтилена или поливинилхлорида. Основными преимуществами пластмассовых трубопроводов являются: отсутствие коррозии, малая стоимость, малая масса и удобство монтажа. Самое простое соединение пластмассовых трубопроводов достигается при помощи металлического или пластмассового ниппеля с различной конфигурацией уплотнительной поверхности. При эксплуатации таких соединений в условиях температур более 40°С пластмассовые трубки одевают на ниппель в разогретом состоянии до 100°С, а затем охлаждают до температуры окружающей среды.